专利名称：光纤安全预警偏振控制系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种埋地管道或抅筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤安 全预警偏振控制系统，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)实时釆集管道泄漏的 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l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 系统存在着因相位衰落和偏振衰落引起的信号消隐，不稳定，很难有效工作。
发明内容
本发明的目的是发明一种埋地管道或构筑物或重要设施与区域安全保护的光 纤预警系统稳定光路偏振态的光纤安全预警偏振控制系统。
针对现有的管道安全监测技术存在的问题，本发明提出一种基于采用偏振衰 落控制技术的双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，消除了因偏振衰落
引起的信号消隐，形成了具有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或重 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千涉臂和传输光纤， 进而形成连续分布式的土壤振动检测传感器，稳定地拾取管道附近沿线土壤的振 动信号。当然后接定位系统，根据两路激光信号的传输时间差值分析计算出管道附 近沿线的土壤振动事件的发生位置;接信号识别系统及其它系统还可确定引起土 壤振动事件的性质和类别，进行数据远传或者本地报警。
本发明有两种技术方案，第一方案如图l所示，包括与管道同沟敷设或敷于构 筑物周围地下的三根光纤l、 2及由合分波器203、合分波器204与光纤1、 2组 成的马赫-曾德(Mach-Zehnder )光纤干涉仪及激光器IOI,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再接三根光纤 1、 2、 3到合分波器204构成马赫-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407和光电检测器408，该两光电检测器407 和光电检测器408后分别连接信号处理电路409，信号处理电路409输出接偏振控
制器201，偏振控制器201与偏振调制器202电连接，并用光纤接串联在光纤1或2中 的相位调制器206。
其电原理如图3所示，串联在由光纤连接的激光器101和合分波器203之间 的偏振调制器202输入由电信号线接偏振控制器201的输出，偏振控制器201的 输入接偏振控制主机409的输出，由光纤连接合分波器203的双光电检测电路 407-408输出接I/O后，接偏振控制主机409的输入，偏振控制主机409的输出由 电信号线接串联在光纤1或2中的相位调制器206。在具体组成电路时，信号处 理电路409完全可由偏振控制主机409替代处理，。
其中所述激光器101为连续单色激光器。
所述光电检测器407、光电检测器408、信号处理电路409、偏振控制主机409、 偏振控制器201、偏振调制器202、相位调制器206均有市销产品可供选择。
偏振控制器201与相位调制器206以及信号处理电路409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。
第二种技术方案是激光器101通过光纤接扰偏器410,再由光纤接到与合 分波器204和三根光纤1、 2、 3构成马赫-曾德(Mach-Zehnder )光纤干涉仪 的合分波器203，而合分波器203由光纤分别连接检偏器412和检偏器413,检 偏器412和检偏器413分别接偏振检测器407和偏振检测器408后均由电信号线 接至信号处理电路409。
此方案的电原理如图4所示，激光器101通过光纤接到扰偏器410的输入， 扰偏器410的输出再由光纤接到光纤干涉仪的合分波器203，而合分波器203 由光纤分别接检偏器412、检偏器413的输入，检偏器412、检偏器413的输出分 别接偏振检测器407和偏振检测器408的输入，偏振检测器407和偏振检测器 408的输出接信号处理单元411的输入。
其中所述激光器101为连续单色激光器。
所述扰偏器410、检偏器412、检偏器413、偏振检测器407、偏振检测器408、 信号处理电路409、信号处理单元411均有巿销产品可供选择。 本发明的实现原理是
(l)在非保偏光纤干涉仪上传播的两束偏振光有任意的偏振态，光纤干涉仪 输出光强信号经光电转换后可以写成
F0 ocl + rcos(么+A + 0o) + F" 其中，y。是输出的电压信号，K是干涉仪的可视度，^是电路附加噪声，-、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，^为干涉仪 的初始相位，是个常量，^为位相差的低频漂移，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K在0 1之间随机变化，此现象被称为光纤干涉仪的偏振诱导信号衰 落现象。
干涉型光纤安全预警系统基于采用了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同一干涉仪两次利用光路结构。当千涉的两束光 为线偏振光，振幅相等，且偏振方向一致时，干涉仪的可见度为1，信号达到最
好干涉；当两東光偏振方向相互垂直时，干涉项为0,信号完全衰落；而光纤传 感器途经管道沿线的环境变化非常复杂，干涉的两東光经远距离传输后，为椭圆 偏振光，并随时间缓慢变化，干涉仪的可见度一般小于l,且随环境而随机变化。 这种由于偏振态的变化而导致干涉信号的随机衰落,导致检测信号的信噪比变化, 这是在进行光纤安全预警系统信号检测时不愿意看到的现象。
针对这种现象，本发明提出了两种方案，其中，第一种图1，激光器输出 的激光进行偏振态控制，在光纤千涉仪的一个干涉臂上加上偏振调制器和相位调 制器，或者在两个光纤干涉臂上分别加上偏振调制器和相位调制器，偏振调制器 在干涉仪上调制一个频率为F的调制信号，频率F的大小必须在光纤安全预警系 统检测到的有用信号频率范围以外，否则，该调制信号将会对整个系统的性能造 成影响。在接收端通过对频率F信号的分析，得到干涉仪偏振态的变化情况，偏 振控制器根据偏振态变化量对光纤干涉仪进行控制，使其干涉可视度达到需要的 值。另外，在对干涉仪进行偏振态控制的时，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，通过相位调制修正 两路信号的相位差值，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。
第二种是图2,在干涉仪的光源输入端加上一个扰偏器和在输出端放置一个 任意方向的光学检偏器，高频扰偏器与后面检偏器共同作用的结果相当于使检偏 器高速旋转，它的物理意义是使光纤干涉仪输出信号高速投影在不同的检偏器， 经高通滤波后而取得某一种平均值。
图1和图2中，1、 2和3为三根光纤，其中光纤l、 2为干涉光纤，光纤3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，通过光纤到图1中得偏振控制器201或者图2 中的扰偏器407,由光纤到合分波器403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。
