CN2929440Y - 光纤安全预警偏振与相位联合控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种埋地管道、构筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤安全预警偏振与相位联合控制装置，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。它是偏振调制器[202]串联在连续单色激光器[101]和合分波器[203]之间，合分波器[203]由光纤接两套光电检测器[309]、[310]，两光电检测器[309]、[310]输出各接A/D[312]、A/D[313]，A/D[312]、A/D[313]输出各接光电信号处理电路[311]，一光电信号处理电路[311]输出接偏振控制器[201]，偏振控制器[201]输出接偏振调制器[202]及接串联在光纤[1]或[2]中的相位调制器[206]，另一光电信号处理电路[311]输出接相位控制器[205]，相位控制器[205]的输出接串联在光纤[2]或[1]中的相位调制器[206]。

Description

光纤安全预警偏振与相位联合控制装置

技术领域

本实用新型是一种埋地管道或构筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤安全预警偏振与相位联合控制装置，涉及涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。

背景技术

对于石油、天然气、成品油、煤浆以及水等物质来说，管道输送是一种安全、经济以及高效的运输方式，在全球运输行业中发挥着越来越重要的作用，尤其在石油、成品油和天然气这些具有易燃易爆和交易价值极高的能源物质运输中占有极为重要的位置，在我们国家，每年至少新建几千公里的管道，可以说，管道是能源运输的大动脉。管道输送的石油、成品油和天然气既有极高的交易价值也有易燃易爆这一特性，管道一旦泄漏，泄漏区域极易发生燃烧爆炸，不仅影响管道行业的安全生产，造成巨大的经济损失，而且也严重威胁着周边沿线人民群众的财产与生命安全。另外，管道泄露对周边生态环境造成的危害更是无法估量。

自从有了管道，也就有了来自外界的破坏。尤其是近些年来，油价上涨，在利益的驱动下，不法分子利欲熏心，在管道上打孔盗油、盗气；国家基础建设大量上马，管道沿线施工工地随处可见；此外，滑坡、泥石流等自然灾害频频发生，这些都时刻威胁着管道的生产安全，其中打孔盗油和非法施工成为威胁管道安全生产的首要因素。

据不完全统计，仅我国每年因外界破坏而造成的管道泄漏或爆炸上千余次，直接经济损失达几亿元，环境破坏和社会影响等间接损失更是无法估量。为防止外界对管道的破坏，管道运输行业每年投入了大量的人力物力，但是仍然无法有效地预防和阻止破坏。管道运输行业的安全生产形式非常严峻，寻找确保管道运输安全生产的手段和方法已迫在眉睫。

随着管道运输行业的发展，各种管道运输安全监测技术也在不断发展，目前已有的管道安全生产监测技术主要有两类。其一：管道泄漏事件发生后的监测技术，这种技术主要有“管内流体力学状态检测技术和分布式光纤温度和应力监测技术”。管内流体力学状态检测技术是实时采集管线中流体的流量、温度和压力等信号，进行管道泄漏检测和定位，这种技术受到管道内的流体特性、输送工艺以及测试仪器的性能等因素限制，对管道泄漏监测的灵敏度和定位精度较低，这类技术包括：压力梯度法、负压力波法、流量平衡法。分布式光纤温度和应力监测技术是利用光纤的非线性特性(拉曼效应和布里渊效应)实时采集管道泄漏的介质对光纤的温度影响和冲击应力来确定泄漏点的位置，这种技术受到光缆的结构和光缆与泄漏点的距离限制而影响监测效果。其二，管道破坏事件发生前的预防监测技术，也就是管道破坏预警技术，目前已有的该类技术主要是“声波技术监测”，该技术是利用声波沿管道传输原理，在每隔1公里左右安装一个有源传感器，拾取管道沿线的声音信号加以分析，确定事件性质，进而对破坏管道的事件提前发现，但是每一个传感器件必须配备一套供电装置和通信装置，不仅增加设备的投资和维护成本，且这些设施本身也容易遭到破坏，使装置不能正常运行。

针对现有的管道安全监测技术存在的问题，澳大利亚有专利提出基于马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，用光纤传感振动的技术方案。该发明对长距离的线目标或大面积的面目标的安全预警是一突破，但不足的是该发明之光路系统不稳定，存在因相位衰落和偏振衰落引起的信号消隐，很难有效工作。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种埋地管道或构筑物或重要设施与区域的安全保护预警稳定、可靠、准确的光纤安全预警偏振与相位联合控制装置。

