专利名称：一种全光纤泥石流监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光电监控、地质监测技术领域，具体涉及一种全光纤泥石流监测系统。
背景技术：
我国幅员辽阔，地质地理环境极为复杂，以泥石流为代表的突发地质灾害，分布极 为广泛，难以监测预防，一旦发生，对国民生命财产造成的损失极大。今年以来，甘肃舟曲和 四川多地的突发泥石流，也揭示了这一点。而目前对于广泛地域内的地质灾害，尤其是最可 能造成重大损失的动态突发灾害，仍缺乏有效、可行和经济的观测、监控以及预警手段。泥石流的预报，与地震的准确预报一样，在全世界都是一道难题。因为发生泥石流 的可能区域，分布很广。尤其在地质地理环境异常复杂的西部山区，包括沟道、冲击槽、河床 等多种地貌，都可能在一定降雨后，形成泥石流。在震后的山区，由于山体表层土石松动，更 易发生泥石流。而在降雨比较多的西南地区，泥石流的发生时间，还具有很大的突发性。所 以，广阔的地域分布，恶劣的自然环境和难以准确估计的发生时间，成为横亘在泥石流监控 技术前的巨大阻碍。现有的泥石流监控技术，主要是在预先判定的泥石流高发区域，如山沟，通过布设 泥位计、视频摄像机、水位计、雨量计等设备，并依赖人力观察，来对泥石流、山洪等突发灾 害实现报警。而在容易发生泥石流的恶劣、偏僻、艰险的野外地形进行人力实地和实时地观 测，困难重重。这些设备，大多基于电磁学的原理，监测点状区域。因此，在恶劣的户外，电 磁设备和为此布设的输能电缆，在长期工作的稳定性和可靠性，存在隐患。而点状传感器， 在对大区域(甚至遍布地质灾害隐患的广阔的震后山区)进行布防时，传感器的整合、设备 的集成、数据的汇总和大量拉设的电气线缆，不仅复杂、昂贵，而且工程难度和长期的维护 工作也极具增加。日本作为地质灾害高发国度，在泥石流监控上，具有一定领先的技术优势，并率 先发现，可以通过振动(音频)的检测，来预先判断泥石流等灾害险情。为此，本发明提出，采用光纤(光缆)，在可能存在泥石流隐患的典型地域，构建全 新的广域监控网络，对泥石流实现实时、在线的监控和预警。与传统的传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、无电磁辐射、电 绝缘、耐腐蚀、易于远程传输、灵敏度高、质量轻、体积小等特点，光纤能够在人员观测不便 的地方(恶劣险峻的野外环境)进行长期布设观测。而基于宽谱干涉技术开发的光纤传感 器，对于振动的监测范围，覆盖了泥石流形成到爆发的频率范围，所以可用光纤传感器来作 为泥石流灾害监测的一种手段。该技术与常规采用电磁器件进行点状观测的技术体系完全不同，其采用的是适于 野外恶劣环境大面积布设的光缆构成成网状结构，实现了电磁方法难以企及的野外环境广 域监控；该技术也与光纤光栅、光纤时域反射技术等其他光纤静态和准静态监控技术不同， 它的监测对象为最可能产生重大损失的突发性振动信号，而非缓变的锈蚀、裂隙等静态威 胁。其技术内容包括全新的宽谱干涉技术结合模式识别技术，以及传感网络与通讯网络的融合技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能适于野外恶劣环境的，实时、在线、准确监测泥石流 的系统。本发明提供的泥石流监测系统，它用全光纤构成的前端传感器，布设在可能产生 泥石流的大范围野外地域，实时地采集外界包括声音在内的振动信号；通过光纤将振动信 号传输到位于远端机房的主机，经过干涉解调，实时地将振动信号还原出来；并将振动信号 采集进计算机进行信号分析处理，与典型的泥石流产生的频谱进行比对和判断，实现对泥 石流发生状况的实时监控，并可提前预警。本发明提供的泥石流监测系统，是一种全光纤泥石流监测系统，由传感光纤、光反 馈装置、光纤振动信息提取装置和泥石流信号处理平台组成；所述传感光纤为传感、传输 共用光纤，布设于泥石流可能产生的地域，具体可将光纤缠绕成圈状或网状，以捕捉泥石流 发生时的声音信号；也可以将光纤以单根或网状形式埋于地表下，捕捉泥石流冲击地表 时产生的振动信号。所述光反馈装置是一个法拉第旋转平面镜，安装在传感光纤的一端的 光纤端面处。传感光纤的另一端与光纤振动信息提取装置相连，所述光纤振动信息提取装 置是一种白光干涉式全光纤干涉装置，由激光器、全光纤干涉装置和光电探测数据处理系 统组成，所述激光器的激光经过全光纤干涉装置的耦合器分光，一路经准直后、通过传感光 纤传输至光反馈装置、并被反射再通过光缆返回、经准直和延时反射后、被耦合器的一端接 收，另一路经延时反射和准直后、通过传感光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过光缆返 回、经准直后、被耦合器的另一端接收，差频干涉后，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；所述泥石流信号处理平台主要由计算机数据处理系统组成，它通 过数据采集卡与振动信息提取装置连接，此平台具有识别泥石流信号并进行及时预警的功 能。所述全光纤干涉装置可以由三只2 X 2光纤耦合器组成，也可以由一只2 X 2光纤 耦合器和一只3X3光纤耦合器组成。所述全光纤干涉装置所用的激光器是工作波长为1. 31 μ m或1. 55 μ m的超辐射发
