專利名稱：光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種埋地管道或構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護(hù)預(yù)警的光纖安 全預(yù)警定位系統(tǒng)。涉及機(jī)械振動的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于石油、天然氣、成品油、煤漿以及水等物質(zhì)來說，管道輸送是一種安全、 經(jīng)濟(jì)以及高效的運輸方式，在全球運輸行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其在 石油、成品油和天然氣這些具有易燃易爆和交易價值極高的能源物質(zhì)運輸中占有 極為重要的位置，在我們國家，每年至少新建幾千公里的管道，可以說，管道是 能源運輸?shù)拇髣用}。管道輸送的石油、成品油和天然氣既有極高的交易價值也有 易燃易爆這一特性，管道一旦泄漏，泄漏區(qū)域極易發(fā)生燃燒爆炸，不僅影響管道 行業(yè)的安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且也嚴(yán)重威脅著周邊沿線人民群眾的 財產(chǎn)與生命安全。另外，管道泄露對周邊生態(tài)環(huán)境造成的危害更是無法估量。
自從有了管道，也就有了來自外界的破壞。尤其是近些年來，油價上漲，在
利益的驅(qū)動下，不法分子利欲熏心，在管道上打孔盜油、盜氣；基礎(chǔ)建設(shè)大量上 馬，管道沿線施工工地隨處可見；此外，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，這 些都時刻威脅著管道的生產(chǎn)安全，其中打孔盜油和非法施工成為威脅管道安全生 產(chǎn)的首要因素。
據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國每年因外界破壞而造成的管道泄漏或爆炸上千余次， 直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾億元，環(huán)境破壞和社會影響等間接損失更是無法估量。為防止 外界對管道的破壞，管道運輸行業(yè)每年投入了大量的人力物力，但是仍然無法有 效地預(yù)防和阻止破壞。管道運輸行業(yè)的安全生產(chǎn)形式非常嚴(yán)峻，尋找確保管道運 輸安全生產(chǎn)的手段和方法已迫在眉睫。
隨著管道運輸行業(yè)的發(fā)展，各種管道運輸安全監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前 已有的管道安全生產(chǎn)監(jiān)測技術(shù)主要有兩類。其一管道泄漏事件發(fā)生后的監(jiān)測技 術(shù)，這種技術(shù)主要有"管內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)和分布式光纖溫度和應(yīng)力監(jiān)測 技術(shù)"。管內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)是實時采集管線中流體的流量、溫度和壓力 等信號，進(jìn)行管道泄漏檢測和定位，這種技術(shù)受到管道內(nèi)的流體特性、輸送工藝 以及測試儀器的性能等因素限制，對管道泄漏監(jiān)測的靈敏度和定位精度較低，這 類技術(shù)包括壓力梯度法、負(fù)壓力波法、流量平衡法。分布式光纖溫度和應(yīng)力監(jiān)
測技術(shù)是利用光纖的非線性特性(拉曼效應(yīng)和布里淵效應(yīng))實時釆集管道泄漏的 介質(zhì)對光纖的溫度影響和沖擊應(yīng)力來確定泄漏點的位置，這種技術(shù)受到光纜的結(jié) 構(gòu)和光纜與泄漏點的距離限制而影響監(jiān)測效果。其二，管道破壞事件發(fā)生前的預(yù) 防監(jiān)測技術(shù)，也就是管道破壞預(yù)警技術(shù)，目前已有的該類技術(shù)主要是"聲波技術(shù) 監(jiān)測"，該技術(shù)是利用聲波沿管道傳輸原理，在每隔l公里左右安裝一個有源傳 感器，拾取管道沿線的聲音信號加以分析，確定事件性質(zhì)，進(jìn)而對破壞管道的事 件提前發(fā)現(xiàn)，但是每一個傳感器件必須配備一套供電裝置和通信裝置，不僅增加 設(shè)備的投資和維護(hù)成本，且這些設(shè)施本身也容易遭到破壞，使裝置不能正常運行。 針對現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題，澳大利亞有專利提出基于馬赫-
曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀原理，用光纖傳感振動的技術(shù)方案。該發(fā)明對長 距離的線目標(biāo)或大面積的面目標(biāo)的安全預(yù)警是一突破，但不足的是該發(fā)明之光路 系統(tǒng)不穩(wěn)定,很難有效工作，且定位不準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種與埋地管道、構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域安全保護(hù)的 光纖安全預(yù)警系統(tǒng)配套的定位準(zhǔn)確的安全預(yù)警定位系統(tǒng)。
