CN1635339A - 全光纤定位监测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的光纤定位监测方法及利用该方法实现的光纤定位监测系统。系统的特点是利用单根光纤作为大范围分布传感光纤，根据干涉信号的相位反演得到扰动源的物理特性，根据干涉信号的频谱分析确定扰动源的具体位置。利用在传感光纤末端加反射镜(包括法拉第旋转镜)的方法，提高了系统的灵敏度并抑制了因为偏振态变化问题造成的系统工作状态不稳定等缺点。由于系统利用了白光干涉原理，消除了由于温度影响造成的工作点漂移等问题，大大提高了系统的工程应用环境，可以用于复杂、恶劣的环境中的管线安全监测。本发不仅可应用于通信干线、电网、油气管道等的定位安全监测中，也可以实现声纳探测、音频传输和应变、压力、振动的测试等光纤传感领域。

Description

全光纤定位监测方法及其系统

技术领域

本发明是一种新的光纤定位监测方法及依据该方法构造的全光纤定位监测系统。

背景技术

维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。对通信光缆(包括海底光缆)、高压电网、输油管道、输气管道等基础设施进行安全监测，不仅是这些设施实现技术性功能的保障，更是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。特别是随着基础设施建设的快速发展，呈现出地域分布广、复杂程度高、重要性进一步提高的新特点，这就使得基础设施受到危害的范围、频率也随之增加，安全监测的难度、重要性也相应增加。依靠通常布点的方式进行监测的技术已经显得无能为力，迫切需要一种实时性强、能够适应复杂环境条件的分布式监测系统。

当前，我国对于油气管道、电网、通信网等基础设施的监测主要是依据设施自身的一些生产参数(如压力突降、中间站油罐液位的不正常变化)和人工沿巡视、路人的报告等手段。这些手段技术含量低，普遍存在效率低、实时性差、反应时间长、抗干扰能力差等缺陷，常常是监测设施遭受破坏后才能报警，实用性受自然和人双重因素的制约。这种“亡羊补牢式”的事后检测技术，只能减少而不能避免损失。实践证明这种落后的监测方法在不同领域已经给国民经济造成了重大损失。据统计，仅2002年我国由于犯罪分子打孔盗油而损失的原油就达13亿吨，直接经济损失数亿元，由此带来的环境污染、商业信用等损失更是难以估量。

为了维护干线的完整性，防止第三方破坏，直接负责管道、电网、通信网等运营部门已经投入了巨大的人力和财力，但是保护干线的安全形势却显得日趋急迫。各级政府和社会各界也非常关注，从专项立法到具体防范、舆论宣传、专项治理等方面都做了大量的工作。国务院曾召开电视电话会议，部署开展输油管道生产治安秩序专项行动，公安部也加大了打击盗油犯罪的力度，并收到了一定的成效。然而专门针对油气管道和电力、通信设施的破坏、对输送介质的偷盗行为依然经常发生。造成这种状况的一个重要原因就是监测方法和监测技术落后。

如果有一种技术能够对这些事件进行“未雨绸缪式”有效监测，并在它们对管道造成实质性破坏前，提前预警，给管道维护者留出足够时间来制止破坏或强化防范的话，就会彻底扭转运营部门当前这种被动堵漏的不利局面，从根本上避免损失。

对长干线的监测，特别是受电磁干扰的影响，不可能实施依靠电的方式进行传感监测。因此，光纤技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。光纤传感技术的开发和应用给管道安全防范带来了新的希望，它能够对威胁管道安全的各种行为进行早期监测、定位和预警。

但大多数光纤传感系统基于点传感器，这样覆盖大区域或长距离就需要布设大量传感器，导致系统成本和复杂性升高，使应用受限，甚至无法实施。

相比之下，分布式光纤传感技术由于传感器布设数量较少，系统相对简单，因此具有更好的应用前景。但目前国际上已开发并商品化的分布式技术较少，且其中多数采用的是温度传感器，而能够准确定位的更是少数。同时，受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求(大多数基于时域反射计，即OTDR技术)，多数技术只能进行表态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。而对于管道安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态和动态的监测信息及其发生位置，特别是OTDR技术无法检测的瞬间事件。而国内光纤传感应用目前还停留在光栅光纤传感技术阶段。虽然在不少应用领域也取得了很好的效果，但由于光栅光纤传感技术自身的局限性，其在管道运输领域的应用受到严重制约。