光二极管。所述光反馈装置可以是法拉第旋转镜，也可以在通信光缆的光纤端面镀反射膜作 为反射镜。本发明所具有的优势是
1.采用了耐腐蚀、适于长距离布设、施工简单的光纤(光缆)，取代了传统的应变测试 片、振动测试装置、泥位计、流量计，和各种电线电缆，适合野外自然环境复杂、恶劣的工况。2.采用了大面积的连续布设方法，取代传统设备点状、离散的布设方法，更符合 潜在地质灾害需要长距离、大范围广域布防的现实要求。3.采用不易受到电磁干扰的光纤传感器来代替传统的振动(声音)录入装置，拓 宽了声音录入的应用领域，测量人耳不能到达的领域，从而用于振动频域更宽的多种动态 地质灾害的监测。4.通过后端的振动信号分析软件，可实时分析振动信号，结合地质科研部门的数据信息，识别泥石流发生时的特征振动信号，以进行灾害预警。
图1为本发明系统构成图。图2为本发明系统布局图示。
具体实施例方式按照本发明方法所构建的泥石流监测系统由四部分构成，第一部分为传感光纤， 第二部分为光反馈装置，连接于所铺设的传感光纤的一端；第三部分为光纤振动信息提取 装置，连接所铺设传感光纤的另一端；第四部分为泥石流信号处理平台，通过数据采集卡连 接振动信息提取装置。传感光纤是布设在泥石流可能发生的区域，采集作用于传感光纤上的振动信号。 可以将光纤缠绕成圈状捕捉泥石流发生时的声音信号，也可以将光纤以单根或网状形式埋 于地表下，捕捉泥石流冲击地表时产生的振动信号
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I‘的光纤 一次时，产生的相位延迟为
Φ= β(1)
式中々为光波在光纤中的传播常数，於= 知，其中力光波在光纤中传播的有效折射 率，知为光波在真空中的波数。当长度为/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A识为
α^=λφ = λ(泠)=βΔΙ +ΙΑβ(2)
进一步整理化为 Λ Δ/ ΔΛ
Δ炉=Φ(丁 + 卞)(3)
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识与
光纤引起的相位延迟成正比关系。在外界激励信号一定的情况下，即—定，为了得到更高的相位灵敏度，显然可以通过增加传感光纤长度I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，采用此方法我们等到的相位差为 Λ . r kl ABs
权利要求
1.一种全光纤泥石流监测系统，其特征在于由传感光纤、光反馈装置、光纤振动信息提 取装置和泥石流信号处理平台组成；其中，所述传感光纤为传感、传输共用光纤，布设于泥 石流可能产生的地域；所述光反馈装置是一个法拉第旋转平面镜，安装在传感光纤的一端 的光纤端面处，或者所述光反馈装置是一反射镜，该反射镜由传感光纤的一端的光纤端面 处镀一反射膜构成；传感光纤的另一端与光纤振动信息提取装置相连，所述光纤振动信息提取装置是一种 白光干涉式全光纤干涉装置，由激光器、全光纤干涉装置和光电探测数据处理系统组成，所 述激光器的激光经过全光纤干涉装置的耦合器分光为两路，其中一路经准直后通过传感 光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过传感光纤返回，经准直和延时反射后、被耦合器的 一端接收；另一路经延时反射和准直后通过传感光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过 传感光纤返回，经准直后被耦合器的另一端接收；差频干涉后，产生稳定的干涉条纹，经光 电探测器光电转换后，得到两路干涉信号；所述泥石流信号处理平台主要由计算机数据处理系统组成，它通过数据采集卡与振 动信息提取装置连接，此泥石流信号处理平台具有识别泥石流信号并进行及时预警的功 能。
2.根据权利要求1所述的全光纤泥石流监测系统，其特征在于所述全光纤干涉装置由 三只2X2光纤耦合器组成，或者由一只2X2光纤耦合器和一只3X3光纤耦合器组成。
3.根据权利要求1或2所述的全光纤泥石流监测系统，其特征在于所述全光纤干涉装 置所用的激光器是工作波长为1. 31 μ m或1. 55 μ m的超辐射发光二极管。
4.根据权利要求1或2所述的全光纤泥石流监测系统，其特征在于所述传感光纤缠绕 成圈状或网状，以捕捉泥石流发生时的声音信号，或者将所述传感光纤以单根或网状形式 埋于地表下，以捕捉泥石流冲击地表时产生的振动信号。
全文摘要
本发明属于光电监控、地质监测技术领域，具体为一种全光纤泥石流监测系统。本发明用全光纤构成的前端传感器，布设在可能产生泥石流的大范围野外地域，实时采集外界包括声音在内的振动信号；通过光纤将振动信号传输到位于远端机房的主机，经过干涉解调，实时地将振动信号还原出来；并将振动信号进行分析处理，与典型的泥石流产生的频谱进行比对和判断，实现对泥石流发生状况的实时监控，并可提前预警。本系统还可用于监控光纤(缆)铺设区域的山体滑坡和山洪等局部突发地质灾害；本系统具有监测范围广、灵敏度高、可靠性好、投资小、利用率高等特点。
文档编号G08B21/10GK102063777SQ20111002534
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者吴红艳, 唐璜, 肖倩, 贾波, 赵栋 申请人:复旦大学