专利名称：一种利用通信光缆监测地质状况的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用通信光缆监测光缆铺设地区地质状况的方法，属于光电监控、地质监测领域。
背景技术：
千百年来，难以预期的地震、火山、泥石流和滑坡等地质灾害造成不可计数的人员伤亡和财产损失。如果有一种系统，能简单、经济地遍布在天南地北各种需要警戒的地域，具有迅速“把握”准地壳运动“脉搏”的感应功能，并能及时地将威胁性大灾信息传输到各个可能受威胁的城镇，抢在山崩地裂几十秒前发出警报，或许灾区的人们就有时间逃往避难所，燃气和电力公司就能采取应急保护措施，疾速行驶的列车也能立即刹车、保全旅客生命。
就地震而言，目前世界上已开发出的地震预警系统所用的技术都是基于地震波的横波和纵波的时间差。地震波分为横波和纵波，其中横波是造成灾害的主要原因，但在地壳中传播速度较慢，约4km/s；纵波传播方向与地震振动方向一致，在地壳中传播较快，约7km/s，当它到达地面时物体会上下颠簸。所以可以在破坏力大的横波到来前几秒至几十秒推测出震源、震级和烈度，并通过数据传输介质传递到可能受到影响的地区，让这些地区的重要设施及人群密集区提前十几秒能够做出应急措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用目前广泛使用的通信光缆，可对光缆铺设区域地质状况进行实时监控的方法，通过光缆所受的振动信息来判定地质灾害的种类，并利用地震波传输速度与光波传输速度的差异来实现地震地质灾害预警功能。
本发明的技术内容是一种利用通信光缆监测地质状况的方法，它通过通信光缆的振动信息来判定该光缆铺设地区的地质状况，其步骤如下 a.在监测地区铺设一条通信光缆，作为监测信号通道；可利用已经铺设好、有1信道预留的老线路，也可采用新设计的光缆线路； b.在所述通信光缆的一端设置光反馈装置，其功能是调整光路偏振态，反射入射光信号，使光缆振动信息提取装置能完成对同一振动信号两次不同时刻的提取； c.在所述通信光缆的另一端设置光缆振动信息提取装置，其功能是产生检测激光信号，经过耦合器分光，形成两路光信号，分别通过所述通信光缆的同一信道，再经光反馈装置反射回馈，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，得到两路干涉信号； d.设置光缆振动信息处理平台，其功能是将两路干涉信号还原为外界振动信号，并对振动信号进行分析，判定是地震还是局部环境扰动，并发布地质状况报告。
所述光缆振动信息处理平台监测分析地质状况的算法如下 a.定时读取两路干涉信号，并将该信号还原为外界振动信号； b.判定外界振动信号是否存在异常振动，若无异常振动，则返回继续读取下一时段两路干涉信号； c.若存在异常振动，则对振动信号进行频谱分析； d.判定振动信号的频谱是否存在缺损点，若无频谱缺损点，则判定为地震扰动，并发布地质状况报告； e.若存在频谱缺损点，则对各阶频谱缺损点的谷深信息进行测量； f.判定频谱缺损点是否明显，若明显，则判定为单点扰动，并发布地质状况报告，可通过各阶频谱缺损点的谷深是否有超过设定的谷深域值且这些频率缺损点是否呈奇次倍频关系来判定频谱缺损点是否明显； g.若频谱缺损点不明显，则判定为多点扰动，并发布地质状况报告。
本发明利用了近20年来迅速发展的光纤通讯网络，构建传感、传输合一的地质状况监控信息网，已经铺设的光缆就是地质状况监测传感器，大幅度拓展了监测区域范围；同时，在现有的通讯网络上，无需增加任何专用传感器件，不影响通讯功能。且具有以下特点 1、监测范围广、投资小、利用率高。
2、报警信息传输速度极高，事实上，采用光缆网络构建的地质状况监测系统，其信息传递时间为光速，而具有危害性的地震横波传播速度仅为4km/s。这样巨大的速度差，能为更多生命财产的保全争取宝贵的时间。
3、监测区域与保护对象有着相关的密切联系。网络布设必然是有人活动的地域，布设密度也与人口密度大致成比例关系。换言之，越是需要保护的高危区域，这种传感网络密度越高，灵敏度、可靠性也越高。
4、突出的全系统抗毁损性。光纤光缆通讯网络分布稠密，并广泛应用现代可靠的环网路由技术，确保即便有个别区域在强震和强灾时发生断裂、破坏，也依然能经由网络将报警信息有效传递出来。
5、进一步开发出系统衍生功能，还可利用该系统实现对现有光缆网络安全性的实时监控，对各种威胁网络输运介质安全的盗窃、窃听、破坏活动进行预警。
因此，利用本发明所述的利用通信光缆监测光缆铺设地区地质状况的方法所构造的系统可提前数十秒甚至更多时间将威胁性强震信息传输到各个可能受威胁的城镇，尽可能减少强震带来的损失；该系统还可以提前将泥石流和山洪等信息传递给可能受灾的人们，以免遭灭顶之灾；该系统还可用于监控光缆铺设区域的山体滑坡及人为破坏等事件。
