专利名称：光纤安全预警系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种埋地管道、构筑物或通信光缆、交通设施、文物保护区、军械 库、重点机关和重要工业厂区等构筑物、重要设施与区域的安全保护预警的光纤 安全预警系统。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，在我们囯家，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；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，仅我囯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*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。
而其它地下构筑物或通信光缆、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则还没有有效的办法。
针对现有的管道及类似设施安全监测技术存在的问题，有澳大利亚专利提出
基于马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理的监测技术，但该专利技术由于 性能不稳定，在技术上存在一定的缺陷。
发明内容
本发明的目的是发明一种能稳定、可靠、准确地预警埋地管道、构筑物或地 面构筑物、重要设施与区域安全的光纤安全预警系统。
鉴于现有管道安全监测技术存在的问题，本发明提出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或构筑物、重要设施周围地下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，拾取管 道附近沿线土壤的振动信号。事件定位系统根据两路激光信号的传输时间差值分 析计算出管道附近沿线的土壤振动事件的发生位置。信号识别系统确定引起土壤 振动事件的性质和类别。
本发明的构成如图l所示，有三种构成方案，即相位控制或偏振控制或偏振 与相位控制。相位控制是由激光器101和传感系统102组成的光路系统拾取的信号 经过光纤传到光电信号处理电路105，传感系统102由光纤连接相位控制系统103 后由电信号线与光电信号处理电路105连接，相位控制系统103与光电信号处理电 路105、传感系统102组成相位衰落闭环控制环,使得在传感系统102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；由电信号线与光
电信号处理电路105连接的定位系统106之一路送到信号识别系统107,另一路送到 本地管理系统IIO，定位系统106根据光电信号处理电路105检测的相向传播的两 端干涉信号的时延差，计算出土壤振动信号的发生位置；由电信号线与光电信号处 理电路105连接的信号识别系统107输出接本地管理系统110，信号识别系统107把 光电信号处理电路105检测的两路土壤振动信号的其中一路进行处理和变换,把从 定位系统106获得的土壤振动信号的定位值进行统计、分析与处理，通过专家系统 504确定土壤振动事件的类型和性质，并把数据送给本地管理系统110;而本地管理 系统110的输出接报警输出系统108、综合管理平台112，报警输出系统108把报警 信息发送，电源系统114给各个系统和功能模块供电。
偏振控制是由激光器101和传感系统102组成的光路系统拾取的信号经过光纤 传到光电信号处理电路105，传感系统102由光纤连接偏振控制系统104后由电信 号线与光电信号处理电路105连接，偏振控制系统104与光电信号处理电路105、传 感系统102组成偏振衰落闭环控制环，使得在传感系统102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；由电信号线与光电信号
处理电路105连接的定位系统106之一路送到信号识别系统107,另一路送到本地管 理系统IIO，定位系统106根据光电信号处理电路105检测的相向传播的两端干涉
信号的时延差,计算出土壤振动信号的发生位置;由电信号线与光电信号处理电路
105连接的信号识别系统107输出接本地管理系统110，信号识别系统107把光电信 号处理电路105检测的两路土壤振动信号的其中 一路进行处理和变换，把从定位系 统106获得的土壤振动信号的定位值进行统计、分析与处理，通过专家系统504确 定土壤振动事件的类型和性质，并把数据送给本地管理系统110;而本地管理系统 110的输出接报警输出系统108、综合管理平台112,报警输出系统108把报^j言息 发送，电源系统114给各个系统和功能模块供电。
