专利名称：基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种埋地管道、构筑物或重要地面构筑物、重要设施与区域的 安全保护预警的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统。涉及机械振动的 测量、相位的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
油气管道作为工业经济的命脉，在国民经济中居于重要位置。由于管道本身 的缺陷、腐蚀、自然老化以及外力引起的第三方破坏造成的油气产品的流失，环 境污染及人员伤害。随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管 道运行监测技术也在不断发展，作为管道监控核心的泄漏检测与安全预警技术一 直受到各国科技工作者的重视。目前国内外己有多种管道泄漏检测技术和方法，但是这种方法只能在管道发 生泄漏之后进行报警，不能够在管道遭到实质性破坏之前进行预警。近年出现一 种基于对管道破坏所产生的声音和振动信号的检测来检测管道遭到的第三方破坏，并进行定位的技术，中国实用新型专利号200320100537. 2等对此类技术做了 详细的描述。这一技术虽然有一定的预警能力，但是受制于系统的通信和供电等 问题有很大的局限性。随着光纤技术的发展，光纤传感也开始应用与管道泄漏检测与安全预警领域， 以光纤传感的原理分主要有干涉型分布式光纤传感技术以及后向散射型分布式光 纤传感技术，干涉型主要代表为中国发明专利申请200410020046.6 、 200410016038及ZL 99814375.8，散射型主要代表为中国发明专利申请 02145502.3。这些系统都声称能够解决管道安全领域的技术问题，但是在信号检 测灵敏度和检测长度的限制，还有系统稳定性方面均存在问题，无法在工业油气 管道现场进行应用。实用新型内容本实用新型的目的是设计一种埋地管道、构筑物或地面重要构筑物、重要设 施与区域检测灵敏度高、定位精度高、单台系统保护距离长的安全保护预警的基 于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统。针对现有问题，本实用新型提出一种基于差动输入的分布式光纤管道安全预 警系统。本实用新型通过检测沿管道铺设的光缆中传输的相干光受到外界威胁事 件扰动时产生的相位差，两東光由于存在相位差发生干涉，通过对干涉信号的识 别与判断可以实现对威胁事件的有效检测。本实用新型与已有技术一样，也包括沿管道敷设的光纤构成的Mach — Zehnder光纤千涉仪。但本实用新型的构成如图1所示，图1中1 ~ 6为光纤解调 系统的接入端口， la 6a为引导光纤，lb， 2b， 3b， 7和8为干线光缆9中的纤 芯。IO为末端盒，ll为首端盒，12a 12d为光电探测器，13a和13b为光的偏振 态控制器，14a 14d为信号调理单元，15为光纤耦合器，16a和16b为模数转换 器，17光隔离器，18为激光光源，19为信号处理计算机，20为光信号解调系统。激光光源18发出的激光经光隔离器17后与光纤耦合器15连接，被光纤耦合 器15分成两束，经过两个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，输出接端 口3、 4经引导光纤3a、 4a，引导光纤3a接光缆9中的纤芯3b， 4a经首端盒11 后接光缆9中的纤芯7、纤芯8，纤芯3b和纤芯7、纤芯8接末端盒10，从末端 盒10接出的纤芯lb、 2b再分别接引导光纤la、 2a并经端口 1和2接光电探测器 12a、 12b，光电探测器12a、 12b输出各接信号调理单元14a、 14b后共同差动输 入模数转换器16a,模数转换器16a的输出接信号处理计算机18的输入;从末端 盒10接出的纤芯7、 8接到首端盒ll后经引导光纤5a、 6a和端口 5、 6分别接光 电探测器12c、 12d，光电探测器12c、 12d输出各接信号调理单元14c、 14d后共 同差动输入模数转换器16b，模数转换器16b的输出接信号处理计算机19的输 入。其中信号调理单元14a 14d(见图2)为双二阶带通有源滤波器，它是由三只 运算放大器Al、 A2、 A3组成的，Al組成的低(高)通有源滤波器经A2组成的反 相器输出再经A3组成的高(低)通滤波器反馈到Al组成的低(高)通有源滤波器输 入，其中心频率可调，且增益不随中心频率变化。光隔离器15可以有效的减少反射光对系统光源的损害，可以有效的提高系统 的工作稳定性；它有巿销产品可选择。首端盒11和末端盒10均为特殊设计的光缆接续盒，盒中均为光纤耦合器(巿 销产品)，不含任何有源器件，防水、防潮、耐腐蚀，可以适合长期埋地使用。光电探测器12a 12d、偏振态控制器13a和13b、光纤耦合器15、模数转换 器16a和16b、光隔离器17、激光光源18、信号处理计算机19均可选择巿销产品。