專利名稱：用于長(zhǎng)途管線安全監(jiān)測(cè)的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬長(zhǎng)途油、水、氣等輸送管道和通信光纜安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種用光纖干涉原理對(duì)長(zhǎng)途管線進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的方法以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)途油、水、氣等輸送管道和長(zhǎng)途通信光纜多分布在荒郊野外等無(wú)人留守的地方，易受到外界人為和突發(fā)性自然災(zāi)害(如地震、滑坡等)的破壞，發(fā)生泄漏或斷裂等事故。這些事故在造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，油氣的泄漏還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染等問(wèn)題，所以對(duì)埋設(shè)在野外的管線進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)尤為重要，而如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并精確定位破壞性事故更是管線安全監(jiān)測(cè)的一大難題。
對(duì)長(zhǎng)途油、水、氣等輸送管道的監(jiān)測(cè)目前主要有以下幾類方法1、監(jiān)測(cè)管壁狀況的方法監(jiān)測(cè)管壁狀況的方法是利用管內(nèi)探測(cè)球PIG或在管外壁安裝一種對(duì)油、氣敏感的特殊傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)管壁是否有泄漏。探測(cè)球的方法主要依靠人手持射線探測(cè)器在地面上跟蹤管內(nèi)漂流的PIG，這種方法能準(zhǔn)確探測(cè)和定位泄漏的發(fā)生，但只能間斷進(jìn)行，不能對(duì)管道全線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且探測(cè)球在管內(nèi)隨介質(zhì)漂流，易發(fā)生堵塞。在管外壁安裝特殊傳感器的方法需要安裝多個(gè)對(duì)油氣敏感的傳感器，工程造價(jià)昂貴，一旦傳感器沾染上油氣后需要更換，不能重復(fù)使用，這種方法不能用于對(duì)輸水管道的監(jiān)測(cè)。
2、監(jiān)測(cè)管內(nèi)液體狀態(tài)的方法監(jiān)測(cè)管內(nèi)液體狀態(tài)的方法主要有模型法和基于信號(hào)處理的監(jiān)測(cè)方法。模型法是通過(guò)建立管道的實(shí)時(shí)模型，在線估計(jì)管線的壓力和流量，并與壓力或流量的實(shí)測(cè)值相比較來(lái)進(jìn)行泄漏故障診斷。這種方法需要對(duì)管線建模，模型的好壞直接影響到定位判斷的準(zhǔn)確性；另外，該方法還需要在管線上安裝大量測(cè)量壓力或流量的設(shè)備，實(shí)用性受到限制?；谛盘?hào)處理的方法是通過(guò)探測(cè)管道發(fā)生泄漏時(shí)所形成的負(fù)壓波來(lái)進(jìn)行泄漏判斷，根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號(hào)的時(shí)間差和負(fù)壓波的傳播速度定出泄漏點(diǎn)。由于實(shí)際管線中的壓力信號(hào)中混雜有大量的噪聲，這些噪聲既有來(lái)自儀器儀表的測(cè)量噪聲，也有輸送過(guò)程中的隨機(jī)噪聲和外界干擾，所以這種方法較為復(fù)雜，易受噪聲的干擾而發(fā)生虛警或漏報(bào)。
3、使用強(qiáng)度型分布式光纖傳感器的方法對(duì)管道的泄漏監(jiān)測(cè)，近來(lái)發(fā)展了一種強(qiáng)度型分布式光纖傳感器的方法，它利用光纖作傳感元件來(lái)探測(cè)管道泄漏的發(fā)生。其原理是利用外部事件對(duì)光纖傳輸特性的影響，通過(guò)檢測(cè)光纖中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)變化來(lái)判斷管道泄漏和外力作用，通過(guò)檢測(cè)光纖中背向散射光來(lái)定位泄漏發(fā)生的位置。這種方法可以在光纖長(zhǎng)度上進(jìn)行全線監(jiān)測(cè)，但由于該方法是根據(jù)光損耗來(lái)判斷外部事件，存在探測(cè)靈敏度低，監(jiān)測(cè)距離短，難以判斷破壞事件的類型等缺點(diǎn)。其原因在于光纖外面有很厚的保護(hù)層，且埋于地下，光纖中傳輸?shù)募す庠谛孤┑韧獠渴录挠绊懴伦兓苄?；如果用單模光纖作傳感元件，這種變化就更小，探測(cè)靈敏度很低，判斷外部事件的能力有限；如果選用多模光纖作傳感元件，探測(cè)靈敏度雖然比單模光纖高，但對(duì)激光的傳輸損耗增大，限制了該方法的監(jiān)測(cè)距離。