针对现有的安全监测技术存在的问题，本实用新型提出了一种基于采用相位衰落控制和偏振衰落控制技术的双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，消除了因相位衰落和偏振衰落引起的信号消隐，形成了具有稳定相位和稳定偏振态的两路同步干涉激光调制信号在干涉仪上相对传输并在干涉仪双端拾取的光路结构。利用与管道同沟敷设、构筑物或重要设施与区域周围地下的光缆中的普通通信光纤作为干涉仪的干涉臂和传输光纤，进而形成连续分布式的土壤振动检测传感器，稳定、可靠地拾取被监测目标附近沿线土壤的振动信号。当然再接定位系统，根据两路激光信号的传输时间差值分析计算出被监测目标附近沿线的土壤振动事件的发生位置。再接信号识别系统就可确定引起土壤振动事件的性质和类别。这样，管道控制中心人员可以及时指挥、调度维护抢修人员快速及时准确地赶到事件发生地点，及时制止可能对管道安全造成危害的动土事件或场站设施的入侵事件，实现对管道沿线与场站设施的无缝实时监控，起到管道安全监控预警的作用，避免管道安全事故的发生。

本实用新型包括与管道同沟敷设或敷于构筑物周围地下的三根光纤1、2、3及与合分波器203、合分波器204组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪及激光器101，其特征如图1所示，是偏振调制器202串联在由光纤连接的激光器101和合分波器203之间，合分波器203后分别接三根光纤1、2、3至合分波器204，合分波器203、合分波器204与光纤1、光纤2组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪，同时合分波器203由两根光纤各接一光电检测器309、光电检测器310，该两光电检测器309、光电检测器310输出由电信号线各接A/D312、A/D313，A/D312、A/D313输出各接光电信号处理电路311，而一光电信号处理电路311的输出接偏振控制器201，并由偏振控制器201的输出接至偏振调制器202和串联在光纤1或2中的相位调制器206，另一信号处理分析电路311输出接相位控制器205，并由相位控制器205的输出接至串联在光纤2或1中的相位调制器206；相位控制器205与光电信号处理电路311、相位调制器206组成相位衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的相位差值稳定在系统所需要的相位值上；偏振控制器201、偏振调制器202与相位调制器206以及光电信号处理电路311组成偏振衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上。

本实用新型的电原理如图2所示，偏振调制器202串联在由光纤连接的激光器101和合分波器203之间，合分波器203由两根光纤接至一有两路输入输出的光电信号处理电路309-1的两光输入口，光电信号处理电路309-1的两电输出口各接偏振控制主机201-1和相位控制主机205-1的I/O口，偏振控制主机201-1输出口接偏振控制器201-2的输入口，偏振控制器201-2的输出口一路接偏振调制器202的输入口，另一路接相位调制器206的输入口，相位控制主机205-1的输出口接相位控制器205-2的输入口，相位控制器205-2的输出口接另一相位调制器206的输入口。在电原理图中，由一个光电信号处理电路309-1完成了两路光电检测器309、光电检测器310、A/D312、A/D313、光电信号处理电路311的功能，由偏振控制主机201-1和偏振控制器201-2完成偏振控制器201的功能，由相位控制主机205-1和相位控制器205-2完成相位控制器205的功能。

其中所述激光器101为连续单色激光器。

所述光电检测器309、光电检测器310、光电信号处理电路309-1、光电信号处理电路311、偏振控制器201、偏振控制主机201-1、偏振控制器201-2、偏振调制器202、相位控制器205、相位控制主机205-1、相位控制器205-2、相位调制器206均为市销产品。

图1中，1、2和3为三根光纤，其中光纤1、2为干涉光纤，光纤3为传输光纤，合分波器203、204与光纤1、2组成的马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪。连续单色激光器101发射的单色激光，由光纤传到合分波器203的单色激光被分为两路：其中一路激光由马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤合分波器203端入射，在合分波器204端合波而形成干涉光波，干涉光波再通过光纤3传回合分波器203，其中另一路激光通过光纤3传到合分波器204，由马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪合分波器204端入射，在合分波器203端合波而形成干涉光波。

干涉信号经光电检测器309和光电检测器310转换后，由光电信号处理电路311进行处理分析，通过信号处理和运算，并在一段时间上长度上对由外界干扰量而产生的相位取平均，根据计算出的相位平均值去控制相位调制器206产生补偿相位，抵消外界干扰的影响，使得干涉仪工作在一确定工作点上。