系统的具体实施过程为，激光光源18发出的光，经过光隔离器17被光纤耦 合器15分成两東，经过两个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，然后分 别从端口 3和端口 4进入引导光纤3a和4a。。 4a(以下简称I路)中的光在首端 盒11按功率1: 1被分成相等的两束分别进入7、 8两条单模光纤构成Mach— Zehnder干涉仪的两臂，在两東光的传输过程中，当发生管道泄漏、管道周围施 工、打孔盗油等第三方破坏以及自然灾害(如地震、洪水、泥石流、崩塌以及 山体滑坡)等外界信号扰动时，将导致两光纤长度、直径及折射率发生变化，从 而使两束光的相位发生变化，当两束光在末端控制器10汇合时由于相位差的存在 发生干涉，干涉信号通过l， 2两条光纤传回光信号解调系统的1、 2两个端口被 光电探测器12a、 12b将光信号转换为电信号。电信号通过14a和14b的信号调理 模块差动输入模数转换模块16a，数字信号输入计算机19进行数字信号处理和事 件分析。与此同时3a中的光(以下简称n路)进入干线光缆9的3b纤芯在末端 控制器被分成两束进入7、 8两根单模光纤，在首端控制器ll进行干涉，干涉信 号通过5a、 6a两条引导光纤传回光信号解调系统19的5、 6两个端口，通过12c 和12d两个光电探测器转换为电信号通过14c、14d的信号调理模块差动输入模数 转换模块16b，数字信号输入计算机18进行数字信号处理及分析。使用计算机对I路或II路信号运用数字信号处理方法进行特征分析，可以将 不同的破坏、威胁事件进行分类，有效的避免虛警和误报。同时通过I路和II路 两路光信号传播到光信号解调系统20的时间差，可以实现对威胁事件的有效定 位。光在光纤中的传播速度高达2.0xl08km，因此系统的响应时间极短，在数毫 秒内即可实现对威胁事件的定位。本实用新型的特点在于，对传统的Mach—Zehnder光纤干涉仪进行了改造， 光的发射和接受装置在同一端，另一端为特殊设计的光路接续器，为无源设备， 不需能量供给。并将发生干涉的光信号差动输入计算机，有效的提高了信噪比和 相位灵敏度，从而增强了系统的有效可探测距离。本实用新型中使用的光缆为普通通信光缆，可以为铠装或穿于硅管之中。光 纤的纤芯为普通单模光纤。其中引纤使用六芯光纤，干线光缆需要使用五芯光纤。 光信号解调系统中，光纤均采用熔接方式连接，使用的光纤耦合器的均是按光功 率l: 1均分的Y型耦合器。本实用新型使用的光的偏振态控制器调节从端口 3和端口 4进入光纤传感系统的光为同 一偏振位置，有效的保证了经过数十公里的传播之后到达首端盒11 、末端盒10的光仍然为相干光，避免了传播过程中干涉仪两臂不一致引起的偏振态的改变产生的干涉信号衰落和畸变，因此可以实现更长距离的光纤传感。 本实用新型是一种利用现有油气管道同沟铺设的通信光缆的冗余备用纤芯构成传感回路，实时监测管道沿线的非法开挖、打孔盗油等各种第三方破坏活动，保证油气管道的安全运行。能够实现数十公里的大范围无中继监测，基于特别的定位算法可以实现实时的入侵事件定位和报警。 该系统有效的提高了系统的检测灵敏度和单台系统的有效检测长度，定位精度高。
图1基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统图2双二阶带通有源滤波器电路图l一端口la--引导光纤lb—纤芯2—-端口2a—引导光纤2b--纤芯3—端口3a-一引导光纤3b—纤芯4—-端口4a—引导光纤5—-端口5a—引导光纤6—-端口6a—引导光纤7—-纤芯8—纤芯9—-光缆10—末端盒11--首端盒12a—光电探测器12b-一光电探测器12c—光电探测器12d國一光电探测器13a—偏振态控制器13b-一偏振态控制器14a—信号调理单元14b-一信号调理单元14c一信号调理单元14d-一信号调理单元15—光纤耦合器16a-一模数转换器16b—模数转换器17—-光隔离器18—激光光源19-信号处理计算机20—光信号解调系统具体实施方式
实施例.本例是一试验样机，其光电路连接如图l所示。激光光源18发出的 激光经光隔离器17后与光纤耦合器15连接，被光纤耦合器15分成两東，经过两 个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，输出接端口 3、 4经引导光纤3a、 4a，引导光纤3a接光缆9中的纤芯3b， 4a经首端盒11后接光缆9中的纤芯7、 纤芯8，纤芯3b和纤芯7、纤芯8接末端盒10，从末端盒10接出的纤芯lb、 2b 再分别接引导光纤la、 2a并经端口 l和2接光电探测器12a、 12b，光电探测器 12a、 12b输出各接信号调理单元14a、 14b后共同差动输入模数转换器16a，模数 转换器16a的输出接信号处理计算机18的输入;从末端盒10接出的纤芯7、 8接 到首端盒ll后经引导光纤5a、 6a和端口5、 6分别接光电探测器12c、 12d，光 电探测器12c、 12d输出各接信号调理单元14c、 14d后共同差动输入模数转换器 16b，模数转换器16b的输出接信号处理计算机19的输入。