針對現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于釆用相位衰 落控制和偏振衰落控制技術(shù)的雙馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀原理，消 除了因相位衰落和偏振衰落引起的信號消隱，而形成具有穩(wěn)定相位和穩(wěn)定偏振態(tài) 的兩路同步干涉激光調(diào)制信號在干涉儀上相對傳輸并在干涉儀雙端拾取的光路結(jié) 構(gòu)的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)配套的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng)。它是利用與管道同溝敷設(shè) 或構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域周圍地下光纜中的普通通信光纖作為干涉儀的干涉臂 和傳輸光纖，進(jìn)而形成連續(xù)分布式的土壤振動檢測傳感器，拾取被監(jiān)測物附近沿 線土壤的振動信號，本發(fā)明就是根據(jù)兩路激光信號的傳輸時間差值分析計算出被 監(jiān)測物附近沿線的土壤振動事件的發(fā)生位置。 本發(fā)明的實現(xiàn)原理是
方法一，光纖安全預(yù)警系統(tǒng)光電檢測管檢測到的信號，通過模擬/數(shù)字混合 電路，利用兩路信號觸發(fā)脈沖的時延差，通過高速計數(shù)器計數(shù)，進(jìn)行定位運算， 得到定位結(jié)果。
方法二，光纖安全預(yù)警系統(tǒng)光電檢測管檢測到的信號，通過信號調(diào)理，對信 號進(jìn)行放大和濾波，然后用高速釆集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(也可以釆用數(shù)字示波卡), 然后對信號進(jìn)行濾波，濾除高頻和低頻的干擾，濾波器也可在信號調(diào)理部分采用
模擬濾波器來實現(xiàn)。時延估計部分可以釆用多種估計方法，如相關(guān)函數(shù)、雙譜、 參數(shù)模型、自適應(yīng)濾波器等多種時延估計方法，最后把時延經(jīng)過運算得到定位結(jié) 果。
本發(fā)明對應(yīng)方法一的具體構(gòu)成如圖3所示，是在與管道同溝敷設(shè)或敷于構(gòu)筑
物周圍地下的三根光纖l 、 2、 3及由合分波器203、合分波器204與光纖1、 2 組成馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀及激光器101的基礎(chǔ)上，偏振調(diào) 制器202由光纖串聯(lián)在激光器101與合分波器203之間，在由干涉光纖1、 2、傳 輸光纖3和合分波器203、204組成的光纖干涉儀的合分波器203上由兩根光纖各 連接光電檢測處理電路309和光電檢測處理電路310,該兩光電檢測處理電路309 和光電檢測處理電路310的輸出各依次串聯(lián)信號調(diào)理電路312、信號調(diào)理電路313、 A/D314、 A/D 315后一并接到運算系統(tǒng)733的輸入，運算系統(tǒng)733的輸出接數(shù)據(jù) 輸出接口 734;而光電檢測處理電路309或光電檢測處理電路310有一輸出接偏 振控制器201,偏振控制器201與偏振調(diào)制器202有電信號線連接,并由偏振控制 器201的輸出接至串聯(lián)在光纖1或2中的相位調(diào)制器206，另有一輸出接相位控制 器205，并由相位控制器205的輸出接至串聯(lián)在光纖2或1中的相位調(diào)制器206。
本方案的電原理如圖4所示，偏振調(diào)制器202串聯(lián)在由光纖連接的激光器101 和合分波器203之間，合分波器203由兩根光纖接至一光電檢測處理電路309的 兩光輸入口，光電檢測處理電路309的兩電輸出口各接偏振控制主機(jī)201-1和相 位控制主機(jī)205-1的I/O 口，偏振控制主機(jī)201-1輸出口接偏振控制器201-2的 輸入口，偏振控制器201-2的輸出口一路接偏振調(diào)制器202的輸入口，另一路接 相位調(diào)制器206的輸入口，相位控制主機(jī)205-1的輸'出口接相位控制器205-2的 輸入口，相位控制器205-2的輸出口接另一相位調(diào)制器206的輸入口 ；同時光電檢 測處理電路309的兩電輸出口各接A/D314、 A/D 315，而A/D314、 A/D 315的輸出 接到定位主機(jī)735。在電原理圖中，由一個雙輸入輸出的光電檢測處理電路309完 成了兩路光電檢測處理電路309、信號調(diào)理電路312、信號調(diào)理電路313的功能，定 位主機(jī)735實現(xiàn)運算系統(tǒng)733的功能，由偏振控制主機(jī)201-1和偏振控制器201-2 完成偏振控制器201的功能，且偏振控制主機(jī)201-1集成了 A/D312轉(zhuǎn)換電路，由 相位控制主機(jī)205-1和相位控制器205-2完成相位控制器205的功能，且信號調(diào) 理電路313、 A/D312也由相位控制主機(jī)205 -l實現(xiàn)。
其中所述激光器101為連續(xù)單色激光器。 .
所述光電檢測處理電路309、光電檢測處理電路310、信號調(diào)理電路312、信號 調(diào)理電路313、 A/D314、 A/D315、運算系統(tǒng)733、定位主機(jī)735、偏振控制器201、 偏振控制器201-1、偏振控制器201-2、偏振調(diào)制器202、相位控制器205、相位 控制器205-1、相位控制器205-2、相位調(diào)制器206均為市銷產(chǎn)品。