图l中，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；图l中，偏振检测器407 和408检测出干涉仪两路输出光的偏振态，送给信号处理电路409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和信号处理电路409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，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，通过相位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。
图2中，激光器101输出的激光被扰偏器410高速扰偏，干涉仪输出的两路干 涉光被检偏器412和413检偏，它的物理意义是使光纤干涉仪输出信号高速投影在 不同的检偏器，经高通滤波后而取得某一种平均值，使得系统达到一个稳定偏振 态。
图1光纤安全预警偏振控制系统原理框图[方案1] 图2光纤安全预警偏振控制系统原理框图[方案2] 图3光纤安全预警偏振控制系统电原理图[方案1] 图4光纤安全预警偏振控制系统电原理图[方案2] 其中IOI—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 206—相位调制器 407—偏振检测器 408 —偏振检测器
409—信号处理电路 410—扰偏器
411一信号处理单元 412—检偏器 413—检偏器
具体实施例方式
实施例1.以本例来说明本发明的具体实施方式
并对本发明作进一步的说明。 本例是一实验样机，其构成如图l所示，电路如图3所示。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。偏振调制器202输入由 电线接偏振控制器201的输出，偏振控制器201的输入接偏振控制主机409的输 出，由光纤连接合分波器203的双光电检测电路407-408输出接1/0后，接偏振控 制主机409的输入，偏振控制主机409的输出由电线接串联在光纤1或2中的相 位调制器206。在具体组成电路时，信号处理电路409完全可由偏振控制主机409 替代处理。
其中单频激光器101选型号:K0HERAS 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;偏振控制器主机 201-1型号:NI PXI-1042 8-Slot 3U CPU: PXI-8186 P4 2.2 1/0: NI PXI-5112, 2 channel, 100 MHz, 32 MB/ Channel, 8-bit ; PXI- 6111 A /D 2channel 12b" ,D/A2cha画l 12bit;偏振控制器201-2及偏振调制器202型号OZ OPTICS EPC-400 EPC DRIVER-04-RS232;相位调制器206: 0Z Optics f ice PZ-STD-FC/PC; 偏振检测器407和偏振检测器408由光电检测电路407-408替代，选型号通 用电路两光纤输入口，输入范围-20~-45dBm，输出范围-3V ~+3V;信号处理 电路409改由偏振控制主机409处理。
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，马赫-曾德(Mach-Zehnder )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。偏振控制器201、相位调 制器206与信号处理电路409、马赫-曾德(Mach-Zehnder )光纤干涉仪组成偏 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、在管道上焊 接、打孔均能有效测知，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；且稳定、可靠、无漏检。
本系统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。
实施例2.本例是一实验样机，其构成如图2所示，电路如图4所示。激光器 101通过光纤接到扰偏器410后，再由光纤接到与合分波器204和三根光纤1、 2、 3构成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪的合分波器203，而合分波 器203由光纤分别连接检偏器412和检偏器413的输入，检偏器412和检偏器413 的输出接偏振检测器407和偏振检测器408的输入，偏振检测器407和偏振检 测器408的输出均由电信号线接至信号处理单元411。
其中单频激光器101选型号OHERAS ADJUSTIK HP E15;扰偏器410:扰偏器 型号EXFO公司的IQS-5100B;检偏器412、 413:Phoenix Photonics公司 POL-20-15-PP-1-0;偏振检测器407和偏振检测器408 :偏振分量探测器 PDD-OOl-13-SM-NC;信号处理单元411:信号处理单元411由偏振控制主机处理。
本实验样机经某管线实际使用、测试，对地面动土开挖、触动管道、在管道 上焊接、打孔均能有效测知，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；且稳定、可靠、无漏检。
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 确判断事件类别；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光纤安全预警系统光路偏振衰落引 起的信号消隐难题。
权利要求
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控制系统，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]及由合分波器[203]、合分波器[204]与光纤[1]、[2]组成的马赫-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，而合分波器[203]由光纤各连接光电检测器[407]和光电检测器[408]，该两光电检测器[407]和光电检测器[408]后分别连接信号处理电路[409]，信号处理电路[409]输出接偏振控制器[201]，由偏振控制器[201]用电信号线接到偏振调制器[202]及用光纤接串联在光纤[1]或[2]中的相位调制器[206]。
全文摘要
本发明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控制系统。一是偏振调制器[202]串在激光器[101]和与合分波器[204]、光纤[1]、光纤[2]组成马赫-曾德光纤干涉仪的合分波器[203]间，合分波器[203]各连接光电检测器[407]、[408]，光电检测器[407]、[408]后分别接信号处理电路[409]，信号处理电路[409]输出接到接偏振调制器[202]及接串联在光纤[1]或[2]中相位调制器[206]的偏振控制器[201]。二是激光器[101]接扰偏器[410]后接合分波器[203]，合分波器[203]分别连接检偏器[412]、[413]，检偏器[412]、[413]输出分别接偏振检测器[407]、[408]的输入，偏振检测器[407]、[408]输出均接至信号处理单元[411]。
文档编号G01P15/00GK101097281SQ200610090599
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
发明者宇 历, 张金权, 方德学, 杨文明, 林晓舒, 焦书浩, 赢 王, 飞 王, 王小军, 闫会朋, 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