對(duì)長(zhǎng)途通信光纜的監(jiān)測(cè)目前主要有光時(shí)域反射法。
光時(shí)域反射法的基本原理是利用外界對(duì)光纖背向散射光的影響，定位出事件(如斷裂)發(fā)生的位置。當(dāng)有外力作用在光纖上時(shí)，此法可以探測(cè)外力的大小和位置，但存在靈敏度差、不能判斷事件類型等缺點(diǎn)。
在上述方法中，監(jiān)測(cè)管壁狀況和監(jiān)測(cè)管內(nèi)液體狀態(tài)的方法只能在泄漏發(fā)生后才用于檢測(cè)泄漏點(diǎn)，不具備預(yù)先告警的能力。而對(duì)長(zhǎng)途油氣管道的監(jiān)測(cè)，如果僅僅在泄漏發(fā)生后才進(jìn)行，此時(shí)泄漏已經(jīng)發(fā)生，污染和損失已不可避免；而實(shí)際情況是管道的許多破壞事故是可以避免的，比如有人在管線上鉆孔，或者有挖掘機(jī)正在管線上方作業(yè)，當(dāng)這些事件嚴(yán)重威脅管道安全時(shí)，如能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取適當(dāng)措施，完全可以避免管線被人為破壞，減小因管道泄漏或通信中斷帶來(lái)的巨大損失。而強(qiáng)度型分布式光纖傳感器的方法雖可以對(duì)管道的全線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)外部事件施加在管線的作用有一定的監(jiān)測(cè)能力，但由于其原理的缺陷，存在探測(cè)靈敏度低、監(jiān)測(cè)距離短、判斷威脅事件類型的能力差等不足。用光時(shí)域反射計(jì)對(duì)長(zhǎng)途通信光纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法主要存在靈敏度差和不能判斷事件類型等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種高靈敏度的長(zhǎng)途管線安全監(jiān)測(cè)的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度、增加監(jiān)測(cè)距離，并對(duì)存在的威脅事件及其類型、發(fā)生位置做出準(zhǔn)確的判斷，從而在泄漏或斷裂發(fā)生前就探知破壞行為的發(fā)生和準(zhǔn)確定位破壞行為發(fā)生的位置。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下1、在長(zhǎng)途管線附近并行埋設(shè)包含有三條單模光纖的光纜作為分布式傳感元件，當(dāng)外界自然或人為事件對(duì)管線和光纜有外力作用或影響時(shí)，光纖的傳播特性會(huì)發(fā)生變化。
2、利用其中兩條單模光纖，通過(guò)設(shè)置窄線寬激光器、耦合器、相位偏置元件、偏振控制元件、無(wú)源反射器和干涉檢測(cè)模塊構(gòu)成超長(zhǎng)光程和超大相位差的邁克爾遜干涉儀，利用干涉法的超高靈敏度特性探測(cè)外部事件對(duì)單模光纖所施加的微弱影響，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、處理，從而探測(cè)出發(fā)生在管線上的外部事件。
3、通過(guò)在邁克爾遜干涉儀的光路中設(shè)置周期相位調(diào)制單元，在硬件和軟件中增加信號(hào)濾波、頻譜分析等功能，提取光纖所受外力作用的特征，從而判斷事件的類型及其可能存在的危害，對(duì)重大威脅發(fā)出告警。