連續(xù)單色激光器101發(fā)出的激光，通過光纖傳到偏振調(diào)制器202,由光纖傳到 合分波器203 '的激光分為兩路 一路激光由馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖儀的 合分波器203端入射，在合分波器204端合波而形成干涉光波，干涉光波再通過光 纖3傳回合分波器203,再通過光纖傳到光電檢測處理電路309;其中另一路激光通 過光纖3傳到合分波器304，由馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖儀的合分波器304 端入射，在合分波器303端合波而形成干涉光波，干涉光波通過光纖傳到光電檢測 處理電路309和光電檢測處理電路310;偏振控制器201與偏振調(diào)制器202以及光電 檢測處理電路309組成偏振衰落閉環(huán)控制環(huán)，使得在馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光 纖干涉儀上傳播而形成干涉的兩路干涉光波的偏振態(tài)差值穩(wěn)定在系統(tǒng)所需要的角 度值上。相位控制器205與相位調(diào)制器206以及光電檢測處理電路310組成相位衰落 閉環(huán)控制環(huán)，使得在馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀上傳播而形成干涉的 兩路干涉光波的相位差值穩(wěn)定在系統(tǒng)所需要的相位值上。光電檢測處理電路309 檢測的電信號通過信號調(diào)理電路313進(jìn)行放大、濾波處理,輸出給A/D315的輸入端， 光電檢測處理電路310檢測的電信號通過信號調(diào)理電路312進(jìn)行放大、濾波處理， 輸出給A/D314的輸入端，A/D314和A/D315輸出給信號處理與運算系統(tǒng)733，信號處 理與運算系統(tǒng)733根據(jù)兩路信號的時延差，采用多種估計方法中的一種，如相關(guān)函 數(shù)、雙譜、參數(shù)模型、自適應(yīng)濾波器等多種時延估計方法，最后把時延經(jīng)過運算 得到定位結(jié)果給數(shù)據(jù)輸出接口 734。
定位的原理如圖l所示，利用與管道同溝敷設(shè)光纜中的三根普通通信光纖作 為圖l中的光纖l、 2和3，則組成連續(xù)分布式的土壤振動檢測傳感器，傳感器拾取 管道附近沿線土壤的振動信號，土壤振動信號經(jīng)由不同的光路用不同的時間分別 傳到光電檢測處理電路309和310，由光電檢測處理電路309和310輸出的電信號經(jīng) 過處理分析，則可以得到兩東干涉信號傳播時延差A(yù)" X為事件發(fā)生位置，L為被 監(jiān)測管道的長度，"為光纖芯層折射率，C為光在真空的傳播速度，
則可得X = ￡-^A,或者義=!&根據(jù)傳輸時間差值則可分析計算出管
道附近沿線的土壤振動事件的發(fā)生位置。
本發(fā)明對應(yīng)方法二的具體構(gòu)成如圖3所示，是在與管道同溝敷設(shè)或敷于構(gòu)筑 物周圍地下的三根光纖l 、 2、 3及由合分波器203、合分波器204與光纖1、 2組
成馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀及激光器101的基礎(chǔ)上，激光器101 接合分波器203，在由干涉光纖1、 2、傳輸光纖3和合分波器203、合分波器204組成 的光纖千涉儀的合分波器203上，由兩根光纖各連接光電檢測處理電路309和光電 檢測處理電路310，該兩光電檢測處理電路309和光電檢測處理電路310的輸出各依 次串聯(lián)運放710、運放711 、帶通濾波器712、帶通濾波器713、陷波器714、陷 波器715、兩級放大716 、兩級放大717、波形相位選擇718、 719后共同接觸 發(fā)器722輸入，觸發(fā)器722輸出以次串接有晶振724輸入的計數(shù)器723、有顯示 器輸出的鎖存器725 、接口控制器727、嵌入系統(tǒng)728;而光電檢測處理電路 309和光電檢測處理電路310各有光纖分別接偏振控制器201與相位控制器205，偏 振控制器201有光纖接串聯(lián)在光纖1或2中的相位調(diào)制器206，相位控制器205有光 纖接串聯(lián)在光纖2或1中的相位調(diào)制器206。
所述激光器101是連續(xù)單色激光器。
所述偏振控制器201、偏振調(diào)制器202、相位控制器205、相位調(diào)制器206、 光電檢測處理電路309、光電檢測處理電路310、運放710、運放711、兩級放大 716、兩級放大717、波形相位選擇718、 719、觸發(fā)器722、晶振724、計數(shù) 器723、鎖存器725、接口控制器727、嵌入系統(tǒng)728均為巿銷通用產(chǎn)品。
所述帶通濾波器712、 713為開關(guān)電容帶通濾波器。
本方案的光路系統(tǒng)如圖3，電原理如圖5所示，電路部分是光路系統(tǒng)的兩輸 出各接至光電檢測處理電路309和光電檢測處理電路310的輸入端，該兩光電檢測 處理電路309和光電檢測處理電路310的輸出各從0P1 TL84L0WPass和0P5 TL84L0WPass的INPUT端輸入，0P1 TL84L0WPass和其輸出連接的0P2 TLHighPass 組合實現(xiàn)運放710和帶通濾波器712之功能，0P5 TL84L0WPass和其輸出連接的 0P6 TLHighPass組合實現(xiàn)運放711和帶通濾波器713之功能，與0P2 TLHighPass 串聯(lián)的0P3 TL84Amp實現(xiàn)陷波器714之功能，與0P6 TLHighPass串聯(lián)的0P7 TL84Amp實現(xiàn)陷波器714之功能，具有一級放大和陷波器714功能的0P3 TL84Amp輸出接波形相位選擇718的Ul 4053，具有一級放大和陷波器715功 能的0P7 TL84Amp輸出接波形相位選擇719的U4 4053， Ul 4053輸出依次串 聯(lián)具有一級放大的0P4 TL84Amp、 整形的U2 40106、 產(chǎn)生脈沖的U3 74HC123, 由U3 74HC123輸出脈沖，并由輸出波形反回選擇Ul 4053的開關(guān)，同樣U4 4053 輸出依次串聯(lián)具有一級放大的0P8 TL84Amp、整形的U5 40106、產(chǎn)生脈沖的U6 74HC123,由U6 74HC123輸出脈沖，并由輸出波形反回選擇U4 4053的開關(guān)；由U3
