分布式光纤管道安全监测装置的制作方法

本发明涉及长距离油气管道监测设备技术领域，具体的说是一种针对长距离油气管道周围的环境反映管道破坏和泄漏的情况的光纤分布式温度和振动同时监测的分布式光纤管道安全监测装置。

背景技术：

众所周知，管道输送是石油或天然气运输的主要支柱，是油气生产的主动脉。我国对管道安全的保障方式薄弱，管道安全的形式十分严峻。近几年，油气管道泄漏燃烧爆炸事件多起，引起大量人员伤亡、经济损失和环境污染。管道故障除自身老化、技术施工问题外，人为恶意破坏、打孔盗油等也是导致管道泄漏的关键隐患，据统计，每年打孔盗油均有上百次，且低速打孔盗油几乎发现不了。管道布设环境复杂，城市周边、山林野外等不同环境，长约几十公里，要实现管道安全的实时监测具有极高的技术难度。

目前各管道公司实现安全监测的方式主要为人工巡检，无法达到实时监测的目的。同时也有相关技术监测手段，如负压波监测方式，主要用于管道突然泄漏时应用，针对小的泄漏和已经发生的泄漏效果不理想。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种通过对管道周围环境特性的变化实现安全的监测，获取管道周围的温度和振动信息，根据对温度和振动信息变化确定泄漏位置并进行报警的分布式光纤管道安全监测装置。

本发明通过以下措施达到：

一种分布式光纤管道安全监测装置，其特征在于包括光源、1个分光比为90:10的1×2分光器、调制器、光放大器、环形器、偏振控制器、3个分光比为50:50的1×2分光器、传感光缆、频移器、3个2×2分光器、3个平衡探测器、偏振分束器、多路高速采集器、控制卡和工控机，其中光源与分光比为90:10的1×2分光器的输入端相连，1×2分光器的两路输出端中90%一路输出与光调制器的输入端相连，光调制器的输出端与光放大器的IN端相连，光调制器的脉冲调制端与控制卡的脉冲控制端相连；放大器的OUT端与环形器的端口1相连，环形器的端口2与传感光缆相连，环形器的端口3与分光比为50：50的1×2分光器1的输入端相连；分光比为90:10的1×2分光器的10%一路输出连接偏振控制器的光输入端，偏振控制器的电控端口与控制卡的电控端相连，偏振控制器的输出端与分光比为50:50的1×2分光器2的输入端相连；2个分光比为50:50的1×2分光器的输出端1分别连接温度探测模块，2个分光比为50:50的1×2分光器的输出端2分别连接振动探测模块；其中温度探测模块中分光比为50:50的1×2分光器2的输出端1与频移器输入端相连，频移器的输出与2×2分光器一的输入端2相连；分光比为50：50的1×2分光器1的输出端1与2×2分光器一的输入端2相连，2×2分光器一的2个输出端与平衡探测器一的光输入端相连，平衡探测器一的输出端作为温度探测模块的输出与多路高速采集器通道1相连；振动探测模块中分光比为50:50的1×2分光器1的输出端2与偏振分束器的输入端相连， 分光比为50:50的1×2分光器2的输出端2与分光比为50:50的1×2分光器三的输入端相连，分光比为50:50的1×2分光器三输出端1和偏振分束器输出端1与2×2分光器二的2个输入端相连，2×2分光器二的2个输出端与平衡探测器二的光纤输入端相连，分光比为50:50的1×2分光器三输出端2和偏振分束器输出端2与另一路2×2分光器三的2个输入端相连，2×2分光器三的2个输出端与平衡探测器三的光纤输入端相连，2个平衡探测器的输出端作为振动探测模块输出与多路高速采集器通道2和通道3相连；多路高速采集器同步端与控制卡相连，多路高速采集器输出端与上位机相连；控制卡信号端与上位机的控制输出端相连。

本发明中所述的光源为超窄线宽激光器，线宽小于5kHz，频率稳定性小于50MHz，输出功率大于20mW，保偏特性，偏振消光比大于23dB，可采用DFB激光管和超窄线宽光纤激光器来实现；

本发明中所述的调制器，消光比大于40dB，回波损耗大于40dB，上升时间小于20ns，可采用声光调制器、电光调制器和半导体光放大器实现脉冲信号的调制作用；

本发明中所述1×2分光器（90:10），分光比为90:10，主要实现探测光和差分参考光的区分；

本发明中所述的光放大器，能够进行脉冲信号的放大，放大器峰值功率输出大于2W，可采用掺铒光纤放大器来实现；

本发明中所述的偏振控制器，为电控偏振控制器，可通过信号实时调整输入光的偏振态，保证其偏振态与探测信号一致；

本发明中所述1×2分光器（50:50），分光比为50:50，主要实现1路信号均分两路或两路信号耦合成1路的功能；

本发明中所述频移器，主要实现光信号频移的作用，可采用声光调制、电光调制等方式实现；

本发明所述的光环形器，为3端口环形器，分别为1端口进2出，2端口进3端口出，端口之间隔离度大于40dB，各通道插损小于0.7dB;

