CN113959551B - 一种水下分布式光纤事件监测系统及精确定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水下分布式光纤事件监测系统及精确定位算法，包括：与压力传感光纤复合在一起的水下事件监测光缆、事件监测光纤解调模块、压力传感光纤解调模块和计算机。通过压力传感光纤对事件监测光缆上各点的水压进行精确测量，可计算得到事件监测光缆上各点的水深(y)。光缆上相邻两点间的水深差(dy)与两点间的光缆长度差(dl)以及两点间的水平距离差(dx)之间符合直角三角形边长间的勾股定理关系，因此可根据式(2)求得光缆上相邻2点间的水平距离(dx)，然后通过沿光缆进行积分，就可以得到事件发生点到监测终端的水平坐标(距离)；(dl)2＝(dx)2+(dy)2 (1)
Figure DDA0003820226760000011
Figure DDA0003820226760000012

Description

一种水下分布式光纤事件监测系统及精确定位方法
技术领域
本发明涉及水下监测领域，具体地，涉及一种水下分布式光纤事件监测系统及精确定位方法。
背景技术
光纤传感是最近发展起来的新的传感技术，被广泛应用于水下监测、监听等军事和民生的各个方面。
在军事领域，用光纤做成水声传感器，然后释放在水中通过监听敌方潜艇发出的噪声以监视敌方潜艇的活动，定位潜艇位置，对国家的国防安全具有重大意义。在输水领域，把光纤传感器布置于大型输水管道内对因渗漏产生的噪声、管道破坏引起的振动等事件进行监测可以发现危害性集中渗漏，预警爆管事故以及预测因断丝引起的PCCP管道失效，在保障输水管网安全运行上起着越来越重要的作用。
光纤释放到水下后一般处于悬浮状态(例如海上拖缆监测系统、压力输水管道内的声学/振动监测系统)，光缆呈曲线状而非一条水平直线。因此，当监测系统监测到某事件(例如管道发生渗漏)发生时，直接测量得到的是事件发生点到监测终端间激光沿光纤传播的光程，亦即光缆的长度，而工程上对事件的精确定位要求得到事件发生点到监测终端间的水平距离。为了能够得到事件发生的确切位置，需要把光缆固定在水下，并精确测量光缆上各处的位置。在海域监测上，为此需要进行复杂的潜水作业，不仅作业危险，而且效率低，成本高；在输水管道监测上，由于压力输水管道每年停水检修的时间窗口非常短，难以完成长距离光纤的固定与测量工作，很多情况下光缆是处于自由悬浮状态。在这种状态下时间的精确定位是一个急需解决的难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种水下分布式光纤事件监测系统与精确定位算法。
本发明的技术方案如下：
一种水下分布式光纤事件监测系统，其特征在于，包括：
复合监测光缆，把压力传感光纤与一根或多根事件监测光纤封装进一条光缆，所述事件监测光纤负责监测包括振动、温度和/或应变等事件的发生，所述压力传感光纤负责测量复合监测光缆上各点的水压力值；
事件监测光纤解调模块，把事件监测光纤传来的光信号转换为电信号、然后转换为数字信号；
压力传感光纤解调模块，把压力监测光纤传来的光信号转换为电信号、然后转换为数字信号；
计算机，控制整个监测系统，分析监测数据，发布监测结果。
优选的所述压力传感光纤包括分布式压力传感光纤，和/或以一定间隔刻蚀在光纤上的光纤光栅式压力测量光纤，和/或用光纤连接的各种分立式压力传感器。
根据前述一种水下分布式光纤事件监测系统的精确定位算法，其特征在于，通过压力传感光纤对事件监测光缆上每一点的水压力值进行精确测量，计算得到事件监测光缆上各处的水深y。光缆上相邻两点间的水深差dy、两点间的光缆长度差dl以及两点间的水平距离差dx三者之间符合直角三角形边长间的勾股定理关系式(1)，因此，光缆上相邻2点间的水平距离dx可由式(2)求得，然后通过式(3)沿光缆进行积分，就可得到事件发生点到监测终端的水平距离X.
(dl)2＝(dx)2+(dy)2 (1)
Figure GDA0003820226750000021
Figure GDA0003820226750000022
本发明的工作原理如下：感知水深的压力传感光纤与事件监测光纤组合成一条复合监测光缆；其中，事件监测光纤负责感知事件(例如发生振动、温度变化等)引起的物理量变化；压力传感光纤负责感知复合监测光缆上每一点的水压；解调模块负责把由光纤传来的光信号转换为电信号，并进一步转化为数字信号，然后传送给计算机以作进一步分析；计算机负责控制整个监测系统，分析监测数据，发布监测结果。
当把事件监测光缆释放进水下对事件进行监测时，通常的监测方法只能确定事件发生位置到监测终端之间的光纤长度(L)，由于光纤在水下并非一条水平的直线，而是一条深度随处变化的曲线(S)，因此，这个距离(L)是曲线(S)的长度，并不等于事件发生点的水平坐标(X)，也即直接测量得到的是事件发生点到监测终端间激光沿光纤传播的光程，亦即光缆的长度。而工程上对事件的精确定位要求得到事件发生点到监测终端间的水平距离。当把压力传感光纤复合进事件监测光缆中后，当事件监测光缆在水下处于悬浮状态时，光缆呈曲线状而非一条水平的直线，因此，直接测量得到的光程是事件发生点到监测终端间曲线的长度(光缆长度)而非水平距离。通过压力传感光纤对事件监测光缆上各点的水压进行精确测量，可计算得到事件监测光缆上各点的水深(y)。光缆上相邻两点间的水深差(dy)与两点间的光缆长度差(dl)以及两点间的水平距离差(dx)之间符合直角三角形边长间的勾股定理关系，因此可根据式(2)求得光缆上相邻2点间的水平距离(dx)，然后通过式(3)沿光缆进行积分，就可以得到事件发生点到监测终端的水平坐标(距离)。
水资源是一个国家的重要战略资源。为确保工农业生产和城市居民生活用水，保障经济社会的可持续发展，我国已建设或在建和拟建众多大型跨流域引调水工程，而大型压力输水管道是这些设施的重要组成部分。另一方面，在城市生活供水上，自来水管网是把生活用水安全可靠地送入千家万户的重要基础设施，遍及我国的所有城镇和乡村。本发明相比现有技术作业简单、效率高、成本低，定位精确，必将为我国的输水系统的安全运行做出贡献。更进一步地，本发明也将为我国的国防安全做出贡献。
附图说明
图1为复合事件监测光缆的结构示意图；
图2为事件发生位置精确定位计算方法原理示意图。
图中各标号列式如下：
1-事件监测光纤，2-压力传感光纤，3-光缆外皮，4-事件监测光纤解调模块，5-压力传感光纤解调模块，6-计算机。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施方式和附图对本发明进行进一步的解释。
实施例
本实施例一种水下分布式光纤事件监测系统，如图1所示，包括：
复合监测光缆，把压力传感光纤2与多根事件监测光纤1封装进一条光缆外皮3内，所述事件监测光纤1根据需要负责包括振动、温度和/或应变等的监测事件发生，所述压力传感光纤2负责测量复合监测光缆上各点的水压力值；
事件监测光纤解调模块4，把事件监测光纤1传来的光信号转换为电信号、然后转换为数字信号；
压力传感光纤解调模块5，把压力监测光纤2传来的光信号转换为电信号、然后转换为数字信号；
计算机6，连接两个模块，控制整个监测系统，分析监测数据，发布监测结果。
本实施例的所述压力传感光纤2为分布式压力传感光纤，也可采用一定间隔刻蚀在光纤上的光纤光栅式压力测量光纤或用光纤连接的各种分立式压力传感器。
本实施例的精确定位算法为如图2所示：通过压力传感光纤2对事件监测光缆1上每一点的水压力进行精确测量，计算得到事件监测光缆1上各处的水深y，光缆上相邻两点间的水深差dy与两点间的光缆长度差(dl)以及两点间的水平距离差(dx)之间符合直角三角形边长间的勾股定理关系式(1)，根据式(2)求得光缆上相邻2点间的水平距离(dx)，然后通过式(3)沿光缆进行积分，得到事件发生点到监测终端的水平坐标距离，
(dl)2＝(dx)2+(dy)2 (1)
Figure GDA0003820226750000041
Figure GDA0003820226750000042