发明内容

本发明的目的是获得一种具有从根本上解决干线安全预警、事故定位监测功能的全光纤定位监测方法及其系统。

本发明是利用全光纤白光干涉理论，根据扰动点在全光纤干涉系统中位置的不同，出现的干涉信号频谱缺损位置不同这一特点，实现对扰动点定位功能。利用这一方法，构造了新型结构的光纤干涉定位监测系统。该方法的主要优点是：能够利用单根光纤进行定位监测，从原理上来说没有监测范围限制。

本发明提出的一种全光纤定位监测方法，其构造光路使得光纤中传导的光波不同时刻往返通过扰动点(非法入侵时引起的振动)，假设在时刻t，单一角频率ω扰动信号引起的传输光波相位变化为(t)，则：

(t)＝sin(ωt)                                                (1)

在时刻t+τ，单一角频率ω扰动信号引起的传输光波相位变化为：

(t+τ)＝sin[ω(t+τ)]                                        (2)

扰动点(6)离光纤反射端面(7)的距离设为L，光往返传输两次的时间为T，则：

T＝2n_effL/c                                                    (3)

上式中，n_eff是光纤纤芯等效折射率，c是真空中的光速。由于监测光纤的扰动使干涉系统中形成的相位差Δ为：

$=2\sin \mathrm{\ω}(t+\mathrm{\τ}+\frac{T}{2})\·\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}-2\sin \mathrm{\ω}(t+\frac{T}{2})\·\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}$ (4)在3×3

$=4\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}\sin \frac{\mathrm{\ω\τ}}{2}\cos \mathrm{\ω}(t+\frac{\mathrm{\τ}+T}{2})$

光纤耦合器的输出端口可以得到随时间变化的输出功率为：

P(t)＝A{1+cos[Ψ+Δ]}                                        (5)

其中A为与输入光功率大小有关的一个常数，Ψ为整个系统的初始相位，可以视为常数；因此，输出的交流分量只与干涉系统中的相位差Δ有关。由(4)式可知：当 $\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}\sin \frac{\mathrm{\ω\τ}}{2}\≠0$ 时，Δ随时间快速变化，此时光电探测器探测到的输出干涉信号是一个振幅缓慢震荡的变量；当 $\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}\sin \frac{\mathrm{\ω\τ}}{2}=0$ 时，输出的交流量为零，即P(t)不随时间变化，是个常量。

当 $\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}=0$ 时， $\frac{\mathrm{\ωT}}{2}=\mathrm{k\π}-\frac{\mathrm{\π}}{2},$ 其中k为自然数；将(3)式代入，记特征频率为f_null(k)，则：

$f_{\mathrm{null}}\left(k\right)=\frac{2k-1}{2T}=\frac{2k-1}{2}\·\frac{c}{{2n}_{\mathrm{eff}}L}---\left(6\right)$

与特征频率f_null(k)所对应的光纤长度L为：

$L=\frac{(2k-1)\·c}{{4n}_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}\left(k\right)}---\left(7\right)$

同理，当 $\sin \frac{\mathrm{\ω\τ}}{2}=0$ 时， $f^{\′}\left(k\right)=\frac{k-1}{\mathrm{\τ}},$ 其中k为自然数，τ为延迟时间。

由于τ可以取得很小，与其对应的第一个特征频率f′_k＝1就非常大，即在频谱上，相应的频谱缺损位置偏离零点很远，这样选取适当的τ和k取值就可避免f′(k)对f_null(k)的干扰。由数据处理终端得到的缺损频谱值f_null(k)，依据(7)式即可得到L值，从而判定出扰动点的位置；谱分析准确度决定了定位精度。

在光纤端面的反馈装置(7)不仅可以实现传输的光正反方向两次通过扰动点(6)，在相同外界信号激励的环境下使得相位灵敏度提高一倍，而且能够有效的避免扰动点处的光纤(相当于一个相位调制器)偏振态随机变化对干涉系统的影响；同时，能够实现相位调制信息的单根光纤提取。光波通过长度为l的光纤一次时，产生的相位延迟为