图1为本发明的监测分析流程图； 图2为地震波对光缆的扰动示意图； 图3为光缆感受人为扰动示意图； 图4为山体滑坡对光缆的扰动示意图； 图5为光缆感受大范围扰动的频谱波形图； 图6为光缆感受单点扰动的频谱波形图； 图7为光缆感受小范围扰动的频谱波形图。
具体实施例方式 按照本发明方法所构建的地质状况监测系统由四部分构成，第一部分为铺设的通信光缆，第二部分为光反馈装置，连接所铺设的通信光缆的一端；第三部分为光缆振动信息提取装置，连接所铺设通信光缆的另一端；第四部分为光缆振动信息处理平台，连接振动信息提取装置。
通信光缆占用通信线路中1个信道。可应用于铺设好、有1信道预留的老线路，也可应用于新设计线路中。系统监控范围可达100公里以上。
光反馈装置的功能是反射入射光信号，调整光路偏振态，使光缆振动信息提取装置能完成对同一振动信号两次不同时刻的提取。
光反馈装置的特点是不仅可以实现传输的光正反方向两次通过扰动点，在相同外界信号激励的环境下使得相位灵敏度提高一倍，而且能够有效地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 Φ＝βl (1) 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
为
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
与光纤引起的相位延迟Φ成正比关系。在外界激励信号一定的情况下，即
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2Φ效果，显然采用此方面我们等到的相位差为
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。
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。
光缆振动信息提取装置的功能是将作用于铺设光缆上的各种振动信息提取出来。任何一次地震都表现为对环境的振动，根据光纤的“弹光”效应，任何振动都会引起光缆内传输光程发生变化，利用前期光纤振动传感技术(专利全光纤振动测量装置，专利号ZL03229729.7；构建光纤反馈延迟的方法及其构建的全光纤白光干涉系统，专利号ZL200410093482.6)，能够有效实现对光缆环境振动的检测。
具体来说，光缆振动信息提取装置是一种白光干涉式全光纤干涉装置，主要由激光器、全光纤干涉装置和数据处理系统组成。其中全光纤干涉装置可以由三只2×2光纤耦合器组成，也可以由一只2×2光纤耦合器和一只3×3光纤耦合器组成，激光经过耦合器分光、差频干涉后，可直接测量振动对象，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，得到两路干涉信号。
其工作原理是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
则
(5) 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
(6) 将扰动点离光反馈装置的距离设为L，光往返传输两次的时间为T，则 T＝2neffL/c (7) 上式中，neff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
为
(8) 在装置的两输出端口可以得到随时间变化的输出功率为
(9)
(10) 其中A、B为与输入光功率大小有关的一个常数，Ψ2、Ψ2为系统的初始相位，可以视为常数；通过隔直、归一化等过程，可将相位差
表示为
(11) 相位差
的变化反应了外界扰动信号的大小，因此只要通过算法将
反演出来，就可以完成对外界振动信号的提取功能。这可将两路干涉信号用数据采集卡接入计算机通过软件来实现，为光缆振动信息处理平台的一部分功能。
光缆振动信息处理平台的功能是将两路干涉信号还原为外界振动信号，并对振动信号进行分析，判定是地震还是局部环境扰动，这是整个系统的核心技术，其分析算法见图1。地震发生引起地面振动是一个区域问题，不是某一点发生的振动。根据地震的这个特性，一定存在这样一个事实，地震对光缆的扰动区域一定是长距离的，如图2所示。一般的山体滑坡和人为扰动对光缆的扰动是短距离的，如图3和图4所示。利用前期技术积累，我们构建的系统利用振动频谱特性中存在频率缺损特性，可准确确定出外界局部扰动的具体位置。如果光缆铺设环境发生了大范围(1公里以上)扰动，我们定义为地震发生。在这种情况下，系统可根据振动频谱特性中频率缺损不存在这一特点，准确判定出地震发生事件。
频谱缺损点产生的原理是基于当扰动信号作用于传感光纤时，系统无法感应扰动信号中某一周期性的特征频率，表现为对
作快速傅里叶变换后频谱域上这一系列特征扰动频率对应的幅值明显小于周边频率对应的幅值，存在所谓“陷波点”，根据“陷波点”的位置可以对扰动点进行定位。具体分析如下 由(8)式可知当时，