偏振与相位控制是由激光器101和传感系统102组成的光路系统拾取的信号 经过光纤传到光电信号处理电路105，传感系统102由光纤连接相位控制系统103 后由电信号线与光电信号处理电路105连接，相位控制系统103与光电信号处理电 路105、传感系统102组成相位衰落闭环控制环，使得在传感系统102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；同时传感系统102 由光纤连接偏振控制系统104后由电信号线与光电信号处理电路105连接，偏振 控制系统104与光电信号处理电路105、传感系统102组成偏振衰落闭环控制环,使 得在传感系统102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；由电信号线与光电信号处理电路105连接的定位系统106之一路 送到信号识别系统107,另一路送到本地管理系统110，定位系统106根据光电信号 处理电路105检测的相向传播的两端干涉信号的时延差,计算出土壤振动信号的发 生位置；由电信号线与光电信号处理电路105连接的信号识别系统107输出接本地 管理系统110，信号识别系统107把光电信号处理电路105检测的两路土壤振动信号 的其中一路进行处理和变换,把从定位系统106获得的土壤振动信号的定位值进行 统计、分析与处理，通过专家系统504确定土壤振动事件的类型和性质，并把数据 送给本地管理系统110;而本地管理系统110的输出接报警输出系统108、综合管理 平台112,报警输出系统108采用声光电、图像和视频以及手机短信的报警方式， 把报警信息发送,电源系统114给各个系统和功能模块供电。
为了预警更准确，三种构成方案还可在本地管理系统110的输入接CCTV与周 界防范系统lll的输出，CCTV与周界防范系统111获取的信号输至本地管理系统 110。为了工作的需要，本地管理系统110还可有输出接通信系统113，将报警信号远 传。
其中所述光路系统与全系统一样也有三种具体构成,即相位控制或偏振控制 或偏振与相位控制。图2所示的是偏振与相位控制原理框图，它由激光器101、偏振 控制器201或相位控制器205 、偏振调制器202或相位调制器206、合分波器203、 204、光电检测处理电路207组成。三种具体构成中偏振控制或偏振与相位控制的 共同部分是偏振调制器202串联在由光纤连接的连续单色激光器101和合分波器 203之间，合分波器203分别接三根光纤l、 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由两根光纤分别接光电检测处理电路207的光电检测管y、光电检测 管x，之后分两种构成，或是偏振调制器202由电信号线接偏振控制器201，偏振 控制器201由电信号线分别接串联在光纤1或2中的相位调制器206和光电检测处理 电路207,或是偏振调制器202由电信号线接偏振控制器201，偏振控制器201由电 信号线分别接串联在光纤1或2中的相位调制器206和光电检测处理电路207,同时 相位控制器205由电信号线分别接串联在光纤2或1中的相位调制器206和光电检测 处理电路207;而相位控制则是连续单色激光器101直接接合分波器203，合分波 器203分别接三根光纤l、 2、 3至合分波器204 ，合分波器203、合分波器204 与光纤l、光纤2组成马赫-曾德(Mach-Zehnder )光纤干涉仪，合分波器203 由两根光纤分别接光电检测处理电路207的光电检测管y、光电检测管x，相位控 制器205由电信号线分别接串联在光纤2或1中的相位调制器206和光电检测处理
电路207。连续单色激光器101发射的单色激光，通过光纤到偏振控制器201，由光纤 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)光纤干涉仪的合分波器203端入射，在合分波器204端合波而形 成干涉光波,干涉光波通过光纤3传回合分波器203,再通过光纤传到光电检测处理 电路207中的一个光电检测管y;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)光纤干涉仪的合分波器204端入射，在合分波器203 端合波而形成干涉光波，干涉光波通过光纤传到光电检测处理电路207中的另 一个 光电检测管x;偏振控制器201与相位调制器206以及光电检测处理电路207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;相位控制器205 与光电检测处理电路207、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；偏振与相位控制同时控制时，则使两路干涉光波 的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上，相位差值稳定在系统所需要的相位 值上。
所述相位控制系统103[见图3]是由合分波器203、 204与光纤1、 2组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪，连续单色激光器IOI由光纤接到合分波器203, 合分波器203由两根光纤分别接光电检测器309和光电检测器310，该两光电检测 器309和光电检测器310之后分别由电信号线接信号调理电路312和信号调理电路 313、 A/D釆集卡314和A/D釆集卡315后共同接到信号处理和运算器316的输入，而 信号处理和运算器316的输出经相位控制器205至串接在光纤2或1中的相位调制器 206。
所述偏振控制系统104[见图4]是偏振调制器202串联在由光纤连接的连续单 色激光器101和合分波器203之间，合分波器203再接三根光纤1、 2、 3到合分波 器204构成传感系统102，而合分波器203由光纤各连接光电检测器309和光电 检测器310，该两光电检测器309和光电检测器3IO后分别连接信号处理分析电路 311，信号处理分析电路311输出接偏振控制器201，偏振控制器201用光纤接串联 在光纤1或2中的相位调制器206。