74HC123和U6 74HC123輸出接89C52系列單片機(jī)，實現(xiàn)觸發(fā)器722、晶振724 計數(shù)器723、鎖存器725、接口控制器727、嵌入系統(tǒng)728之功能。其中0P1
TL84L0WPass和0P5 TL84L0WPass是低通濾波器，0P2 TLHighPass和0P6 TLHighPass是高通濾波器，兩者組合就是帶通濾波器712和帶通濾波器713之 功能；0P3TL84Amp和0P7TL84Amp兼有一級放大和陷波器714、陷波器715 功能；Ul 4053和U4 4053是起阻波作用的開關(guān)。
該電路中的0P1、 OP2、 0P3、 0P4、 OP5、 0P6、 OP7、 0P8之模塊均為TL84系列 產(chǎn)品，Ul、 U4為4053系列產(chǎn)品，U2、 U5為40106系列產(chǎn)品，U3、 U6為74HC123系列產(chǎn) 品，單片機(jī)為89C52系列。
圖3中，光電檢測處理電路309檢測的電信號通入本電路，經(jīng)過運算放大器 710、帶通濾波器712、陷波器714、定增益的兩級放大器716、波形和相位選擇器 718的選擇后將發(fā)出一個300ns輸出脈沖，波形和相位選擇器718的輸出連接89C52 單片機(jī)，使其中觸發(fā)器722的一個輸入端接受第一條光路傳來的相位調(diào)制信號，經(jīng) 選擇判斷為對管道破壞性事件振動波譜和相位的信號觸發(fā)脈沖，觸發(fā)器722此時為 高電平。
光電檢測處理電路310檢測的電信號通過運算放大器711、帶通濾波器713、 陷波器715、定增益的兩級放大器717、波形和相位選擇器719,波形和相位選擇 器719的另 一端輸入還連接管道破壞性事件振出脈沖，波形和相位選擇器719的輸 出連接89C52單片機(jī)，使其中觸發(fā)器722的一個輸入端接受第二條光路傳來的相位
調(diào)制信號，經(jīng)選擇判斷為對管道破壞性事件振動波譜和相位的信號觸發(fā)脈沖，觸 發(fā)器722此時為低電平。
89C52單片機(jī)中的觸發(fā)器722的輸出端連接等精度、高精度高速計數(shù)器723的 輸入端，計數(shù)器723接收722的高電平的上跳沿開始計數(shù)，嵌入式系統(tǒng)723接受722 的高電平的下跳沿結(jié)束計數(shù)，計數(shù)器723的第三個輸入端還連接基準(zhǔn)時鐘晶振724， 基準(zhǔn)時鐘晶振為10M以上，計數(shù)器723的輸出端連接鎖存器725,鎖存器725的輸出 端同時連接定位數(shù)據(jù)顯示器726和并行數(shù)據(jù)傳送接口或串行接口控制器727,接口 控制器727的輸出端連接嵌入式系統(tǒng)或單片機(jī)系統(tǒng)728,嵌入式系統(tǒng)728根據(jù)計數(shù)器 723的計數(shù)數(shù)值所，
則可得公式X = l-或者Z-二&。
Ar為兩束干涉信號傳播時延差，X為事件發(fā)生的位置,L為被監(jiān)測管道的長度， "為光纖芯層折射率，c為光在真空的傳播速度。
根據(jù)Af-mxr， m為計數(shù)器計數(shù)值，是r為基準(zhǔn)時鐘晶振的倒數(shù)。
則可算出破壞性振動事件發(fā)生的定位距離為Z = 二xmxr 或
2/7
者z = "^~x/wxr
連續(xù)單色激光器101發(fā)射的單色激光,通過光纖到偏振調(diào)制器202,由光纖到 合分波器203的單色激光被分為兩路其中 一 路激光由馬赫- 曾德(Mach-Zehnder ) 光纖合分波器203端入射，在合分波器204端合波而形成干涉光波，干涉光波再通 過光纖3傳回合分波器203,再通過光纖傳到光電檢測處理電路309中的一個光電檢 測管y;其中另 一路激光通過光纖3傳到合分波器204，由馬赫-曾德
(Mach-Zehnder)光纖合分波器204端入射，在合分波器203端合波而形成干涉光 波，干涉光波通過光纖傳到光電檢測處理電路309中的另一個光電檢測管x;偏振 控制器201與偏振調(diào)制器202以及光電檢測處理電路309組成偏振衰落閉環(huán)控制環(huán)， 使得在馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀上傳播而形成干涉的兩路干涉光波 的偏振態(tài)差值穩(wěn)定在系統(tǒng)所需要的角度值上。相位控制器205與相位調(diào)制器206以 及光電檢測處理電路310組成相位衰落閉環(huán)控制環(huán)，使得在馬赫-曾德
(Mach-Zehnder)光纖干涉儀上傳播而形成干涉的兩路干涉光波的相位差值穩(wěn)定 在系統(tǒng)所需要的相位值上。


圖1安全預(yù)警定位系統(tǒng)定位原理圖
圖2安全預(yù)警定位系統(tǒng)方案一原理框圖
圖3安全預(yù)警定位系統(tǒng)方案二原理框圖
圖4安全預(yù)警定位系統(tǒng)方案一電原理圖
圖5安全預(yù)警定位系統(tǒng)方案二電原理圖
其中IOI—激光器 201—偏振控制器
202—偏振調(diào)制器 203—合分波器
204—合分波器 205—相位控制器
206—相位控制器
309—光電檢測處理電路 310—光電檢測處理電路312--信號調(diào)理電路313—-信號調(diào)理電路
314--A/D315—-A/D
733--運算系統(tǒng)734—-數(shù)據(jù)輸出接口
710--運放711--運放
712--帶通濾波器713--帶通濾波器
714--陷波器715--陷波器
716--兩級放大717--兩級放大
718--波形相位選擇719--波形相位選擇
722--觸發(fā)器723--計數(shù)器
724--晶振725--鎖存器
726--顯示器727--接口控制器
728--嵌入系統(tǒng)
具體實施例方式