4、在另一單模光纖的輸入端設(shè)置背向散射檢測(cè)模塊，構(gòu)成光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)，當(dāng)干涉儀發(fā)現(xiàn)管線上有重大事件后，處理計(jì)算機(jī)啟動(dòng)光時(shí)域反射計(jì)；光時(shí)域反射計(jì)利用光纖的傳輸特性在外力作用下會(huì)發(fā)生變化這一特點(diǎn)，檢測(cè)背向散射光強(qiáng)度發(fā)生的突變，從而定位出外部事件發(fā)生的具體位置；光時(shí)域反射計(jì)在處理計(jì)算機(jī)的控制下，可以在粗定位基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)外部事件的精確定位。
在上述方案中，核心問(wèn)題是保證超長(zhǎng)光程、超大相位差的兩束光能產(chǎn)生干涉的條件，如果被監(jiān)測(cè)的管線長(zhǎng)到幾十公里，兩束光的光程和光程差非常大，超出了激光器的相干長(zhǎng)度，因此在標(biāo)準(zhǔn)邁克爾遜干涉儀中增加了相位偏置單元、偏振控制單元以及采用窄線寬激光器來(lái)保證兩束光能滿足干涉儀的相干條件。
在上述方案中，在干涉儀的一條光路中增加了相位調(diào)制單元，產(chǎn)生一個(gè)固定的頻譜信號(hào)，通過(guò)分析在此基礎(chǔ)上疊加的事件的頻譜信號(hào)，可以判斷事件的類型。
實(shí)現(xiàn)所述方法的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下結(jié)構(gòu)1、在長(zhǎng)途管線附近并行埋設(shè)包含三條單模光纖的光纜，作為分布式傳感元件。如果被監(jiān)測(cè)對(duì)象是長(zhǎng)途通信光纜，也可以利用該通信光纜中的備用單模光纖作為分布式傳感元件。
2、在其中兩條單模光纖的一端設(shè)置激光器、2×2耦合器、偏振控制單元、相位偏置單元、相位調(diào)制單元和干涉檢測(cè)模塊，另一端分別設(shè)置無(wú)源反射器，構(gòu)成光纖邁克爾遜干涉儀；激光器由處理計(jì)算機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制；相位調(diào)制單元由處理計(jì)算機(jī)通過(guò)振蕩器進(jìn)行控制；干涉檢測(cè)模塊包括探測(cè)器和采集電路，由采集電路連接處理計(jì)算機(jī)；處理計(jì)算機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波、頻譜變換等處理。
3、在另一單模光纖的輸入端設(shè)置背向散射檢測(cè)模塊，構(gòu)成光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)；背向散射檢測(cè)模塊由處理計(jì)算機(jī)控制。
本發(fā)明中，干涉檢測(cè)模塊中探測(cè)器的主要功能是探測(cè)干涉圖像的變化，從而解出外部事件的頻域特征。干涉條紋的強(qiáng)度變化是由相位調(diào)制單元的周期相位調(diào)制和外部事件對(duì)單模光纖的影響共同作用引起的。相位調(diào)制單元對(duì)經(jīng)過(guò)的激光施加0～2π的周期相位延遲，當(dāng)沒(méi)有外部事件時(shí)，干涉條紋強(qiáng)度呈現(xiàn)周期的變化，在頻譜上會(huì)出現(xiàn)和調(diào)制頻率相同的基頻成分；當(dāng)有外部事件干擾時(shí)，干涉條紋強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的變化。探測(cè)器則將干涉條紋的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)濾波、頻譜變換等處理，用頻譜分析的方法可獲得外部事件的頻域特征。該探測(cè)器可以采用光電探測(cè)器，也可以是采用高速攝影裝置。
本發(fā)明中的處理計(jì)算機(jī)可以用工業(yè)計(jì)算機(jī)，也可以用有計(jì)算和控制功能的嵌入式系統(tǒng)。它主要完成的功能有保證干涉檢測(cè)模塊和背向散射檢測(cè)模塊的同步；采集探測(cè)器轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)；對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜變換等處理，用頻譜分析的方法判斷事件的類型，預(yù)測(cè)事件危害程度，必要時(shí)自動(dòng)報(bào)警。
本發(fā)明中，監(jiān)測(cè)對(duì)象可以是埋于地下的長(zhǎng)途油氣管道，也可以是埋于地下的長(zhǎng)途通信光纜。