所述偏振与相位控制系统[见图5]是偏振调制器202串联在由光纤连接的连 续单色激光器101和合分波器203之间，由合分波器203、 204与光纤1、 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输出由电信号线均接到信
号处理分析电路311,而信号处理分析电路311的一路输出接偏振控制器201，偏振 控制器201输出接偏振调制器202及接至串联在光纤1或2中的相位调制器206,另一 路输出接相位控制器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。
所述定位系统106[见图6]是偏振调制器202串联在由光纤连接的连续单色激 光器101和合分波器203之间，偏振调制器202由电线接偏振控制器201,在由干涉 光纤l、 2、传输光纤3和合分波器203、 204组成的光纤干涉仪的合分波器203上由 两根光纤各连接光电检测器309和光电检测器310，该两光电检测器309和光电检 测器310的输出各依次串联信号调理电路312、信号调理电路313、 A/D采集卡 314、 A/D釆集卡315后一并接到运算系统733的输入，运算系统733的输出接数据 输出接口734;而光电检测器309或光电检测器310有一输出接偏振控制器201，并 由偏振控制器201的输出接至串联在光纤1或2中的相位调制器206，另有一输出接 相位调制器205，并由相位调制器205的输出接至串联在光纤2或1中的相位调制器 206。
所述信号识别系统107[见图7]是在与光纤干涉仪连接的检测器501输出接信 号处理电路502，与信号处理电路502连接的信号特征值提取模块503与专家系统 504连接后一并再与分析判断系统505连接，分析判断系统505与本地管理系统110 连接；连有音频缓存器507的音频处理模块506之输入接向信号处理电路502,而输 出则接向本地管理系统110;信号处理电路502的另一输出接定位系统106,定位系 统106的输出接视觉数据分析系统508后接向本地管理系统110;而本地管理系统 110的输出依次串联D/A509、放大电路510和音频输出设备511后由人工识别系统 513识别，同时本地管理系统110有一输出接视觉输出设备512也由人工识别系统 513识别，本地管理系统110还有一输出接报警输出系统108和通信系统113。
本地管理系统110汇总各个系统和模块的工作情况和定位计算结果和参数， 确定告警和告警级别，并通过通信系统113把系统参数上传到综合管理平台112, 并接受综合管理平台112的命令，传递给各个系统和模块执行，综合管理平台112 可以控制管理整条管道的预警设备，显示设备的工作状态，根据集成的地理信息 系统(GIS)和卫星定位系统(GPS)，在电子地图上显示告警信息，并通过短信和 电子邮件把告警信息发送给相关人员。同时作为本地管理系统110输出的报警输出 系统108采用声光电、图像和视频以及手机短信的报警方式，把报^^言息及时、有 效而无疏漏地发送系统管理人员，或者由通信系统113进行数据远传，并组成预警 监测网络。电源系统l 14给各个系统和功能模块供电。 连续单色激光器101发射的单色激光，通过光纤传到光纤传感系统102，光纤 传感系统102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105 。相位控制系统103与光电信号处理电路105、光纤传 感系统102组成相位衰落闭环控制环，使得在光纤传感系统102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，其中，相位控制系统 103和光电信号处理电路105之间是电信号线，相位控制系统103和光纤传感系统 102之间是光纤。
偏振控制系统104与光电信号处理电路105、光纤传感系统102组成偏振衰落 闭环控制环，使得在光纤传感系统102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，其中，偏振控制系统104和光电信号处理电路 105之间是电信号线，偏振控制系统104和光纤传感系统102之间是光纤。
定位系统106根据光电信号处理电路105检测的相向传播的两端干涉信号的 时延差，计算出土壤振动信号的发生位置，定位系统106把定位数据一路送到信号 识别系统107，另一路送到本地管理系统IIO。
信号识别系统107把光电信号处理电路105检测的两路土壤振动信号的其中 一路进行处理和变换，把从定位系统106获得的土壤振动信号的定位值进行统计、 分析与处理，通过专家系统504以及人工音频侦听和人工视觉侦辩，确定土壤振动 事件的类型和性质，并把数据送给本地管理系统IIO，进行本地报警或者数据远传。
报警输出系统108采用声光电、图像和视频以及手机短信的报警方式，把报
，息及时、有效而无疏漏地发送系统管理人员。
CCTV与周界防范系统111通过摄像机和周界报警传感器实时监视管道场站和 管道设施的被入侵情况，并把图像和数据送给本地管理系统IIO ，通过本地管理系 统l IO送给报警输出系统108或者通信系统l 13进行本地报警或者数据远传,通信系 统113把数据远传并组成预警监测网络，电源系统114给各个系统和功能模块供电。