这里信号调理单元14a 14d(见图2)为双二阶带通有源滤波器，它是由三只 运算放大器Al、 A2、 A3组成的，Al组成的低(高)通有源滤波器经A2组成的反 相器输出再经A3组成的高(低)通滤波器反馈到Al组成的低(高)通有源滤波器输 入，其中心频率可调，且增益不随中心频率变化。首端盒11和末端盒10均为特殊设计的光缆接续盒，盒中均为光纤耦合器 13(巿销产品)，不含任何有源器件，防水、防潮、耐腐蚀，可以适合长期埋地使 用。其中所用的激光光源18为超辐射发光管型稳定光源，其光源频率为1550nm; 光电探测12 a—12d为InGaAs光电探测器；光纤耦合器13选深圳朗光科技有限 公司单模标准耦合器，信号调理单元14a—14d按图2所示电路，其中运算放大器 Al、 A2、 A3选AD8512， Rl为10L R2为IOOK， R3为10K, R4为20K， Cl为47PF, C2为47PF;光信号解调系统与外部引导光纤的接口 l一6为FC/APC跳线连接，其 他光纤连接为采用光纤熔接机熔接；模数转换器16a、 16b为NI公司的高速数据 釆集卡6132;信号处理计算机19选择研华公司610系列工控机。本例经现场多次试验,证明能够实现一个站间距数十公里的大范围无中继监 测，基于特别的定位算法可以稳定、可靠地实现实时的入侵事件定位和报警。该 系统将发生干涉的光信号差动输入计算机，有效的提高了信噪比和相位灵敏度， 在管道周围5 m内铲土均可测出，从而有效的提髙了系统的检测灵敏度和单台系 统的有效检测长度，且定位精度高，可达到± lm。
权利要求1. 一种埋地管道、构筑物或重要地面构筑物、重要设施与区域的安全保护预警的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统，包括沿管道敷设的光纤构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪，其特征是激光光源[17]发出的激光经光隔离器[15]后输出被光纤耦合器[15]分成两束，经过两个偏振态控制器[13a]和[13b]转换为同一偏振态，输出经端口[3]、[4]接引导光纤[3a]、[4a]，引导光纤[3a]接光缆[9]中的纤芯[3b]，引导光纤[4a]经首端盒[11]后接光缆[9]中的纤芯[7]、纤芯[8]，纤芯[3b]和纤芯[7]、纤芯[8]接末端盒[10]，从末端盒[10]接出的纤芯[1b]、[2b]再分别接引导光纤[1a]、[2a]并经端口[1]和[2]接光电探测器[12a]、[12b]，光电探测器[12a]、[12b[输出各接信号调理单元[14a]、[14b]后共同差动输入模数转换器[16a]，模数转换器[16a]的输出接信号处理计算机[18]的输入；从末端盒[10]接出的纤芯[7]、[8]接到首端盒[11]后经引导光纤[5a]、[6a]和端口[5]、[6]分别接光电探测器[12c]、[12d]，光电探测器[12c]、[12d]输出各接信号调理单元[14c]、[14d]后共同差动输入模数转换器[16b]，模数转换器[16b]的输出接信号处理计算机[19]的输入。
2. 根据权利要求1所述的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统，其 特征是所述首端盒[ll]、末端盒[10]为光缆接续盒，盒中均为光纤耦合器。
3. 根据权利要求1所述的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统, 其特征是所述信号调理单元[14a] ~ [14d]为双二阶带通有源滤波器，它是由三只 运算放大器A1、 A2、 A3组成的，A1组成的低或高通有源滤波器经A2组成的反 相器输出再经A3组成的高或低阻滤波器反馈到Al组成的低或高通有源滤波器输 入，其中心频率可调，且增益不随中心频率变化。
专利摘要本实用新型是一种基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统。激光光源[18]的激光经光隔离器[17]接光纤耦合器[15]成两路各经偏振态控制器[13a]和[13b]由端口[3]、[4]接引导光纤[3a]、[4a]，引导光纤[3a]接纤芯[3b]，引导光纤[4a]经首端盒[11]后接纤芯[7]、[8]，纤芯[3b]、[7]、[8]接末端盒[10]后由纤芯[1b]、[2b]分别接引导光纤[1a]、[2a]经端口[1]和[2]接光电探测器[12a]、[12b]，输出各接信号调理单元[14a]、[14b]并差动输入模数转换器[16a]后接信号处理计算机[19]；末端盒[10]由纤芯[7]、[8]接首端盒[11]经引导光纤[5a]、[6a]和端口[5]、[6]分别接光电探测器[12c]、[12d]，后各接信号调理单元[14c]、[14d]再差动输入模数转换器[16b]，输出接信号处理计算机[19]。
文档编号G01M3/00GK201096589SQ200720169440
公开日2008年8月6日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者刘广文, 异 孙, 艾慕阳, 蔡永军, 谭东杰, 娟 郑, 陈朋超 申请人:中国石油天然气股份有限公司