本發(fā)明可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將沿長(zhǎng)途管線分布的多個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)大的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、檢測(cè)靈敏度高由于干涉法是以波長(zhǎng)為計(jì)量單位，1/4波長(zhǎng)的變化就可引起干涉條紋的變化，所以即使是埋設(shè)在地下并且有很厚覆層的光纖，也會(huì)對(duì)外部事件比較敏感。相比之下，強(qiáng)度法則需要光纜中的光纖受外力作用彎曲使包層發(fā)生泄漏才能有明顯變化，對(duì)泄漏發(fā)生前的形為不敏感。
2、監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)本發(fā)明選用對(duì)激光傳輸損耗比較小的單模光纖作為傳感元件，單個(gè)監(jiān)測(cè)站可以連續(xù)無(wú)中繼監(jiān)測(cè)幾十公里以上的距離。
3、可以準(zhǔn)確判斷外部事件的類型在某一時(shí)刻，施加在管線上的事件類型很多，比如有汽車從管線上方經(jīng)過(guò)，有挖掘機(jī)在地面施工，或者有人在管線上鉆孔等，由于這些事件都有自己相對(duì)明顯的頻域特征，本發(fā)明利用光纖干涉法獲取這一特征，用頻譜分析的方法可以準(zhǔn)確判斷出施加在管線上的事件類型。
4、故障定位精度高將光時(shí)域反射計(jì)的粗定位和精定位功能有機(jī)結(jié)合，可以將外部事件的定位精度提高到幾米。
5、可以實(shí)現(xiàn)重大威脅的自動(dòng)告警本發(fā)明能預(yù)先偵知重大破壞事件的發(fā)生，如有挖掘機(jī)在管線上面施工，或有人在管道上鉆孔，這些事件對(duì)管線的安全有重大隱患，如不及時(shí)排除，可能會(huì)對(duì)管線造成嚴(yán)重破壞，帶來(lái)不可挽回的重大損失；本發(fā)明由于有高靈敏度的特點(diǎn)，使得這些破壞行為正在進(jìn)行時(shí)，就可被發(fā)現(xiàn)，在處理計(jì)算機(jī)中設(shè)置一定的判斷條件可以實(shí)現(xiàn)重大威脅的自動(dòng)告警。
6、可以對(duì)管線全程進(jìn)行監(jiān)測(cè)由于采用光纖作傳感元件，一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是光纖上任何一點(diǎn)如果受到外力作用都會(huì)有信號(hào)輸出，即光纖上的任何一點(diǎn)都具有傳感的功能，所以不存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題。
7、可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途管線的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)本發(fā)明的單個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)數(shù)十公里的管線，通過(guò)將沿長(zhǎng)途管線分布的多個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可以組成長(zhǎng)途管線的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。


圖1本發(fā)明的實(shí)施方案1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2本發(fā)明的實(shí)施方案2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3長(zhǎng)途管線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明的長(zhǎng)途管線安全的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法利用在管線附近與管線并行鋪設(shè)的單模光纖光纜作為分布式光纖傳感元件，當(dāng)有外力作用在光纖上時(shí)，會(huì)使光纖的傳輸特性發(fā)生變化，采用光纖干涉法可感知外部事件對(duì)管線和光纜所施加的微弱作用和影響，然后用頻譜分析的方法提取該外部事件的頻域特征，以此為依據(jù)判斷事件的類型并預(yù)測(cè)該事件對(duì)管線可能存在的危害；同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)光纖背向散射信號(hào)和外部事件的頻域特征信號(hào)進(jìn)行融合處理，可準(zhǔn)確判斷外部事件的類型、位置，并預(yù)測(cè)事件的可能危害，必要時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)。
