全光纤定位监测方法及其系统技术方案

本发明专利技术是一种新型的光纤定位监测方法及利用该方法实现的光纤定位监测系统。系统的特点是利用单根光纤作为大范围分布传感光纤，根据干涉信号的相位反演得到扰动源的物理特性，根据干涉信号的频谱分析确定扰动源的具体位置。利用在传感光纤末端加反射镜（包括法拉第旋转镜）的方法，提高了系统的灵敏度并抑制了因为偏振态变化问题造成的系统工作状态不稳定等缺点。由于系统利用了白光干涉原理，消除了由于温度影响造成的工作点漂移等问题，大大提高了系统的工程应用环境，可以用于复杂、恶劣的环境中的管线安全监测。本发不仅可应用于通信干线、电网、油气管道等的定位安全监测中，也可以实现声纳探测、音频传输和应变、压力、振动的测试等光纤传感领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种新的光纤定位监测方法及依据该方法构造的全光纤定位监测系统。
技术介绍
维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。对通信光缆(包括海底光缆)、高压电网、输油管道、输气管道等基础设施进行安全监测，不仅是这些设施实现技术性功能的保障，更是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。特别是随着基础设施建设的快速发展，呈现出地域分布广、复杂程度高、重要性进一步提高的新特点，这就使得基础设施受到危害的范围、频率也随之增加，安全监测的难度、重要性也相应增加。依靠通常布点的方式进行监测的技术已经显得无能为力，迫切需要一种实时性强、能够适应复杂环境条件的分布式监测系统。当前，我国对于油气管道、电网、通信网等基础设施的监测主要是依据设施自身的一些生产参数(如压力突降、中间站油罐液位的不正常变化)和人工沿巡视、路人的报告等手段。这些手段技术含量低，普遍存在效率低、实时性差、反应时间长、抗干扰能力差等缺陷，常常是监测设施遭受破坏后才能报警，实用性受自然和人双重因素的制约。这种“亡羊补牢式”的事后检测技术，只能减少而不能避免损失。实践证明这种落后的监测方法在不同领域已经给国民经济造成了重大损失。据统计，仅2002年我国由于犯罪分子打孔盗油而损失的原油就达13亿吨，直接经济损失数亿元，由此带来的环境污染、商业信用等损失更是难以估量。为了维护干线的完整性，防止第三方破坏，直接负责管道、电网、通信网等运营部门已经投入了巨大的人力和财力，但是保护干线的安全形势却显得日趋急迫。各级政府和社会各界也非常关注，从专项立法到具体防范、舆论宣传、专项治理等方面都做了大量的工作。国务院曾召开电视电话会议，部署开展输油管道生产治安秩序专项行动，公安部也加大了打击盗油犯罪的力度，并收到了一定的成效。然而专门针对油气管道和电力、通信设施的破坏、对输送介质的偷盗行为依然经常发生。造成这种状况的一个重要原因就是监测方法和监测技术落后。如果有一种技术能够对这些事件进行“未雨绸缪式”有效监测，并在它们对管道造成实质性破坏前，提前预警，给管道维护者留出足够时间来制止破坏或强化防范的话，就会彻底扭转运营部门当前这种被动堵漏的不利局面，从根本上避免损失。对长干线的监测，特别是受电磁干扰的影响，不可能实施依靠电的方式进行传感监测。因此，光纤技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。光纤传感技术的开发和应用给管道安全防范带来了新的希望，它能够对威胁管道安全的各种行为进行早期监测、定位和预警。但大多数光纤传感系统基于点传感器，这样覆盖大区域或长距离就需要布设大量传感器，导致系统成本和复杂性升高，使应用受限，甚至无法实施。相比之下，分布式光纤传感技术由于传感器布设数量较少，系统相对简单，因此具有更好的应用前景。但目前国际上已开发并商品化的分布式技术较少，且其中多数采用的是温度传感器，而能够准确定位的更是少数。同时，受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求(大多数基于时域反射计，即OTDR技术)，多数技术只能进行表态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。而对于管道安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态和动态的监测信息及其发生位置，特别是OTDR技术无法检测的瞬间事件。而国内光纤传感应用目前还停留在光栅光纤传感技术阶段。虽然在不少应用领域也取得了很好的效果，但由于光栅光纤传感技术自身的局限性，其在管道运输领域的应用受到严重制约。