實施例1.以本例來說明本發(fā)明的具體實施方式
并對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本例是一實驗樣機(jī)，其構(gòu)成如圖2所示。電原理如圖4所示，偏振調(diào)制器202串 聯(lián)在由光纖連接的激光器101和合分波器203之間，合分波器203由兩根光纖接 至一光電信號處理電路309的兩光輸入口 ，光電信號處理電路309的兩電輸出口 各接偏振控制主機(jī)201-1和相位控制主機(jī)205-1的I/O 口，偏振控制主機(jī)201-1 輸出口接偏振控制器201-2的輸入口 ，偏振控制器201-2的輸出口 一路接偏振調(diào) 制器202的輸入口，另一路接相位調(diào)制器206的輸入口，相位控制主機(jī)205-l的 輸出口接相位控制器205-2的輸入口，相位控制器205-2的輸出口接另 一相位調(diào) 制器206的輸入口；同時光電信號處理電路309的兩電輸出口各接A/D314、A/D315， 而A/D314、 A/D315的輸出接到定位主機(jī)735。在電原理圖中，由一個雙輸入輸出 的光電信號處理電路309完成了兩路光電信號處理電路309、信號調(diào)理電路312、 信號調(diào)理電路313的功能，定位主機(jī)735實現(xiàn)運算系統(tǒng)733的功能，由偏振控制 主機(jī)201-1和偏振控制器201-2完成偏振控制器201的功能，且偏振控制主機(jī) 201-1集成了 A/D312轉(zhuǎn)換電路,由相位控制主機(jī)205-1和相位控制器205-2完成 相位控制器205的功能，且信號調(diào)理電路313、 A/D312也由相位控制主機(jī)205 - 1 實現(xiàn)。
其中單頻激光器型號KOHERAS ADJUSTIK HP E15;合分波器203和合分波器204型號郎光公司的WDM-A-2 x 2-1550-l-FC/UPC-3*54;偏振控制器201-1:選 NI PXI—1042 8—Slot 3U CPU: PXI—8186 P4 2.2 I/O: NI PXI—5112, 2 channel, 100 MHz, 32 MB/Channel， 8-bit; PXI-6111 A/D 2cha麵l 12bit , D/A 2channel 12bit;偏振控制器201-2 0Z OPTICS EPC-400 EPC DRIVER-04-RS232;偏振調(diào)制 器202:選OZ OPTICS EPC-400 EPC DRIVER-04-RS232;相位控制器205-1:選NI PXI-1050， PXI/SCXI CPU: PXI—8187 P4M 2. 5G PXI-6120 A/D 4 channel 16bit,D/A2 channel 16-bit;相位控制器205-2: OZ OPTICS FICE PZ-STD-FC/PC;相位調(diào)制器 206:選OZ公司Optics ficePZ-STD-FC/PC,光電檢測處理電路309和310:通用 光電放大電路，2路光纖輸入口，輸入范圍-20~-45(13111,2路電輸出口，輸出范 圍-3V +3V;定位主機(jī)735型號美國NI儀器PXI-1042 8-Slot 3U CPU: PXI—8196 P—M760 2. OG 512M I/O: PXI—5124， 2— Channel 12—Bit 200 MHz。 連續(xù)單色激光器101發(fā)射的單色激光，通過光纖傳到馬赫-曾德
(Mach-Zehnder )光纖干涉儀，馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀作 為連續(xù)分布式振動傳感器拾取管道沿線土壤的振動信號，經(jīng)過光纖傳到光電檢測 處理電路309或光電檢測處理電路310 。相位控制器205與光電檢測處理電路 310、相位調(diào)制器206組成相位衰落閉環(huán)控制環(huán)，使得在馬赫-曾德
(Mach-Zehnder )光纖干涉儀上傳播而形成干涉的兩路干涉光波的相位差值穩(wěn) 定在系統(tǒng)所需要的相位值上。偏振控制器201與光電檢測處理電路310、相位調(diào) 制器206組成偏振衰落閉環(huán)控制環(huán)，使得在馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干 涉儀上傳播而形成干涉的兩路干涉光波的偏振態(tài)差值穩(wěn)定在系統(tǒng)所需要的角度 值上。
利用與管道同溝敷設(shè)光纜中的三根普通通信光纖作為圖l中的光纖l、 2和3, 則組成連續(xù)分布式的土壤振動檢測傳感器，傳感器拾取管道附近沿線土壤的振動 信號,土壤振動信號經(jīng)由不同的光路用不同的時間分別傳到光電檢測處理電路309 和光電檢測處理電路310,由光電檢測處理電路309和光電檢測處理電路310輸出的 電信號經(jīng)過處理分析，則可以得到兩束干涉信號傳播時延差A(yù)"根據(jù)傳輸時間差 值則可分析計算出管道附近沿線的土壤振動事件的發(fā)生位置。
本系統(tǒng)配上光路系統(tǒng)而構(gòu)成的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)某管線實際使用、測試， 對管道附近地面動土開挖、觸動管道、在管道上焊接、打孔測知的定位精度高， 并無漏檢。
本系統(tǒng)對土壤振動信號的檢測具有很高的靈敏度，可以有效檢測光纜附近3 米以內(nèi)的任何土壤振動信號；事件檢測定位精度高，定位精度可達(dá)±10米，完全
滿足管道維護(hù)搶修要求。本發(fā)明不但適用于管道的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，也適用于
