[发明专利]长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法及装置

说明书

所属技术领域

本发明属资源和信息传送领域的安全监测，如油、水、气等传送管道和通信光缆的安全监测，具体涉及一种用光纤萨格纳克干涉原理对长距离管线进行安全监测的方法及装置。

背景技术

资源和信息传送领域的安全隐患普遍存在。如天然气管道由于含硫等原因的腐蚀泄漏或外界人为、突发性自然灾害(如地震、滑坡等)的破坏，发生泄漏或破损等事故。近年来光纤信息传输的绝对安全性已被打破，针对陆地光缆线路的窃听事件屡有报道，而相关媒体披露的美国中央情报局海底光缆窃听计划更引起人们对海底光缆信息传输安全性的充分重视。如何及时发现并精确定位这些事故更是一种挑战。

现有长距离管道泄漏检测技术主要有负压波法、模型法等，存在灵敏度低、响应慢、定位精度差等缺点，在实际应用中难以满足快速、准确的检测管道泄漏的要求。

近年来，随着光纤传感技术的发展，长距离分布式光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测和通信光缆安全监测，主要有光后散射法和光干涉法。光后散射法基于瑞利、拉曼、布里渊、偏振原理，利用外部事件对光纤传输特性的影响，通过定位检测光纤中后散光强变化来判断局部外力、温度变化，进而能评估管线的安全状况。但由于原理上的先天不足，最长监测距离不超过80km。

光干涉法具有灵敏度高、动态范围大、响应快、传输距离长，可满足长距离、微小振动检测要求。中国发明专利申请200410020046.6、200410040282.4、200610113044.0等使用连续激光器，呈现低功率入射问题，当监测距离超过20千米使用普通单模光纤时，由于受激布里渊阈值的限制，入射功率不超过2毫瓦，在中等距离长度的监测上有优势。我们知道利用干涉原理构建长距离监测系统需要极其苛刻的条件。马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪由于光传播在两条不同的光臂上，自相位调制、交叉相位调制引起光偏振的独立性，干涉光场的偏振态呈现不可预知的问题，另外在长达几十千米的两条光纤难以做到分米级的误差，这可需要比较窄线宽的激光器才能保证干涉。而萨格纳克干涉仪的两束干涉光经历绝对等长的路程，对光源线宽没有要求，所以满足一定条件的萨格纳克干涉仪有可能构成长距离安全监测系统。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种结构简单、高灵敏度的长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法及装置。该装置的优点是通过一套装置形成一个萨格纳克干涉仪，检测灵敏度高、光损耗低、能实现长距离微小振动检测与定位。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案。本装置主要包括：

1、一个完整的光纤预留小部分延迟线后对折，两个光纤头与一个2×2光纤耦合器的两个端口分别熔接构成一个萨格纳克干涉仪。双线光纤在管线附近并行铺设，当管线直径较大时两条光纤沿管道母线圆周方向相差180度铺设，并且光纤延迟线位于对折处，其余情况光纤延迟线位于耦合器处。如果用于通信光缆，则启用两根备用光缆，远处两个光纤头熔接在一起，近处一个光纤头上熔接短距离长度的光纤(光纤延迟线)后，光纤延迟线头再和另一个光纤头分别熔接在2×2光纤耦合器的两个端口上。

2、利用其中两条光纤的任一条上设置偏振控制元件。

3、任选2×2耦合器的其余一个端口上设置激光器、1×2耦合器和环行器。1×2耦合器输入口接激光器，一个输出口接探测器组件，另一个输出口接环行器，环行器输出口接2×2耦合器的一个端口，环行器返回输出口接探测器组件。

4、所有近端器件集成在一个板卡中插入计算机的扩展槽中或它们独立成模块用USB接口与计算机连接。

本发明的工作原理：计算机控制激光器驱动电路组件使激光器(线宽不作要求)发射一定占空比(比值：b＞2)周期脉冲光输入1×2耦合器(分束比ρ)，脉宽≤10ns(避免受激布里渊产生条件)，峰值功率P(单位：W)小于使光路产生受激拉曼阈值。1×2耦合器分束绝大部分激光进入萨格纳克干涉仪。2×2耦合器分束等量的顺时针光和逆时针沿两条光纤传播并返回耦合器干涉，经干涉明口接探测器组件和模数转换组件，由模数转换组件连接处理计算机，处理计算机对采集信号进行滤波、频谱变换等处理，通过分析信号频谱，可实现振动报警和定位。不管振动同时作用两条光纤的某同一位置还是作用一条光纤的某个位置，由于两束光到达和离开该位置的时间不同，振动现象均被调制在光干涉的相位差中，本领域的技术人员易得出相位差表示为：