本地管理系统110汇总各个系统和模块的工作情况和定位计算结果和参数， 确定告警和告警级别，并通过通信系统113把系统参数上传到综合管理平台112, 并接受综合信息管理平台112的命令，传递给各个系统和模块执行，综合管理平台 112可以控制管理整条管道的预警设备，显示设备的工作状态，根据集成的地理信 息系统(GIS)和卫星定位系统(GPS),在电子地图上显示告警信息，并通过短信 和电子邮件把告警信息发送给相关人员。
至于具体的光、电路构成，光路部分中除了三根光纤用普通通信光缆外，激 光器101和合分波器203、 204直接选市销产品即可；电路部分如图8所示，偏振控 制器201由偏振控制主机201-1和偏振控制器201-2组成，相位控制器205由相位控 制主机205-l和相位控制器205-2组成，偏振控制主机201-1、相位控制主机205-l、 定位系统106、信号识别系统107、本地管理系统110均为计算机，偏振控制器 201-2、相位控制器205-2、偏振调制器202、相位调制器206、光电信号处理电路 105为巿销产品，只要恰当选择即可。由光纤串联于激光器101和合分波器203之间 的偏振调制器202输出用电信号线接到偏振控制器201-2的输入，由两根光纤与合 分波器203连接的光电信号处理电路105输出卡各有 一 电信号线分别接向偏振控制 主机201-l和相位控制主机205-l、本地管理系统110的输入及两根电信号线接向信 号识别系统107、定位系统106的输入，而信号识别系统107、定位系统106、接偏 振控制主机201-l输出的偏振控制器201-2、接相位控制主机205-l输出的相位控制 器205-2的输出卡各有 一 电信号线分别接向本地管理系统110的I/O,并信号识别 系统107输出卡有一电信号线接向定位系统106的采集卡，相位控制器205的输出 卡有一电信号线接向相位调制器206的输入，激光器101有一电信号线接向本地 管理系统110的I/0。
本发明利用与管道同沟敷设或构筑物、重要设施与区域周围地下光缆中的普 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，拾取管道附近沿线土壤的振动信号。事件定位系统106根据两路激光信 号的传输时间差值分析计算出管道附近沿线的土壤振动事件的发生位置。信号识 别系统107确定引起土壤振动事件的性质和类别。CCTV与周界防范系统111通过摄 像机和周界报警传感器实时监视管道场站和管道设施。本发明中的各个功能系统 或者模块的运行状态和分析数据汇聚到本地管理系统IIO,经由本地管理系统IIO 控制、分析与处理后，通过通信系统113或者报警输出系统108进行数据远传或者 本地报警。借助于综合管理平台112中集成的管道沿线的地理信息系统(GIS)和 全球定位系统(GPS)以及通信系统113,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。
图l光纤安全预警系统原理框图 图2光纤安全预警系统光路系统原理框图 图3光纤安全预警系统相位控制系统原理框图 图4光纤安全预警系统偏振控制系统原理框图
图5光纤安全预警系统偏振与相位控制系统原理框图 图6光纤安全预警系统定位系统原理框图
图7光纤安全预警系统信号识别系统原理框图 图8光纤安全预警系统电原理图 其中101-激光器
103-相位控制系统
105-光电信号处理电路
107-信号识别系统
110-本地管理系统
112-综合管理平台
114-电源系统
201-偏振控制器
203-合分波器
205-相位控制器
207-光电检测处理电路
309-光电检测器
311-信号处理电路
313—言号调理电路
315-A/D釆集卡
501-检测器
503-信号特征值提取模块 505-分析判断系统 507-音频缓存器 509-D/A
511-音频输出设备 513-人工识别系统
102-光纤传感系统 104-偏振控制系统 106-定位系统 108-报警输出系统 111- CCTV与周界防范系统 113-通信系统
202-偏振调制器 204-合分波器 206-相位调制器
310-光电检测器 312i号调理电路 314-A/D釆集卡 316-信号处理和运算器 502-j言号处理电路 504-专家系统 506-音频处理模块 508-视觉数据分析系统 510-放大电路 '512-视觉输出设备 733-运算系统
734-数据输出接口
具体实施例方式
实施例.以本例说明本发明的具体实施方式
，并对本发明作进一步的说明。本例 是工业实验样机，其光路如图2所示，电路如图8所示,图中粗连接线为光纤，细连 接线为电线。具体构成为本地管理系统110:选研祥工控机，型号PPC-1201(T); 信号识别系统107:选联想万全R630 G5作主机，配4CPU 8 M缓存32G内存，
I/0:M PCI-E6251 1.25M 16channel 16bit;定位系统106:美国NI仪器PXI-1042 8-Slot 3U CPU:PXI-8196 P—M760 2. OG 512M I/O: PXI—5124, 2- Channel 12-Bit 200MHz;偏振控制主机201-1:选NI PXI-1042 8-Slot 3U CPU: PXI-8186 P4 2.2I/0: NIPXI-5112， 2 channel, 100MHz， 32 MB/Channel， 8-bit; PXI-6111 A/D 2channel 12bit , D/A 2channel 12bit ;偏振控制器201-2 : 0Z OPTICS EPC-400 EPCDRIVER-04-RS232;相位控制主机205-1:选NI PXI-1050, PXI/SCXI CPU: PXI—8187 P4M2. 