其它重要設(shè)施和重要區(qū)域的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，比如通信光纜、交通設(shè)施、文 物保護(hù)區(qū)、軍械庫、重點機(jī)關(guān)和重要工業(yè)廠區(qū)等重要設(shè)施與區(qū)域的光纖安全預(yù)警 系統(tǒng)。
實施例2.本例也是一實驗樣機(jī)，其構(gòu)成如圖3所示。本方案的光路系統(tǒng)如圖 3，電原理如圖5所示，電路部分是光路系統(tǒng)的兩輸出各接至光電檢測處理電路 309和光電檢測處理電路310的輸入端，該兩光電檢測處理電路309和光電檢測處理 電路310的輸出各從0P1 TL84L0WPass和0P5 TL84L0WPass的INPUT端輸入，0P1 TL84L0WPass和其輸出連接的0P2 TLHighPass組合實現(xiàn)運放710和帶通濾波器712 之功能，0P5 TL84L0WPass和其輸出連接的0P6 TLHighPass組合實現(xiàn)運放711和帶 通濾波器713之功能，與0P2 TLHighPass串聯(lián)的0P3 TL84Amp實現(xiàn)陷波器714之 功能，與0P6 TLHighPass串聯(lián)的0P7 TL84Amp實現(xiàn)陷波器714之功能，具有一 級放大和陷波器714功能的0P3 TL84Amp輸出接波形相位選擇718的Ul 4053， 具有一級放大和陷波器715功能的0P7 TL84Amp輸出接波形相位選擇719的U4 4053, Ul 4053輸出依次串聯(lián)具有一級放大的0P4 TL84Amp、 整形的U2 40106、 產(chǎn)生脈沖的U3 74HC123,由U3 74HC123輸出脈沖，并反回控制U1 4053的開關(guān)，同樣 U4 4053輸出依次串聯(lián)具有一級放大的0P8 TL84Amp、整形的U5 40106、產(chǎn)生脈 沖的U6 74HC123,由U6 74HC123輸出脈沖，并反回控制U4 4053的開關(guān);由U3 74HC123和U6 74HC123輸出接89C52系列單片機(jī)，實現(xiàn)觸發(fā)器722、晶振724計數(shù) 器723、鎖存器725、接口控制器727、嵌入系統(tǒng)728之功能。其中0P1 TL84L0WPass 和0P5 TL84L0WPass是低通濾波器，0P2 TLHighPass和0P6 TLHighPass是高通濾 波器，兩者組合就是帶通濾波器712和帶通濾波器713之功能；0P3 TL84Amp和 0P7 TL84Amp兼有一級放大和陷波器714、陷波器715功能；Ul 4053和U4 4053
是起阻波作用的開關(guān)。
光路系統(tǒng)的偏振控制器201:選美國NI儀器PXI-1042 8-Slot 3U CPU: PXI—8196 P-M760 2. OG 512M I/O: PXI—5124， 2- Channel 12—Bit 200 MHz ;相位控制器205: NI PXI-1050, PXI/SCXI CPU: PXI-8187 P4M 2. 5G PXI-6120 A/D 4 channel 16bit，D/A2 channel 16-bit;單頻激光器101選型號KOHERAS ADJUSTIK HP E15;合分波器203 、 204 : 郎光公司的 WDM-A-2 x 2-1550-1-FC/UPC-3*54;偏振調(diào)制器 202 : OZ OPTICS EPC-400 EPC DRIVER-04-RS232;相位調(diào)制器206:選OZ公司Optics ficePZ-STD-FC/PC,光電
檢測處理電路708和709:通用光電放大電路，2路光纖輸入口,輸入范圍-20~ -45dBm，2路電輸出口，輸出范圍_3V ~+3V,;運放710和帶通濾波器712及運 放711和帶通濾波器713:兩只TL84;陷波器714、兩級放大716之一級放大 及陷波器715、兩級放大717之一級放大TL84;波形相位逸擇718、 719: 4053;觸發(fā)器722、計數(shù)器723、晶振724、鎖存器725、接口控制器727、嵌 入系統(tǒng)728: 89C52單片機(jī)。
在由干涉光纖l、 2、傳輸光纖3和合分波器203、合分波器204組成的光纖 干涉儀的合分波器203上由兩根光纖各連接光電檢測處理電路309和光電檢測處 理電路310，該兩光電檢測處理電路309和光電檢測處理電路310的輸出接入圖5 所示電路0P1和0P5后各依次串聯(lián)運放710、 711 、帶通濾波器712、 713、陷 波器714、 715、兩級放大716 、 717、波形相位選擇718、 719后共同接實 現(xiàn)觸發(fā)器722、晶振724計數(shù)器723、鎖存器725、接口控制器727、嵌入系 統(tǒng)728之功能的單片機(jī)89C52。而兩光電檢測處理電路309和光電檢測處理電路 310的輸出分別接偏振控制器201與相位調(diào)制器206,相位控制器205有光纖接串 聯(lián)在光纖2或1中的相位調(diào)制器206，偏振控制器201接偏振調(diào)制器202，同時 有光纖接串聯(lián)在光纖1或2中的相位調(diào)制器206，而偏振調(diào)制器202則接激光器 101。
光電檢測處理電路309檢測的電信號通入本電路，經(jīng)過運算放大器710、帶通 濾波器712、陷波器714、定增益的兩級放大器716、波形和相位選擇718的選擇后 將發(fā)出一個300ns輸出脈沖，波形和相位選擇718的輸出連接89C52單片機(jī)，使其中 的觸發(fā)器722—個輸入端，該輸入端接受第一條光路傳來的相位調(diào)制信號，經(jīng)選擇 判斷為對管道破壞性事件振動波譜和相位的信號觸發(fā)脈沖，觸發(fā)器722此時為高電 平。