技术实现思路
本专利技术的目的是获得一种具有从根本上解决干线安全预警、事故定位监测功能的全光纤定位监测方法及其系统。本专利技术是利用全光纤白光干涉理论，根据扰动点在全光纤干涉系统中位置的不同，出现的干涉信号频谱缺损位置不同这一特点，实现对扰动点定位功能。利用这一方法，构造了新型结构的光纤干涉定位监测系统。该方法的主要优点是能够利用单根光纤进行定位监测，从原理上来说没有监测范围限制。本专利技术提出的一种全光纤定位监测方法，其构造光路使得光纤中传导的光波不同时刻往返通过扰动点(非法入侵时引起的振动)，假设在时刻t，单一角频率ω扰动信号引起的传输光波相位变化为(t)，则(t)＝sin(ωt)(1)在时刻t+τ，单一角频率ω扰动信号引起的传输光波相位变化为(t+τ)＝sin(2)扰动点(6)离光纤反射端面(7)的距离设为L，光往返传输两次的时间为T，则 T＝2neffL/c(3)上式中，neff是光纤纤芯等效折射率，c是真空中的光速。由于监测光纤的扰动使干涉系统中形成的相位差Δ为 =2sinω(t+τ+T2)·cosωT2-2sinω(t+T2)·cosωT2]]>(4)在3×3=4cosωT2sinωτ2cosω(t+τ+T2)]]>光纤耦合器的输出端口可以得到随时间变化的输出功率为P(t)＝A{1+cos}(5)其中A为与输入光功率大小有关的一个常数，Ψ为整个系统的初始相位，可以视为常数；因此，输出的交流分量只与干涉系统中的相位差Δ有关。由(4)式可知当cosωT2sinωτ2≠0]]>时，Δ随时间快速变化，此时光电探测器探测到的输出干涉信号是一个振幅缓慢震荡的变量；当cosωT2sinωτ2=0]]>时，输出的交流量为零，即P(t)不随时间变化，是个常量。当cosωT2=0]]>时，ωT2=kπ-π2,]]>其中k为自然数；将(3)式代入，记特征频率为fnull(k)，则fnull(k)=2k-12T=2k-12·c2neffL---(6)]]>与特征频率fnull(k)所对应的光纤长度L为L=(2k-1)·c4nefffnull(k)---(7)]]>同理，当sinωτ2=0]]>时，f′(k)=k-1τ,]]>其中k为自然数，τ为延迟时间。由于τ可以取得很小，与其对应的第一个特征频率f′k＝1就非常大，即在频谱上，相应的频谱缺损位置偏离零点很远，这样选取适当的τ和k取值就可避免f′(k)对fnull(k)的干扰。由数据处理终端得到的缺损频谱值fnull(k)，依据(7)式即可得到L值，从而判定出扰动点的位置；谱分析准确度决定了定位精度。在光纤端面的反馈装置(7)不仅可以实现传输的光正反方向两次通过扰动点(6)，在相同外界信号激励的环境下使得相位灵敏度提高一倍，而且能够有效的避免扰动点处的光纤(相当于一个相位调制器)偏振态随机变化对干涉系统的影响；同时，能够实现相位调制信息的单根光纤提取。光波通过长度为l的光纤一次时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤监测定位方法，运用全光纤干涉系统中扰动点位置的不同，出现的干涉信号频谱缺损位置不同，实现对扰动点定位，其特征是通过光纤在光路中传导的光波不同时刻往返通过扰动点的频率与所对应的光纤长度进行定位监测，特征频率ｆ↓［ｎｕｌｌ］（ｋ）所对应的光纤长度Ｌ为：Ｌ＝（２ｋ－１）.ｃ／４ｎ↓［ｅｆｆ］ｆ↓［ｎｕｌｌ］（ｋ）其中Ｌ为光纤长度，ｋ为自然数，ｃ为真空中光速，ｎ↓［ｅｆｆ］是光纤纤芯等效折射率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾波，张天照，唐璜，章骅，吴东方，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]