本發(fā)明的實(shí)施例如下1、在管線附近與管線并行鋪設(shè)一條或幾條單模光纖光纜作為分布式光纖傳感元件。如果監(jiān)測(cè)對(duì)象是長(zhǎng)途油氣管道，在長(zhǎng)途管道上方與管道并行埋設(shè)一條或幾條單模光纜，其中至少應(yīng)含有三條可用的單模光纖；如果被監(jiān)測(cè)對(duì)象是長(zhǎng)途通信光纜，可選取其中的三條備用單模光纖用作傳感元件。
2、實(shí)施方案1參見圖1，在單模光纖6和7靠近監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一端，設(shè)置窄線寬激光器1、2×2耦合器2、偏振控制單元3、相位偏置單元4、相位調(diào)制單元5和干涉檢測(cè)模塊13，在末端分別設(shè)置無(wú)源反射器9和10；實(shí)施方案2參見圖2，將2×2耦合器2替換為Y分束器18、19、20，此時(shí)在干涉檢測(cè)模塊中增加一個(gè)Y分束器21作為光纖干涉儀，并將相位調(diào)制單元5的位置調(diào)整到Y(jié)分束器19和21之間，將偏振控制單元3、相位偏置單元4設(shè)置在Y分束器18和19之間。
上述方案中，檢測(cè)外部事件特征的核心部件是干涉檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)方法參見圖1，窄線寬激光器1在處理計(jì)算機(jī)17和驅(qū)動(dòng)電路16的控制下，發(fā)出窄線寬的連續(xù)單色激光，從A端注入耦合器2；2×2耦合器2將注入的激光分成兩束，分別從C和D端輸出；從C端輸出的光經(jīng)過(guò)偏振控制單元3、單模光纖6后，在光纖末端被無(wú)源反射器9反射回來(lái)，從C端進(jìn)入2×2耦合器2，這束光在2×2耦合器2中又被分為兩束，一束從A端返回到激光器，另一束從B端輸出；同理，從D端輸出的激光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制單元5、單模光纖7后，在光纖末端被無(wú)源反射器10反射回來(lái)，從D端進(jìn)入2×2耦合器2后也被分成兩束，一束返回激光器，另一束從B端輸出；兩束從2×2耦合器2的B端輸出的光是相干光，干涉后送入干涉檢測(cè)模塊中，在探測(cè)處形成干涉；當(dāng)上述兩束激光在單模光纖中傳播時(shí)，如果有外力作用在管線上方，會(huì)影響到光纖的傳播特性，由于兩條單模光纖的位置不同，所受到的外界作用也不相同，這使得兩束光的光程差會(huì)發(fā)生變化，從而引起干涉條紋的變化；相位調(diào)制單元5由處理計(jì)算機(jī)17通過(guò)振蕩器13進(jìn)行控制；探測(cè)器14則用來(lái)將干涉條紋的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由采集電路15采集后送到處理計(jì)算機(jī)17中，經(jīng)過(guò)濾波、頻譜變換等處理，提取施加在管線上的外部事件的頻域特征及干擾強(qiáng)度，以此為依據(jù)確定外部事件的類型及危害。
在實(shí)施方案2中，用三個(gè)Y分束器代替2×2耦合器，同時(shí)在光纖干涉模塊中增設(shè)一個(gè)Y分束器21作為光纖干涉儀，并將光纖相位調(diào)制單元5設(shè)置在Y分束器19與20之間，將偏振控制單元3和相位偏置單元4設(shè)置在Y分束器18和19之間，實(shí)現(xiàn)方法參見圖2。其檢測(cè)過(guò)程是，激光器發(fā)出的單色連續(xù)激光注入Y分束器18中，將激光分成兩束，分別送入Y分束器19和20中；從Y分束器19和20中輸出的激光分別經(jīng)過(guò)單模光纖6和7后，分別被各自的無(wú)源反射器9和10反射回來(lái)，再次經(jīng)過(guò)Y分束器19和20，各自從Y分束器的另一個(gè)分支輸出；從Y分束器19出來(lái)的光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制單元5的周期相位調(diào)制，從Y分束器21的一個(gè)分支輸入；從Y分束器20出來(lái)的激光直接送到Y(jié)分束器21的另一個(gè)分支；送入到Y(jié)分束器21的兩束光干涉后，從第三個(gè)分支輸出干涉條紋。探測(cè)器14將干涉條紋的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后用與實(shí)施方案1相同的方法提取外部事件的頻域特征。