, 光電檢測處理電路310檢測的電信號通過運算放大器711、帶通濾波器713、 陷波器715、定增益的兩級放大器717、波形和相位選擇719，波形和相位選擇719 的另 一端輸入還連接管道破壞性事件振出脈沖，波形和相位選擇719的輸出連接 89C52單片機(jī)，使其中的觸發(fā)器722—個輸入端，該輸入端接受第二條光路傳來的 相位調(diào)制信號，經(jīng)選擇判斷為對管道破壞性事件振動波譜和相位的信號觸發(fā)脈沖， 觸發(fā)器722此時為低電平。
89C52單片機(jī)中的觸發(fā)器722的輸出端連接等精度、高精度高速計數(shù)器723的 輸入端，計數(shù)器723接收722的高電平的上跳沿開始計數(shù)，嵌入式系統(tǒng)723接受722 的高電平的下跳沿結(jié)東計數(shù),計數(shù)器723的第三個輸入端還連接基準(zhǔn)時鐘晶振724,
基準(zhǔn)時鐘晶振為10M以上，計數(shù)器723的輸出端連接鎖存器725，鎖存器725的輸出 端同時連接定位數(shù)據(jù)顯示器726和并行數(shù)據(jù)傳送接口或串行接口控制器727,接口 控制器727的輸出端連接嵌入式系統(tǒng)或單片機(jī)系統(tǒng)728，嵌入式系統(tǒng)728根據(jù)計數(shù)器 723的計數(shù)數(shù)值M,即可計算出事件發(fā)生的位置。
本系統(tǒng)配上光路系統(tǒng)而構(gòu)成的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)某管線實際使用、測試， 對管道附近地面動土開挖、觸動管道、在管道上焊接、打孔測知的定位精度高，且 監(jiān)測穩(wěn)定、可靠、無漏檢。
本系統(tǒng)對土壤振動信號的檢測具有很高的靈敏度，可以有效檢測光纜附近3 米以內(nèi)的任何土壤振動信號；事件檢測定位精度高，定位精度可達(dá)±10米，完全 滿足管道維護(hù)搶修要求。本系統(tǒng)不但適用于管道的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，也適用于 其它重要設(shè)施和重要區(qū)域的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，比如通信光纜、交通設(shè)施、文 物保護(hù)區(qū)、軍械庫、重點機(jī)關(guān)和重要工業(yè)廠區(qū)等重要設(shè)施與區(qū)域的光纖安全預(yù)警 系統(tǒng)。
由上可見，本發(fā)明可以有效檢測光纜附近3米以內(nèi)的任何土壤振動信號并對 事件檢測定位精度高，定位精度可達(dá)±10米，且監(jiān)測穩(wěn)定、可靠、無漏檢；解決 了埋地管道、構(gòu)筑物或地面構(gòu)筑物、重要設(shè)施與區(qū)域免受破壞的光纖安全預(yù)警系 統(tǒng)的準(zhǔn)確定位問題。
權(quán)利要求
1.一種埋地管道、構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護(hù)預(yù)警的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng)，包括與管道同溝敷設(shè)或敷于構(gòu)筑物周圍地下的三根光纖[1]、[2]、[3]及由合分波器[203]、合分波器[204]與光纖[1]、[2]組成馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀及激光器[101]，其特征是偏振調(diào)制器[202]由光纖串聯(lián)在激光器[101]與合分波器[203]之間，在由干涉光纖[1]、[2]、傳輸光纖[3]和合分波器[203]、[204]組成的光纖干涉儀的合分波器[203]上由兩根光纖各連接光電檢測處理電路[309]和光電檢測處理電路[310]，該兩光電檢測處理電路[309]和光電檢測處理電路[310]的輸出各依次串聯(lián)信號調(diào)理電路[312]、信號調(diào)理電路[313]、A/D[314]、A/D[315]后一并接到運算系統(tǒng)[733]的輸入，運算系統(tǒng)[733]的輸出接數(shù)據(jù)輸出接口[734]；而光電檢測處理電路[309]或光電檢測處理電路[310]有一輸出接偏振控制器[201]，偏振控制器[201]與偏振調(diào)制器[202]有電信號線連接，并由偏振控制器[201]的輸出接至串聯(lián)在光纖[1]或[2]中的相位調(diào)制器[206]，另有一輸出接相位控制器[205]，并由相位控制器[205]的輸出接至串聯(lián)在光纖[2]或[1]中的相位調(diào)制器[206]。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng),其特征是偏振調(diào)制器[202] 串聯(lián)在由光纖連接的激光器[101]和合分波器[203]之間，合分波器[203]由兩根 光纖接至一光電檢測處理電路[309]的兩光輸入口，光電檢測處理電路[309]的兩 電輸出口各接集成了 A/D312轉(zhuǎn)換電路的偏振控制主機(jī)[201-1]和集成了信號調(diào) 理電路[313]、 A/D315的相位控制主機(jī)[205-l]的I/O 口，偏振控制主機(jī)[201-1] 輸出口接偏振控制器[201-2]的輸入口，偏振控制器[201-2]的輸出口一路接偏振 調(diào)制器[202]的輸入口，另一路接相位調(diào)制器[206]的輸入口，相位控制主機(jī) [205-1]的輸出口接相位控制器[205-2]的輸入口，相位控制器[205-2]的輸出口 接另一相位調(diào)制器[206]的輸入口；同時光電檢測處理電路[309]的兩電輸出口各接 A/D[314]、 A/D [315]，而A/D[314]、 A/D [315]的輸出接到定位主機(jī)[735]。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng),其特征是所述激光器 [IOI]是連續(xù)單色激光器。