Ф＝βl                                                    (8)

式中β为光波在光纤中的传播常数，β＝nk₀其中n为光波在光纤中传播的有效折射率，k₀为光波在真空中的波数。

当长度为l的光纤作为传感元(相当于扰动点处的一段光纤)受到外界信号调制时，产生光波相位的变化Δ为

Δ＝ΔФ＝Δ(βl)＝βΔl+lΔβ                           (9)

进一步整理化为

外界信号引起光波的相位差可以用上式描述，主要包括两项，第一项为光纤的长度发生相对变化时引起的相位差，一般由应变效应引起；第二项为光波传播常数的相对变化引起的相位差，主要由电光效应、弹光效应、泊松效应以及热光效应等引起。同时相位差Δ与光纤引起的相位延迟Ф成正比关系。在外界激励信号一定的情况下，即 $\frac{\mathrm{\Δl}}{l}+\frac{\mathrm{\Δ\β}}{\mathrm{\β}}$ 一定，为了等到更高的相位灵敏度，显然可以通过增加传感光纤长度l的方法实现，一般实现途径是增加实际的光纤长度，而本发明采用光波在光纤中两次通过的方法，在没有增加光纤物理长度情况下，实际相位延迟为2Ф效果，显然采用此方法得到的相位差为

可见在相同的外界信号激励下，采用光波在传感光纤中通过两次的技术方案，得到相位差的倍增效果，即实现了相位灵敏度提高一倍。所以此类相位调制方法除了应用于光纤定位监测系统之外，还可以广泛应用于光纤传感、光纤通信领域。光纤传感器中的应用主要表现为可以用来探测声波、应变、温度、振动、语音等等能够引起式(10)中相位差的物理量。

实现上述方法的反馈装置由两种选择，其一为采用在传感光纤端面镀反射膜的方式，使得光纤中的光到达端面后被重新耦合到光纤中，此时的反射膜可以作为平面镜处理；其二在光纤端面采用法拉第旋转平面镜，使得光被反射的同时，光的偏振面旋转90°，然后再耦合到传感光纤中实现了双倍调制。在光纤干涉系统中都会遇到偏振态的随机扰动问题，严重时，会造成干涉条纹消失。采用上述反馈装置，能够有效克服外界扰动作用在传感光纤上时发生的偏振态变化造成的干涉条纹消失。针对上面两种光反馈方法，下面进行具体分析。

以单模光纤为例，由于光纤生产和使用的不完善性，使光纤的传播特性表现为各项异性。主要表现为线双折射和圆双折射(椭圆双折射为两者叠加的情况)。上述光纤对光波的偏振态的影响可以用琼斯矩阵来描述。

$J=\left[\begin{array}{cc}{J}_{\mathrm{XX}}& -J_{\mathrm{YX}}^{*}\\ J_{\mathrm{YX}}& J_{\mathrm{XX}}^{*}\end{array}\right]---\left(12\right)$

由于外界干扰诸如温度变化、振动等引起的双折射一般都具有互易性，设光纤中传导光波从沿着单一方向位置1到位置2，描述偏振态变化的传输矩阵是J₁₂，同样沿相反方向从位置2到位置1描述偏振态变化的传输矩阵是J₂₁，如果外界干扰引起的双折射表现互易性质，那么两个琼斯矩阵的关系为 $J_{21}=J_{12}^T,$ 上标T代表矩阵的转置，以下计算均假定为互易性双折射。

所以当使用光纤端面镀膜形成反射面或平面镜时，我们假定完全反射，当存在线双折射时，此反馈光路的传输矩阵J_FL为

$J_{\mathrm{FL}}=M_l^T{M}_M{M}_l=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j{\mathrm{\δ}}_l}& 0\\ 0& e^{j{\mathrm{\δ}}_l}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j{\mathrm{\δ}}_l}& 0\\ 0& e^{j{\mathrm{\δ}}_l}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j2{\mathrm{\δ}}_l}& 0\\ 0& e^{j2{\mathrm{\δ}}_l}\end{array}\right]---\left(13\right)$