5G PXI—6120 A/D 4 channel 16bit， D/A2 channel 16—bit; 相位控制器205-2: OZ OPTICS FICE PZ-STD-FC/PC;单频激光器101选型号选 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 x 2-1550-l-FC/UPC-3*54; 偏振调制器202: OZ Optics EPC-400 EPC DRIVER-04-RS232;相位调制器206: OZ Optics fice PZ-STD-FC/PC;光电接收电 路105:通用光电放大电路，2路光纤输入口,输入范围-20~-45dBm， 2路电输 出口，输出范围-3V~+3V。
偏振调制器202串联在由光纤连接的连续单色激光器101和合分波器203之间， 合分波器203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，由光纤串 联于激光器101和合分波器203之间的偏振调制器202输出用电线接到偏振控制器 201-2的釆集卡PXI-6111 A/D2channel 12bit，由两根光纤与合分波器203连接的 光电信号处理电路105输出卡各有一电信号线分别接向偏振控制主机201-l采集卡 PXI-6111 A/D 2channel 12bit和相位控制主机205-l、本地管理系统110的输入及 两根电信号线接向信号识别系统107、定位系统106的输入，而信号识别系统107、 定位系统106、接偏振控制主机201-l输出的偏振控制器201-2、接相位控制主机 205-1输出的相位控制器205-2的输出卡各有一电信号线分别接向本地管理系统 110的1/0，并信号识别系统107输出卡有一电信号线接向定位系统106的采集卡， 相位控制器205的输出卡有一电信号线接向相位调制器206的输入激光器101有 一电信号线接向本地管理系统110的I/0。
连续单色激光器101发射的单色激光，通过光纤传到光纤传感系统102,光纤 传感系统102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105 。相位控制主机205-1、相位控制器205-2与光电信号 处理电路105、光纤传感系统102组成相位衰落闭环控制环，使得在光纤传感系统 102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-与光电信号处理电路105、光纤传感系
统102组成偏振衰落闭环控制环,使得在光纤传感系统102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。
定位系统106根据光电信号处理电路105检测的相向传播的两端干涉信号的 时延差，计算出土壤振动信号的发生位置，定位系统106把定位数据一路送到信号 识别系统107,另一路送到本地管理系统IIO。
信号识别系统107把光电信号处理电路105检测的两路土壤振动信号的其中 一路进行处理和变换，把从定位系统106获得的土壤振动信号的定位值进行统计、 分析与处理，通过专家系统以及人工音频侦听和人工视觉侦辩，确定土壤振动事 件的类型和性质，并把数据送给本地管理系统iio，进行本地报警或者数据远传。
本系统经某管线实际使用、测试，对地面动土开挖、触动管道、在管道上焯 接、打孔均能测知、定位精度高、事件性质判断准确，并无漏检。
本发明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。单台装置的监测距离可达120公里左右，借助于系统本身 具有通信功能，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 发明的监测距离可以根据需要而定。
本发明不但适用于管道的安全防范与预警，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。
由上可见，本发明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，定位精度可达士10米，监测距离长，单 套系统的监测距离可达120公里左右；且监测稳定、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。
权利要求
1.一种埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域安全预警的光纤安全预警系统，包括与管道同沟敷设或构筑物、重要设施与区域周围地下光缆中的三根光纤及由其构成的分布式土壤振动检测传感器、激光器[101]，其特征是由激光器[101]和传感系统[102]组成的光路系统拾取的信号经过光纤传到光电信号处理电路[105]，传感系统[102]由光纤连接相位控制系统[103]后由电信号线与光电信号处理电路[105]连接，相位控制系统[103]与光电信号处理电路[105]、传感系统[102]组成相位衰落闭环控制环，使得在传感系统[102]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；由电信号线与光电信号处理电路[105]连接的定位系统[106]之一路送到信号识别系统[107]，另一路送到本地管理系统[110]，定位系统[106]根据光电信号处理电路[105]检测的相向传播的两端干涉信号的时延差，计算出土壤振动信号的发生位置；由电信号线与光电信号处理电路[105]连接的信号识别系统[107]输出接本地管理系统[110]，信号识别系统[107]把光电信号处理电路[105]检测的两路土壤振动信号的其中一路进行处理和变换，把从定位系统[106]获得的土壤振动信号的定位值进行统计、分析与处理，通过专家系统[504]，确定土壤振动事件的类型和性质，并把数据送给本地管理系统[110]；而本地管理系统[110]的输出接报警输出系统[108]、综合管理平台[112]，报警输出系统[108]把报警信息发送，电源系统[114]给各个系统和功能模块供电。