上述系統(tǒng)中，無(wú)源反射器的主要作用是將在單模光纖中傳輸?shù)募す夥瓷浠毓饫w中。無(wú)源反射器可以是在光纖端面鍍高反膜的方法，使在單模光纖中傳輸?shù)募す獾竭_(dá)光纖端面后發(fā)生鏡面反射，再次進(jìn)入光纖中傳輸；也可以是采用環(huán)形光纖耦合器的方法，使單模光纖中傳輸?shù)募す饨?jīng)過(guò)該耦合器后又返回到光纖中。
上述系統(tǒng)中，光纖相位調(diào)制單元可以采用壓電陶瓷(PZT)的方式，把光纖纏繞在壓電陶瓷筒上，利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，通過(guò)振蕩器在PZT上施加周期性正弦波電壓，使壓電陶瓷筒的周長(zhǎng)發(fā)生周期變化，帶動(dòng)纏繞在PZT筒的光纖長(zhǎng)度及折射率也發(fā)生變化，從而改變光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔?，?shí)現(xiàn)周期性相位調(diào)制。
上述系統(tǒng)中，干涉檢測(cè)模塊中的探測(cè)器可以是在干涉圖像的中心設(shè)置一個(gè)光電探測(cè)器，將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波、放大、數(shù)據(jù)采集和頻譜變換等處理后獲得外部事件的頻域特征；也可以采用高速攝像機(jī)拍攝干涉圖像，由高速數(shù)據(jù)采集卡采集后將畫面送到處理計(jì)算機(jī)中，用圖像處理的方法來(lái)得到干涉圖像的變化，而后經(jīng)過(guò)濾波、頻譜變換等處理得到外部事件的頻域特征。
3、在第三條單模光纖8靠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一端，設(shè)置一背向散射檢測(cè)模塊11，構(gòu)成光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)，由處理計(jì)算機(jī)控制，發(fā)送激光脈沖耦合到單模光纖中，背向散射檢測(cè)模塊檢測(cè)光纖的背向散射光的強(qiáng)度變化，精確定位干擾發(fā)生的具體位置。其中背向散射檢測(cè)模塊可以是基于PCI或ISA總線的插卡，也可以是可用程序控制的帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的獨(dú)立模塊。
4、在監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)置處理計(jì)算機(jī)17；處理計(jì)算機(jī)主要完成對(duì)干涉檢測(cè)模塊和背向散射檢測(cè)模塊的同步控制，融合處理干涉檢測(cè)模塊和背向散射檢測(cè)模塊輸出的信號(hào)，在此基礎(chǔ)上判斷外部事件的類型、危害程度等，必要時(shí)向控制中心發(fā)出危險(xiǎn)告警。處理計(jì)算機(jī)可以是工業(yè)計(jì)算機(jī)，也可以是有計(jì)算和控制功能的嵌入式系統(tǒng)。
5、將多個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)；利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以將沿長(zhǎng)途管線分布的多個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組成長(zhǎng)途管線的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施方法參見圖3。
在上述方案和系統(tǒng)中，偏振控制單元、相位偏置單元、相位調(diào)制單元、無(wú)源反射器以及干涉檢測(cè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式不同，都不影響本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用于長(zhǎng)途管線安全監(jiān)測(cè)的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于利用窄線寬激光器、2×2耦合器、無(wú)源反射器以及與長(zhǎng)途管線并行埋設(shè)的兩條單模光纖構(gòu)成光纖邁克爾遜干涉儀，通過(guò)干涉信號(hào)獲知破壞行為的發(fā)生；利用背向散射檢測(cè)模塊和第三條與長(zhǎng)途管線并行埋設(shè)的單模光纖構(gòu)成光時(shí)域反射計(jì)，通過(guò)背向散射光獲取破壞行為發(fā)生的具體位置。