Claims (2)

1.一种水下分布式光纤事件监测系统的精确定位算法，其特征在于所述一种水下分布式光纤事件监测系统包括：
复合监测光缆，为将压力传感光纤与一根或多根事件监测光纤封装进一条光缆，所述事件监测光纤负责监测包括振动、温度和/或应变事件的发生，所述压力传感光纤负责测量复合监测光缆上各点的水压力值；
事件监测光纤解调模块，连接所述事件监测光纤并将其传来的光信号转换为电信号、然后转换为数字信号；
压力传感光纤解调模块，连接所述压力传感光纤并将其传来的光信号转换为电信号、然后转换为数字信号；
计算机，控制整个监测系统，分析监测数据，发布监测结果；
所述精确定位算法为通过所述压力传感光纤对事件监测光缆上每一点的水压力值进行测量，计算得到事件监测光缆上各处的水深y；所述复合监测光缆上相邻两点间的水深差dy、两点间的光缆长度差dl以及两点间的水平距离差dx三者之间符合直角三角形边长间的勾股定理关系式(1)，因此，相邻两点间的水平距离dx由式(2)求得，然后通过式(3)沿光缆进行积分，得到事件发生点到监测终端的水平距离X，
(dl)2＝(dx)2+(dy)2 (1)
Figure FDA0003820226740000011
Figure FDA0003820226740000012
2.根据权利要求1所述一种水下分布式光纤事件监测系统的精确定位算法，其特征在于，所述压力传感光纤包括分布式压力传感光纤，和/或以一定间隔刻蚀在光纤上的光纤光栅式压力测量光纤，和/或用光纤连接的分立式压力传感器。
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