光电信号处理电路311在确保干涉仪相位被控制在一个确定的工作点上的同时，分析计算出干涉仪的偏振态变化量，去控制偏振控制器201发出一个频率为F的调制信号，通过偏振调制器202调制干涉仪，使得干涉仪产生一个频率为F的调制干涉波，光电检测器309和310检测出干涉仪两路输出光的偏振态，送给信号处理电路311计算出干涉仪的偏振态情况，偏振控制器201通过改变干涉仪输入光的偏振态，这样偏振控制器201、偏振调制器202和光电信号处理电路311形成偏振态闭环控制电路，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上；另外，在对干涉仪进行偏振态控制的时候，会造成干涉仪两端检测的两路干涉信号之间的相位差发生无规律变化，将影响光纤安全预警系统的定位精度，对此，本发明提出在干涉仪的任何一个干涉臂加上一个相位调制器206，光电信号处理电路311通过计算分析出两路信号的相位差的变化情况，调制修正干涉仪两路输出信号的相位差值，使得在调整偏振态的同时确保相位差值达到系统所需要的角度。

本实用新型采用的是双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪，干涉仪长度最长可达80公里左右，管道沿线的土壤振动信号造成干涉仪上被干涉的光波的相位变化而形成带有振动信息干涉信号，干涉型马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪的理论基础是两束光的干涉，当两束单色波振动方向相同时完全相干，而振动方向相互垂直时则完全不干涉，不难推测其它情况下，两束光应该为部分相干。干涉仪要发生干涉要求两束光的偏振态方向一致。从理论上讲，当光纤为理想的圆柱时，偏振态互为正交的两个模式独自传输、互不干扰，但实际上，制造的单模光纤不是对称的圆柱体，光纤安全预警系统采用的干涉仪是目前应用的最长的干涉仪，长达80公里左右，80公里左右的管道沿线的环境变化非常复杂，使得干涉仪上的光束在传输过程中的相位和偏振变化极为复杂，外界的压力、温度的变化等使光纤弯曲、变形，制造中的缺陷等都会致使正交的两个方向的光学传播常数出现差异，出现所谓的双折射现象，即两个偏振态传播中随机耦合，导致最后从光纤输出的光的偏振态随机化，无法保证两束光叠加时的干涉效果，最后输出的信号呈随机消隐状态，这种现象成为偏振衰落现象；在使得偏振态随机变化的同时也使得从光纤输出的干涉光的相位随机变化，最终导致系统的信噪比随机涨落，甚至信号完全消隐，这种现象成为相位衰落现象。

但是，光纤安全预警系统中采用的激光有源和无源光器件同时具有偏振与相位相关特性，在对干涉仪进行偏振控制的同时会造成相位变化，对相位控制的同时也会造成偏振态变化，因此，如何既保证干涉仪两束偏振光进行稳定干涉，又使相位衰落被控制在系统需要的状况下，二者的联合协调控制是光纤安全预警系统最关键的技术之一。

本实用新型的实现原理是：

本实用新型根据在光纤安全预警系统光纤干涉仪上传播的两束偏振光有任意的偏振态和随机的相位变化，光纤干涉仪输出光强信号经光电转换后可以写成：

$V=V_1+V_2+2\sqrt{V_1{V}_2}\cos ({\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\φ}}_0)+V_n---\left(1\right)$

(1)式可以写为

V＝V₀+V_gcos(φ_s+φ_n+φ₀)+V_n    (2)

其中，V是输出的电压信号，V_g是干涉仪的可视度，V_n是电路附加噪声，φ_s为由土壤振动声波引起的相差信号，即为要探测的土壤振动声波信号，φ₀为干涉仪的初始相位，是个常量，φ_n为表示各种干扰与噪声引起的位相差的低频漂移，其中，V_h和φ_n是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。

由于光纤的微弯、扭曲、环境温度的变化导致光纤输出偏振态随机变化，反映在可视度V_g在0～1之间随机变化，V_g为0时信号完全消隐，此现象被称为光纤干涉仪的偏振诱导信号衰落现象。

另外，为分析问题的方便，(2)式可以写成：

V＝A+V_gcos(φ_s+φ_n)    (3)

其中，A＝V₁+V₂+V_n， $V_g=2\sqrt{V_1{V}_2},$ φ₀并入φ_n。一般外界干扰信号φ_n低频大信号，φ_s为高频小信号，当信号有一微小变化量Δφ_s时：

AV≈V_gsinφ_n·Δφ_s    (4)