本发明中所述传感光缆，采用特制振动光缆，在保证适应室外环境的同时，内部光纤不受应力影响，振动敏感性强，以适应信号的准确探测；

本发明中所述的2×2分光器，主要实现2路信号汇聚和分离，进入平衡探测器进行探测；

本发明中所述的平衡探测器，要求输入两路相位差180度的光信息，进行相干探测，能够有效滤除直流信号，直接探测有用信息，同时结合放大和滤波电路，实现探测信号放大和处理；

本发明中所处的偏振分束器，将散射信号两个方向的偏振光分离成各自的线偏振光，进行两个方向的光的相干探测；

本发明中所述的多路高速采集器，分为数据采集模块、FPGA及外围电路组成，采集模块采用了3片高速ADC及差分电路组成，最高采样速率可达100MSPS。FPGA用于控制外围电路的工作状态及整个系统的工作时序，其主要功能有：1、实现了对3路采集ADC的启动及停止采集单独进行控制功能；2、采用内部的RAM块构建存储单元实现了对采集数据的累加功能，累加次数最高高达25.6万次；3、采用高速PCIE传输机制，保证信号实时准确传输 ；

本发明中所述的控制卡，主要实现调制信息、偏振控制信息和同步信息的传导，对调制器、偏振控制器和采集器实现实时控制；

本发明中所述的上位机，可采用整机工控机或工控主板实现，工控机可与采集卡交互，将采集到的数据上传后进行数据处理，并根据采集数据分区控制方式，给控制卡发送控制指令；同时发出报警信息和进行设备联动。

附图说明

图1是分布式光纤管道安全监测系统实现方法框图

图2是温度探测模块详细设计及器件构成示意图

图3是振动探测模块详细设计及器件构成示意图

附图标记：光源1、1×2分光器（90:10）2、调制器3、光放大器4、环形器5、传感光缆6、1×2分光器1（50:50）7、偏振控制器8、1×2分光器2（50:50）9、温度探测模块10、振动探测模块11、多路高速采集器12、控制卡13、上位机14、频移器15、2×2分光器一16、平衡探测器一17、偏振分束器18、1×2分光器三19、2×2分光器二20、平衡探测器二21、2×2分光器三22、平衡探测器三23。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

第一，光源部分（1）输出连续光信号，经过1×2分光器（90:10）（2）分为90%一路和10%一路输出；

第二，90%输出光信号送入调制器（3），调制器受控制卡驱动，对光源的光进行脉冲调制，将连续光转化为脉冲光，后经光放大器（4）进行光信号放大，提升光功率；

第三，放大后的脉冲光经环形器（5）输出到传感光缆（6）中，传感光缆产生的后向散射信号经环形器（5）返回，被1×2分光器1（7）分为2路，其中一路用于温度探测，另一路用于布里渊探测；

第四，10%输出光信号送入偏振控制器（8），偏振控制器调节的偏振方向受驱动卡控制，偏振控制器调整后的信号被1×2分光器2（9）分为2路，其中一路用于温度探测，另一路用于布里渊探测；

第五，2个分光器的温度探测输出信号进入温度探测模块（10），其内部将1×2分光器2输入的连续光信号通过频移器（15）进行移频，移频到与布里渊信号同频段，移频后的信号与1×2分光器1输入的散射信号通过2×2分光器一（16）进行相干后分开，分开两束光相位相差180度，经过平衡探测器一（17）进行外差探测，其输出信号作为温度探测信号通过多路高速采集器（12）采集；

第六，2个分光器的振动探测输出信号进入振动探测模块（11），其内部将1×2分光器1输入的散射光信号进过偏振分束器（18）分为正交两路线偏振光；1×2分光器2输入的连续光信号经过1×2分光器三分为两路，分别与两路偏振光的两路各自进入2×2分光器二（20），2×2分光器三（22），2×2分光器进行相干后分开，分别经平衡探测器二（21）和平衡探测器三（22）探测输出，两路输出信号作为振动探测信号通过多路高速采集器（12）采集；

第七，高速采集器（12）内设3路ADC探测，进行模数转换，同时将采集到的数字信号上传上位机（14）进行数据处理和计算，同时上位机（14）与控制卡（11）之间通过USB或PCI进行接口通信，完成上位机对底层硬件控制。