4. 一種埋地管道、構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護(hù)預(yù)警的光纖安全預(yù) 警定位系統(tǒng)，包括與管道同溝敷設(shè)或敷于構(gòu)筑物周圍地下的三根光纖[l] 、 [2]、 [3]及由合分波器[203]、合分波器[204]與光纖[1]、 [2]組成馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀及激光器[IOI]，其特征是偏振調(diào)制器[202]由光 纖串聯(lián)在激光器[101]與合分波器[203]之間，在由干涉光纖[1]、[2]、傳輸光纖[3] 和合分波器[203]、合分波器[204]組成的光纖干涉儀的合分波器[203]上由兩根光纖各連接光電檢測處理電路[309]和光電檢測處理電路[310]，該兩光電檢測處理 電路[309]和光電檢測處理電路[310]的輸出各依次串聯(lián)運放[710]、 [711]、帶 通波器[712]、 [713]、陷波器[714]、 [715]、兩級放大[716]、 [717]、波形 相位選擇[718]、 [719]后共同接觸發(fā)器[722]輸入，觸發(fā)器[722]輸出以次串 接有晶振[724]輸入的計數(shù)器[723]、有顯示器[726]輸出的鎖存器[725]、 接口控制器[727]、嵌入系統(tǒng)[728];光電檢測處理電路[309]和光電檢測處理 電路[310]的輸出接偏振控制器[201]、相位控制器[205]，相位控制器[205]有光 纖接串聯(lián)在光纖[2]或[1]中的相位調(diào)制器[206],偏振控制器[201]與偏振調(diào)制 器[202]有電信號線連接,并有光纖接串聯(lián)在光纖[1]或[2]中的相位調(diào)制器 [206]。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng)，其特征是光路系統(tǒng)的兩輸 出各接至光電檢測處理電路[309]和光電檢測處理電路[310]的輸入端，該兩光電 檢測處理電路[309]和光電檢測處理電路[310]的輸出各從OP1 TL84L0WPass和0P5 TL84L0WPass的INPUT端輸入，0Pl TL84L0WPass和其輸出連接的0P2 TLHighPass組 合實現(xiàn)運放[710]和帶通濾波器[712]之功能，0P5 TL84L0WPass和其輸出連接的 0P6 TLHighPass組合實現(xiàn)運放[711]和帶通濾波器[713]之功能，與0P2 TLHighPass串聯(lián)的0P3 TL84Amp實現(xiàn)陷波器[714]之功能，與0P6 TLHighPass串 聯(lián)的0P7 TL84Amp實現(xiàn)陷波器[714]之功能，具有一級放大和陷波器[714]功 能的0P3 TL84Amp輸出接波形相位選擇[718]的Ul 4053，具有一級放大和陷波 器[715]功能的0P7 TL84Amp輸出接波形相位選擇[719]的U4 4053, Ul 4053輸 出依次串聯(lián)具有一級放大的0P4 TL84Amp、 整形的U2 40106、 產(chǎn)生脈沖的U3 74HC123,由U3 74HC123輸出脈沖，并由輸出波形反回選擇U1 4053的開關(guān)，同樣 U44053輸出依次串聯(lián)具有一級放大的0P8 TL84Amp、整形的U5 40106、產(chǎn)生脈 沖的U6 74HC123,由U6 74HC123輸出脈沖，并由輸出波形反回選擇U4 4053的開關(guān)； 由U3 74HC123和U6 74HC123輸出接實現(xiàn)觸發(fā)器[722]、晶振[724]、計數(shù)器 [723]、鎖存器[725]、接口控制器[727]、嵌入系統(tǒng)[728]功能的89C52系列單 片機(jī)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng)，其特征是所述激光器 [IOI]是連續(xù)單色激光器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng),其特征是所述波形相 位選擇[718]、波形相位選擇[719]為4053系列模塊。
全文摘要
本發(fā)明是一種埋地管道、構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護(hù)預(yù)警的光纖安全預(yù)警定位系統(tǒng)。它是偏振調(diào)制器[202]由光纖串聯(lián)在激光器[101]與光纖干涉儀的合分波器[203]之間，合分波器[203]由兩根光纖各連接光電檢測處理電路[309]和[310]，該兩光電檢測處理電路[309]和[310]的輸出各依次串聯(lián)信號調(diào)理電路[312]、[313]、A/D[314]、[315]后一并接到運算系統(tǒng)[733]的輸入，運算系統(tǒng)[733]輸出接數(shù)據(jù)輸出接口[734]；光電檢測處理電路[309]或[310]有一輸出接與偏振調(diào)制器[202]有電連接的偏振控制器[201]，偏振控制器[201]的輸出接至串聯(lián)在光纖[1]或[2]中的相位調(diào)制器[206]，另有一輸出接相位控制器[205]，相位控制器[205]輸出接至串聯(lián)在光纖[2]或[1]中的相位調(diào)制器[206]。
文檔編號H04B10/12GK101098193SQ20061009090
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者宇 歷, 周勁峰, 崔海龍, 張金權(quán), 方德學(xué), 楊文明, 焦書浩, 贏 王, 飛 王, 王小軍, 閆會朋, 峰 霍 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司;中國石油天然氣管道局