可见，此时线双折射没有被抵消，而是出现了倍增。

当存在圆双折射时

$J_{\mathrm{FC}}=M_c^T{M}_M{M}_c=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(14\right)$

此时具有互易性圆双折射被完全抵消。

当光波反馈装置采用法拉第旋转反射镜，将偏振面旋转90°，此时采用矩阵J表示琼斯矩阵，则反馈光路的传输矩阵为

$J_F=J^T{M}_{F}J=\left[\begin{array}{cc}{J}_{\mathrm{XX}}& J_{\mathrm{YX}}\\ -J_{\mathrm{YX}}^{*}& J_{\mathrm{XX}}^{*}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{J}_{\mathrm{XX}}& -J_{\mathrm{YX}}^{*}\\ J_{\mathrm{YX}}& J_{\mathrm{XX}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -1& 0\end{array}\right]---\left(15\right)$

可见此时双折射被完全抵消。

当采用镀膜等不改变偏振面的反射形式的光反馈方法连接在传感光纤末端时，不仅光纤相位灵敏度可以提高一倍，而且能够有效的抵消圆双折射对光路的影响，而且结构简单，方便实现；当采用法拉第旋转反射镜作为光反馈装置时，能够完全消除传感光纤中任何互易性的双折射，系统抗干扰能力增强。结构与前者相比稍显复杂。

利用该方法构造的全光纤定位监测系统可广泛应用于通信干线、电力传输线、天然气管道和石油管道的安全监测领域；也能应用于大型建筑物例如水坝、隧道、矿井等的安全监测。

全光纤定位监测系统采用两只光纤耦合器和一卷光纤延迟线，构造白光干涉光路，如图1所示。定位监测系统的光路特征是：光源(1)之后是耦合器(4)，经过分光，耦合器端口(8)的分光经过延时器(11)，之后是耦合器(5)，到达光纤非正常扰动点(非法侵入点)(6)，并被监测光纤端面反馈装置(7)反射，反射光通过耦合器(5)回到耦合器(4)的端口(9)；耦合器端口(9)的分光经过耦合器(5)到达扰动点(6)，并经过反射面(7)反射，反射光经过延时器(11)回到耦合器(4)端口(8)。两光束在3×3光纤耦合器(4)中形成携带有被测物理量特征的光信号分别由(14)、(12)端口输出，该信号相应被探测器(2)、(3)接收后传送到数据处理终端(13)。数据处理终端(13)通过对干涉信号进行频谱分析计算，最终获得扰动源的具体位置和扰动信号的大小。

图1中采用的光反馈装置，可以是在光纤端面镀膜等形成的反射镜，也可以是法拉第旋转反射镜，二者物理特性的主要差别时，镀膜形成的反射面在反射过程中，没有光波偏振面的变化，而后者反射的同时，实现了偏振面旋转90度。当采用镀膜等不改变偏振面的反射形式的光反馈方法连接在光纤相位调制器末端时，能够有效的抵消圆双折射对光路的影响，虽然线双折射出现倍增，但一般情况下，对干涉影响很小，而且其结构十分简单，方便实现；当采用法拉第旋转反射镜作为光反馈装置时，能够完全消除监测光纤中任何互易性的双折射，系统抗干扰能力增强。结构与采用反射镜面相比稍显复杂。

本发明系统的光纤耦合器是锥型光纤耦合器。耦合器的光功率是均分的，即3×3光纤耦合器光功率分光比是1∶1∶1，2×2光纤耦合器光功率分光比是1∶1。

全光纤定位监测方法构造的系统中，光纤耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源与干涉系统的连接方式FC/PC跳线连接，干涉系统与探测器的连接方式也是FC/PC跳线连接。

稳定光源可以是下述中的任一种：工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管(LD)；半导体发光二极管(LED)激光器；超辐射发光二极管(SLD)激光器等。