由于低频干扰φ_n随机变化，且幅度大，由(4)式不难得出系统输出的信噪比在变化，且当sinφ_n＝0时，信号完全消隐。干涉仪输出信号随外界环境的变化而出现的信号随机涨落现象，称为干涉仪的相位衰落现象。

单独对干涉仪进行偏振态控制的时，会造成干涉仪的相位发生变化。单独对干涉仪进行相位控制的时，会造成干涉仪的偏振态发生变化。另外控制干涉仪的相位或者偏振态时，会使得干涉仪两端检测的两路干涉信号之间的相位差发生无规律变化，将影响光纤安全预警系统的定位精度。

针对这些现象，本实用新型提出了在对光纤安全预警系统干涉仪进行主动相位补偿的同时，实时监测干涉仪的偏振态和干涉仪两端检测的两路干涉信号之间的相位差变化情况，根据变化量同时进行补偿和调整，使得干涉仪的相位、偏振态和两路信号的相位差达到装置需要的最佳值。

光纤干涉仪输出的信号经光电转换后由A/D采集卡进行量化，可以写成：V＝A+V_gcos(φ_s+φ_n)    (3)

一般信号φ_s为高频，外界干扰φ_n为低频，对(3)式在一定时间长度上取平均，可以得到该时间段外界干扰量φ_n的平均值

在干涉仪一臂中加入相位调制器，然后在相位调制器上加一反馈控制电压V_F，产生控制相差φ_压，抵消外界干扰的影响，使得干涉仪工作在一确定工作点上，如下式：

当φ_n变化时，φ_压也随之变化。我们对它进行调整，通过这样不断循环，水听器的工作点能够被稳定在π/2附近，我们可以获得可靠、稳定的信号输出。这样就使系统工作点恒稳定在最灵敏的点上，克服光纤安全预警系统的相位衰落。

附图说明

图1光纤安全预警偏振与相位联合控制装置原理框图

图2光纤安全预警偏振与相位联合控制装置电原理图

其中  101-激光器        201-偏振控制器

      202-偏振调制器    203-合分波器

      204-合分波器      205-相位控制器

      206-相位调制器    309-光电检测器

      310-光电检测器    311-光电信号处理电路

312-A/D                 313-A/D

具体实施方式

实施例.以本例来说明本实用新型的具体实施方式并对本实用新型作进一步的说明。本例是一实验样机，其构成如图1、图2所示。图中粗连接线为光纤，细连接线为电线。具体构成为：偏振调制器202串联在由光纤连接的激光器101和合分波器203之间，合分波器203由两根光纤接至一有两路输入输出的光电信号处理电路309-1的两光输入口，光电信号处理电路309-1的两电输出口各接偏振控制主机201-1和相位控制主机205-1的I/O口，偏振控制主机201-1输出口接偏振控制器201-2的输入口，偏振控制器201-2的输出口一路接偏振调制器202的输入口，另一路接至串联在光纤1或2中的相位调制器206的输入口，相位控制主机205-1的输出口接相位控制器205-2的输入口，相位控制器205-2的输出口接至串联在光纤2或1中的另一相位调制器206的输入口。在电原理图中，由一个有两路输入输出的光电信号处理电路309-1完成了两路光电检测器309、光电检测器310、A/D312、A/D313、光电信号处理电路311的功能，由偏振控制主机201-1和偏振控制器201-2完成偏振控制器201的功能，由相位控制主机205-1和相位控制器205-2完成相位控制器205的功能。

其中单频激光器型号：KOHERAS ADJUSTIK HP E15；合分波器203和合分波器204型号：郎光公司的WDM-A-2×2-1550-1-FC/UPC-3*54；偏振控制主机201-1型号：NI PXI-1042 8-Slot 3U CPU：PXI-8186 P4 2.2 I/O：NI PXI-5112，2 channel，100MHz，32 MB/Channel，8-bit；PXI-6111 A/D 2channel 12bit，D/A 2channel12bit；相位控制主机205-1型号：NI PXI-1050，PXI/SCXI CPU：PXI-8187 P4M 2.5GPXI-6120 A/D 4 channel 16bit，D/A2 channel 16-bi；偏振控制器201-2及偏振调制器202型号：OZ OPTICS EPC-400 EPC DRIVER-04-RS232；相位控制器205-2及相位调制器206：OZ OPTICS FICE PZ-STD-FC/PC；光电信号处理电路309-1：通用两路对称光电转换放大电路，光输入范围：-20～-45dBm，输出范围：-3V～+3V。