2.按權(quán)利要求1所述長(zhǎng)途管線安全監(jiān)測(cè)的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于監(jiān)測(cè)對(duì)象可以是埋于地下，或是架設(shè)于空中的長(zhǎng)途油、水、氣輸送管道和長(zhǎng)途通信光纜；用作傳感的單模光纖，可以是并行鋪設(shè)在管道附近的光纜，也可以是被監(jiān)測(cè)的通信光纜中的備用單模光纖。
3.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于1)在長(zhǎng)途管線附近并行埋設(shè)包含三條以上單模光纖的光纜；2)采用其中的兩條單模光纖與窄線寬激光器、2×2耦合器和無(wú)源反射器組成標(biāo)準(zhǔn)邁克爾遜光纖干涉儀，窄線寬激光器由處理計(jì)算機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制；3)在標(biāo)準(zhǔn)邁克爾遜干涉儀的一條光路上增加偏振控制單元、相位偏置單元，構(gòu)成超長(zhǎng)光程、超大相位差的光纖干涉儀；4)在標(biāo)準(zhǔn)邁克爾遜干涉儀的另一條光路上增加周期相位調(diào)制單元，由處理計(jì)算機(jī)通過(guò)振蕩器進(jìn)行控制，并在后續(xù)處理單元及處理軟件中增加頻譜分析單元，由此判斷外部事件的類型；5)在干涉儀輸出端設(shè)置干涉檢測(cè)模塊、處理計(jì)算機(jī)，干涉檢測(cè)模塊將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)其濾波、采樣后送處理計(jì)算機(jī)處理；6)在第三條單模光纖輸入端設(shè)置由背向散射檢測(cè)模塊構(gòu)成的發(fā)光時(shí)域反射計(jì)，利用從干涉信號(hào)中解出的外部事件觸發(fā)光時(shí)域反射計(jì)，由處理計(jì)算機(jī)控制光時(shí)域反射計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)事件的粗略定位和精確定位。
4.按權(quán)利要求3所述的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于可以將沿長(zhǎng)途管線上分布的多個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組成遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于長(zhǎng)途管線安全監(jiān)測(cè)的光纖干涉型自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，利用并行鋪設(shè)在長(zhǎng)途管線附近的單模光纖，或被監(jiān)測(cè)光纜中的備用單模光纖作為分布式傳感元件；當(dāng)管線有泄漏或外界對(duì)管線有破壞行為時(shí)，光纖的傳輸特性會(huì)發(fā)生改變，使激光在兩條光纖中的光程差發(fā)生變化；利用光干涉方法探知這種變化，用頻譜分析的方法分析外界對(duì)管線所施加作用的頻域特征，以此為依據(jù)判斷管線所受破壞的類型；同時(shí)，利用外力對(duì)單模光纖背向散射的影響，精確定位外力在管線上的作用位置；將多個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建成網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離管線的高靈敏度、遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01D5/353GK1598494SQ20041004028
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者陳偉民, 譚靖 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)