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；当时，输出的交流量为零，即P1，2(t)不随时间变化，是个常量。
当时，其中k为自然数；将(7)式代入，记特征频率为fnull(k)，则 (12) 同理，当时，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fnull(k)的干扰。
因此，光缆振动信息处理平台首先通过两路干涉信号时域波形的幅度大小判断是否有扰动产生，若有，再将其还原为外界振动信号，再对其运用频谱分析等信号处理方法求得振动频谱，可得到缺损频谱值fnull(k)。但若扰动是大面积的，则频谱上不会有缺损点产生。利用这一特征可判定是否为地震产生的扰动。
具体来说，可以分为以下几个步骤 1.定时读取两路干涉信号，并将该信号还原为外界振动信号； 2.判定外界振动信号是否存在异常振动，若无异常振动，则返回继续读取下一时段两路干涉信号； 3.若存在异常振动，则对振动信号进行频谱分析； 4.判定振动信号的频谱是否存在缺损点，若无频谱缺损点，则判定为地震扰动，如图5所示，并发布地质状况报告； 5.若存在频谱缺损点，则对频谱缺损点的谷深信息进行测量； 6.判定频谱缺损点是否明显，若明显，则判定为单点扰动，如图6所示，并发布地质状况报告，可通过各阶频谱缺损点的谷深是否有超过设定的谷深域值且这些频率缺损点是否呈奇次倍频关系来判定频谱缺损点是否明显； 7.若频谱缺损点不明显，则判定为多点扰动，如图7所示，并发布地质状况报告。
因为光波传输速度远大于地震波传输速度，所以完全可以利用这一速度差异来实现预警功能。系统可提前数十秒将威胁性强震信息传输到各个可能受威胁的城镇，尽可能减少强震带来的损失。
此外，由于整个监控系统与通信系统共享线路硬件，获得的地质状况信息可在第一时间通过所铺设的光缆发布到各通信终端，通过手机短信、电视、广播等媒体将地震警报等信息向民众告知，进一步为避震赢得时间。
权利要求
1.一种利用通信光缆监测地质状况的方法，其特征在于它通过通信光缆的振动信息来判定该光缆铺设地区的地质状况，其步骤如下
a.在监测地区铺设一条通信光缆，作为检测信号通道；
b.在所述通信光缆的一端设置光反馈装置，其功能是调整光路偏振态，反射入射光信号，使光缆振动信息提取装置能完成对同一振动信号两次不同时刻的提取；
c.在所述通信光缆的另一端设置光缆振动信息提取装置，其功能是产生检测激光信号，经过耦合器分光，形成两路光信号，分别通过所述通信光缆的同一信道，再经光反馈装置反射回馈，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，得到两路干涉信号；
d.设置光缆振动信息处理平台，其功能是将两路干涉信号还原为外界振动信号，并对振动信号进行分析，判定是地震还是局部环境扰动，并发布地质状况报告。
2.根据权利要求1所述的一种利用通信光缆监测地质状况的方法，其特征在于所述光缆振动信息处理平台监测分析地质状况的算法如下
a.定时读取两路干涉信号，并将该信号还原为外界振动信号；
b.判定外界振动信号是否存在异常振动，若无异常振动，则返回继续读取下一时段两路干涉信号；
c.若存在异常振动，则对振动信号进行频谱分析；
d.判定振动信号的频谱是否存在缺损点，若无频谱缺损点，则判定为地震扰动，并发布地质状况报告；
e.若存在频谱缺损点，则对频谱缺损点的谷深信息进行测量；
f.判定频谱缺损点是否明显，若明显，则判定为单点扰动，并发布地质状况报告，可通过各阶频谱缺损点的谷深是否有超过设定的谷深域值且这些频率缺损点是否呈奇次倍频关系来判定频谱缺损点是否明显；
g.若频谱缺损点不明显，则判定为多点扰动，并发布地质状况报告。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用通信光缆监测地质状况的方法，其特征在于所述通信光缆可利用已经铺设好、有1信道预留的老线路，也可采用新设计的光缆线路。
全文摘要
本发明提供一种利用目前广泛使用的通信光缆，可对光缆铺设区域地质状况进行实时监控的方法，通过光缆所受的振动信息来判定地质灾害的种类，并利用地震波传输速度与光波传输速度的差异来实现地震地质灾害预警功能；使用这种地质灾害监测方法可提前数十秒甚至更多的时间将威胁性强震信息传输到各个可能受威胁的城镇，尽可能减少强震带来的损失；本发明地质灾害监测方法还可用于监控光缆铺设区域的山体滑坡、泥石流等局部地质灾害和人为破坏等恶性事件。具有监测范围广、灵敏度高、可靠性好、投资小、利用率高等特点。
文档编号G01V1/18GK101393269SQ200810202390
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月6日 优先权日2008年11月6日
发明者吴红艳, 波 贾, 璜 唐 申请人:复旦大学