2. —种埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域安全预警的光纤安 全预警系统，包括与管道同沟敷设或构筑物、重要设施与区域周围地下光缆中的 三根光纤及由其构成的分布式土壤振动检测传感器、激光器[IOI]，其特征是由激 光器[101]和传感系统[102]组成的光路系统拾取的信号经过光纤传到光电信号处 理电路[105]，传感系统[102]由光纤连接偏振控制系统[104]后由电信号线与光 电信号处理电路[105]连接，偏振控制系统[104]与光电信号处理电路[105]、传感 系统[102]组成偏振衰落闭环控制环，使得在传感系统[102]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；由电信号线与光电信号处理电路[105]连接的定位系统[106]之一路送到信号识别系统[107],另一路送 到本地管理系统[IIO]，定位系统[106]根据光电信号处理电路[105]检测的相向传播的两端千涉信号的时延差，计算出土壤振动信号的发生位置；由电线与光电信号处理电路[105]连接的信号识别系统[107]输出接本地管理系统[110]，信号识别 系统[107]把光电信号处理电路[105]检测的两路土壤振动信号的其中一路进行处 理和变换，把从定位系统[106]获得的土壤振动信号的定位值进行统计、分析与处理，通过专家系统[504],确定土壤振动事件的类型和性质，并把数据送给本地管理系统[110];而本地管理系统[110]的输出接报警输出系统[108]、综合管理平台 [112],报警输出系统[108]把报^[言息发送，电源系统[114]给各个系统和功能模 块供电。
3. —种埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域安全预警的光纤安 全预警系统，包括与管道同沟敷设或构筑物、重要设施与区域周围地下光缆中的 三根光纤及由其构成的分布式土壤振动检测传感器、激光器[101],其特征是由激 光器[101]和传感系统[102]组成的光路系统拾取的信号经过光纤传到光电信号处 理电路[105]，传感系统[102]由光纤连接相位控制系统[103]后由信号电线与光 电信号处理电路[105]连接，相位控制系统[103]与光电信号处理电路[105]、传感 系统[102]组成相位衰落闭环控制环，使得在传感系统[102]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；同时传感系统[102]由 光纤连接偏振控制系统[104]后由电线与光电信号处理电路[105]连接，偏振控制 系统[104]与光电信号处理电路[105]、传感系统[102]组成偏振衰落闭环控制环， 使得在[102]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；由电信号线与光电信号处理电路[105]连接的定位系统[106]之一路 送到信号识别系统[107],另 一路送到本地管理系统[110]，定位系统[106]根据光 电信号处理电路[105]检测的相向传播的两端干涉信号的时延差,计算出土壤振动 信号的发生位置；由电线与光电信号处理电路[105]连接的信号识别系统[107]输 出接本地管理系统[110],信号识别系统[107]把光电信号处理电路[105]检测的两 路土壤振动信号的其中一路进行处理和变换,把从定位系统[106]获得的土壤振动 信号的定位值进行统计、分析与处理，通过专家系统[504],确定土壤振动事件的 类型和性质,并把数据送给本地管理系统[110];而本地管理系统[110]的输出接报 警输出系统[108]、综合管理平台[112],报警输出系统[108]把报^f言息发送，电 源系统[114]给各个系统和功能模块供电。
4. 根据权利要求1或2或3所述的光纤安全预警系统，其特征是本地管理系统 [110]有输入接CCTV与周界防范系统[111]的输出，CCTV与周界防范系统[111]获 取的信号输至本地管理系统[IIO]。
5.根据权利要求1或2或3所述的光纤安全预警系统，其特征是本地管理系统 [110]有输出接远传报警信号的通信系统[113]。