本发明光源也可以是波长850μm的气体激光器。

本发明单模光纤、多模光纤均适用于本发明系统。

本发明中，耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线连接。

本发明的突出特点是利用全光纤干涉光路和新的方法，提出了一种应用范围广泛的长干线安全监测方法，与传统的监测方法相比，该方法构造的系统结构简单，工作状态不受温度影响，监测范围大，定位精度高。系统能够有效的避免相位调制器偏振态随机变化对干涉系统的影响；同时，也能够实现监测信息的单根光纤提取。当采用镀膜等不改变偏振面的反射形式的光反馈方法连接在光纤相位调制器末端时，而且能够有效的抵消圆双折射对光路的影响；当采用法拉第旋转反射镜作为光反馈装置时，能够完全消除相位调制器中任何互易性的双折射，系统抗干扰能力强。该测试方法与传统定位方法相比，具有更加广泛的应用前途，特别是在提取的干涉信号不是十分稳定的情况下，获取的数据也能完成最终的测试定位功能。而且采用光反馈装置，系统能够消除光路中引起的双折射，尤其是圆双折射现象，所以系统可以用于复杂、恶劣的环境中。该系统将广泛应用在光纤传感、光纤通信领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明实施例测试结果图。

1是光源，2、3是光电探测器，4是3×3光纤耦合器，5是2×2光纤耦合器，6是传感光纤，7是光反馈装置(采用端面镀膜)，8、9、12、14是3×3光纤耦合器的四个端口，12、15是2×2光纤耦合器的两个端口，11是光纤延迟线，13是信号处理装置。

具体实施方式

实施例1，在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源(1)。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器(2)(3)为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国“康宁”生产的G652型单模光纤。跳线为武汉邮电研究院生产的FC/PC型单模光纤跳线。光反馈装置(7)为光纤末端蒸镀铝膜，反射率大于95％。

实施例中，扰动源在传感光纤中的位置离光纤反射端的距离L为8158米，实施例中的频谱缺损情况如图2所示，第一个缺损频谱位置相应于L＝8160米，第二个缺损频谱位置相应于L＝8164米，平均为L＝8162米，平均不确定度为0.05％。

Claims (10)

1.一种全光纤监测定位方法，运用全光纤干涉系统中扰动点位置的不同，出现的干涉信号频谱缺损位置不同，实现对扰动点定位，其特征是通过光纤在光路中传导的光波不同时刻往返通过扰动点的频率与所对应的光纤长度进行定位监测，特征频率f_null(k)所对应的光纤长度L为：

$L=\frac{(2k-l)\·c}{{4n}_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}\left(k\right)}$

其中L为光纤长度，k为自然数，c为真空中光速，n_eff是光纤纤芯等效折射率。

2、根据权利要求1所述方法的光纤定位监测系统，其特征是：光源(1)之后是耦合器(4)，光被耦合器分光后，耦合器端口(8)的分光经过延时器(11)，之后是耦合器(5)，到达传感光纤(6)，并被传感光纤末端的反射面(7)反射，反馈光通过耦合器(5)回到耦合器(4)的端口(9)；耦合器端口(9)的分光经过耦合器(5)到达传感光纤(6)，并经过反射面(7)反射，反馈光经过延时器(11)回到耦合器(4)端口(8)；两光束在3×3光纤耦合器(4)中形成携带有扰动源物理特征的干涉光信号，该信号被探测器(2)、(3)接收。干涉信号通过信号处理装置(13)数据处理后，获得扰动源的物理特性和扰动源位置。

3、根据权利要求2所述的系统，其特征是单根光纤实现扰动信号的提取功能。

4、根据权利要求2所述的系统，其特征是光反馈装置是平面镜，或者是法拉第旋转反射镜。

5、根据权利要求2所述的系统，其特征是耦合器是锥形耦合器，耦合器的光功率是均分的。

6、根据权利要求5所述的系统，其特征是耦合器是3×3光纤耦合器或2×2光纤耦合器。

7、根据权利要求2所述的系统，其特征是所用光源工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或者超辐射发光二极管激光器。

8、根据权利要求7所述的系统，其特征是所用光源是850μm的气体激光器。

9、根据权利要求2所述的系统，其特征是所用光纤或光纤延迟线是单模光纤，或者是多模光纤。

10、据权利要求2所述的系统，其特征是耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线连接。

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