这里的光电信号处理电路309-1为光电转换输出电路，A/D312、光电信号处理电路311、偏振控制器201由图2中偏振控制主机201-1实现，偏振控制主机201-1集成了A/D312转换电路；A/D313、光电信号处理电路311、相位控制器205由相位控制主机205-1实现。

连续单色激光器101发射的单色激光，通过光纤传到马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪，该光纤干涉仪作为连续分布式振动传感器拾取管道沿线土壤的振动信号，经过光纤传到光电信号处理电路309-1。相位控制主机205-1、相位控制器205-2与光电信号处理电路309-1、相位调制器206组成相位衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的相位差值稳定在系统所需要的相位值上。偏振控制主机201-1、偏振控制器201-2与光电信号处理电路309-1、相位调制器206组成偏振衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上。

本装置配定位系统和信号识别系统后经某管线实际使用、测试，对地面动土开挖、触动管道、在管道上焊接、打孔均能测知、定位精度高、事件性质判断准确，并无漏检。

本装置对土壤振动信号的检测具有很高的灵敏度，可以有效检测光缆附近3米以内的任何土壤振动信号；事件检测定位精度高，定位精度可达±10米，完全满足管道维护抢修要求。单套系统的监测距离可达120公里左右，借助于通信系统，多台设备连接在一起可以组成一个完整的无缝监测网络，因此本实用新型的监测距离可以根据需要而定。

本装置不但适用于管道安全防范与预警系统，也适用于其它重要设施和重要区域的安全防范与预警，比如：通信光缆、交通设施、文物保护区、军械库、重点机关和重要工业厂区等重要设施与区域的安全保护与防范预警系统。

由上可见，本实用新型可以有效检测光缆附近3米以内的任何土壤振动信号并准确判断事件性质；事件检测定位精度高，监测距离长，单套系统的监测距离可达120公里左右；且光路系统稳定、可靠、无漏检；从根本上解决了埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域免受破坏的安全预警难题。

Claims (3)

1.一种埋地管道或构筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤安全预警偏振与相位联合控制装置，包括与管道同沟敷设或敷于构筑物周围地下的两根光纤[1]、[2]及与合分波器[203]、合分波器[204]与组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪及激光器[101]，其特征是偏振调制器[202]串联在由光纤连接的激光器[101]和合分波器[203]之间，合分波器[203]后分别接三根光纤[1]、[2]、[3]至合分波器[204]，合分波器[203]、合分波器[204]与光纤[1]、光纤[2]组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪，合分波器[203]再由光纤接两套光电检测器[309]和光电检测器[310]，该两光电检测器[309]和光电检测器[310]输出由电信号线各接A/D[312]、A/D[313]，A/D[312]、A/D[313]输出各接光电信号处理电路[311]，一光电信号处理电路[311]的输出接偏振控制器[201]，并由偏振控制器[201]的输出接偏振调制器[202]及由光纤接至串联在光纤[1]或[2]中的相位调制器[206]，另一光电信号处理电路[311]输出接相位控制器[205]，并由相位控制器[205]的输出接至串联在光纤[2]或[1]中的相位调制器[206]；相位控制器[205]与光电信号处理电路[311]、相位调制器[206]组成相位衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的相位差值稳定在系统所需要的相位值上；偏振控制器[201]、偏振调制器[202]与相位调制器[206]以及光电信号处理电路[311]组成偏振衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪上传播而形成干涉的两路干涉光波的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上。

2.根据权利要求1所述的光纤安全预警偏振与相位联合控制装置，其特征是合分波器[203]由两根光纤接至一两路输入输出的光电信号处理电路[309]的两光输入口，光电信号处理电路[309]的两电输出口各接偏振控制器[201]中的偏振控制主机[201-1]和相位控制器[205]中的相位控制主机[205-1]的I/O口，偏振控制主机[201-1]输出口接偏振控制器[201-2]的输入口，偏振控制器[201-2]的输出口一路接偏振调制器[202]的输入口，另一路接串联在光纤[1]或[2]中的相位调制器[206]的输入口，相位控制主机[205-1]的输出口接相位控制器[205-2]的输入口，相位控制器[205-2]的输出口接另一串联在光纤[2]或[1]中的相位调制器[206]的输入口。

3.根据权利要求1或2所述的光纤安全预警偏振与相位联合控制装置，其特征是所述激光器[101]为连续单色激光器。

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