6.根据权利要求2或3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述光路系统由激 光器[IOI]、偏振控制器[201]、偏振调制器[202]、合分波器[203]、合分波器[204]、光电检测处理电路[207]组成，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]; 另一路激光通过光纤[3]传到合分波器[204]，由马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤 合分波器[204]端入射，在合分波器[203]端合波而形成干涉光波；合分波器[203] 由两根光纤分别接光电检测处理电路[207]，接光电检测处理电路[207]输出的 偏振控制器[201]由电信号线分别接串联在光纤[1]或[2]中的相位调制器[206]和 偏振调制器[202];偏振控制器[201]与偏振调制器[202]以及光电检测处理电路 [207]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。
7. 根据权利要求1或3所述的光纤安全预警系统,其特征是所述光路系统由激 光器[IOI]、相位控制器[205]、相位调制器[206]、合分波器[203]、合分波器[204]、 光电检测处理电路[207]组成，连续单色激光器[IOI]由光纤接到合分波器[203]， 合分波器[203]后分别接三根光纤[l]、 [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]由两根光纤分别接光电检测处理电路[207]，接光电 检测处理电路[207]输出的相位控制器[205]由电信号线接串联在光纤[2]或[1]中 的相位调制器[206];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]，再通过光 纤传到光电检测处理电路[207];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)光纤合分波器[204]端入射，在合分波器[203]端合 波而形成干涉光波，干涉光波通过光纤传到光电检测处理电路[207];相位控制系 统[103]与光电检测处理电路[207]、传感系统[102]组成相位衰落闭环控制环，使得 在传感系统[102]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。
8. 根据权利要求3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述光路系统由激光 器[IOI]、偏振控制器[201]、相位控制器[205]、偏振调制器[202]、相位调制器[206]、 合分波器[203]、合分波器[204]、光电检测处理电路[207]组成，偏振调制器[202] 串联在由光纤连接的连续单色激光器[101]和合分波器[203]之间，合分波器[203] 后分别接三根光纤[l]、 [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]由两根光纤分别接光电检测处理电路[207]，偏振调制器[202]由电 线接偏振控制器[201]，接光电检测处理电路[207]输出的偏振控制器[201]由电 信号线接串联在光纤[1]或[2]中的相位调制器[206]，接光电检测处理电路[207] 输出的相位控制器[205]由电信号线接串联在光纤[2]或[1]中的相位调制器 [206];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],再通过光纤传到光电检 测处理电路[207];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 )光纤合分波器[204]端入射，在合分波器[203]端合波而形成干 涉光波，干涉光波通过光纤传到光电检测处理电路[207];相位控制器[205]与相 位调制器[206]以及光电检测处理电路[207]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]与偏振调制器[202]以及光电 检测处理电路[207]组成偏振衰落闭环控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder) 光纤千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。
9. 根据权利要求1或3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述相位控制系统 [103]是由合分波器[203]、 [204]与光纤[1]、 [2]组成马赫_曾德(Mach-Zehnder) 光纤干涉仪,连续单色激光器[IOI]由光纤接到合分波器[203],合分波器[203]由 两根光纤分别接光电检测器[309]和光电检测器[310]，该两光电检测器[309]和 光电检测器[310]之后分别由电信号线接信号调理电路[312]和信号调理电路 [313]、 A/D釆集卡[314]和A/D采集卡[315]后共同接到信号处理和运算器[316] 的输入而信号处理和运算器[316]的输出经相位控制器[205]至串接在光纤[2]或 [1]中的相位调制器[206]。
10. 根据权利要求2或3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述偏振控制系 统[104]是偏振调制器[202]串联在由光纤连接的连续单色激光器[101]和合分波 器[203]之间，合分波器[203]后分别接三根光纤[l]、 [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，而合分波器[203]由光纤各连接光电检测器 [309]和光电检测器[310],该两光电检测器[309]和光电检测器[310]后分别连接信 号处理分析电路[311]，信号处理分析电路[311]输出接偏振控制器[201]，由偏 振控制器[201]用电信号线接到串联在光纤[l]或[2]中的相位调制器[206];偏振 控制器[201]与相位调制器[206]以及信号处理分析电路[311]组成偏振衰落闭环 控制环，使得在马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤千涉仪上传播而形成千涉的两路 干涉光波的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上。
11. 根据权利要求3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述偏振与相位控 制系统是偏振调制器[202]串联在由光纤连接的连续单色激光器[101]和合分波器 [203]之间，合分波器[203]后分别接三根光纤[l]、 [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]输出由电信号线均 接到信号处理分析电路[311]，而信号处理分析电路[311]的一路输出接偏振控制 器[201]，并由偏振控制器[201]的输出分别接至串联在光纤[1]或[2]中的相位调 制器[206]和偏振调制器[202]，另一路输出接相位控制器[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]、 相位调制器[206]与信号处理分析电路[311]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]以及信号处理分析电路[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。
12. 根据权利要求1或2或3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述定位系 统[106]是偏振调制器[202]串联在由光纤连接的连续单色激光器[101]和合分波 器[203]之间，偏振调制器[202]由电线接偏振控制器201，在由干涉光纤[1]、[2]、 传输光纤[3]和合分波器[203] 、 [204]组成的光纤干涉仪的合分波器[203]上由两 根光纤各连接光电检测器[309]和光电检测器[310],该两光电检测器[309]和光电 检测器[310]的输出各依次串联信号调理电路[312]、信号调理电路[313]、 A/D[314]、 A/D [315]后一并接到运算系统[733]的输入运算系统[733]的输出接 数据输出接口[734];而光电检测器[309 ]或光电检测器[310]有一输出接偏振控 制器[201]，并由偏振控制器[201]的输出接至串联在光纤[1]或[2]中的相位调制 器[206]，另有一输出接相位调制器[205],并由相位调制器[205]的输出接至串联 在光纤[2]或[1]中的相位调制器[206]。
13. 根据权利要求1或2或3所述的光纤安全预警系统，其特征是所述信号识 别系统[107]是在与光纤干涉仪连接的检测器[501 ]输出接信号处理电路[502]，与信号处理电路[502]连接的信号特征值提取模块[503]与专家系统[504]连接后一并再与分析判断系统[505]连接，分析判断系统[505]与本地管理系统[110]连接；连有音频缓存器[507]的音频处理模块[506]之输入接向信号处理电路[502],而输出则接向本地管理系统[110];信号处理电路[502]的另一输出接定位系统[106]，定位系统[106]的输出接视觉数据分析系统[508]后接向本地管理系统[110];而本地管理系统[110]的输出依次串联D/A[509]、放大电路[510]和音频输出设备[511]后接人工识别系统[513]，同时本地管理系统[110]有一输出接视觉输出设备[512]也接人工识别系统[513],本地管理系统[110]还有一输出接通信系统[113]。
全文摘要
本发明是一种埋地管道或构筑物、重要设施与区域的安全保护预警的光纤安全预警系统。涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。它是由激光器[101]和传感系统[102]组成的光路系统经光纤接到光电信号处理电路[105]，传感系统[102]由光纤分别连接相位控制系统[103]、偏振控制系统[104]后由电信号线与光电信号处理电路[105]连接，与光电信号处理电路[105]连接的定位系统[106]接信号识别系统[107]和本地管理系统[110]，与光电信号处理电路[105]连接的信号识别系统[107]输出接本地管理系统[110]；而本地管理系统[110]的输出接报警输出系统[108]、综合管理平台[112]，报警输出系统[108]把报警信息发送。
文档编号H04B10/12GK101098195SQ20061009059
公开日2008年1月2日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者明 倪, 周劲峰, 张金权, 方德学, 林晓舒, 焦书浩, 赢 王, 飞 王, 王小军, 范向红, 澎 郭, 峰 霍 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油天然气管道局