光纤通信安全预警系统

摘要：提出了一种以光纤分布式扰动传感器为核心,通过随油气管线一同敷设的标准通信光缆为传感介质的新型光纤管线预警系统.该系统利用激光干涉的原理对扰动信号进行实时探测,从而实现对挖掘、偷盗和第三方破坏等事件导致的扰动的实时监测和定位,从而达到管线安全预警的功能.

随着光纤通信技术的普遍应用，通信光缆面临被外界毁坏的要挟越来越多。通信光缆被毁坏所形成的损失不可估量，目前只能是在光缆被毁坏后进行检测及采取弥补措施。而光纤通信平安预警系统是应用独有的毁坏事情专家数据库和神经网络剖析技术，对可能危害通信光缆平安的动土事情进行预警，完成对通信光缆进行长间隔无逢实时监测。

一、散布式光纤传感器工作原理

散布式光纤传感器是应用对外界信息具有敏感才能和检测功用的光纤作为传感元件，将传和感合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不只起传光的作用，而且还应用光纤在外界要素作用下，其光学特性(如光强、相位、偏振态等)的变化来完成传和感的功用。

1.1光纤传感原理

光纤传感用具有灵活度高、抗电磁干扰、构造简单、体积小等优点，因而在传感范畴中惹起人们的普遍关注。

光是一种电磁波，沿某一方向(如x方向)传播的光波，能够用平面波的动摇方程表示：

(1)

式中：空间频率k=2π/λ，λ为光波在真空中的波长;

A——电场E的振幅矢量;

ω——光波的振动频率;

φ——光相位;

t——光的传播时间。

可见，只需使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被丈量状态的变化而变化，或受被丈量调制，那么，经过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可取得所需求的被丈量的信息。

1.2散布式光纤传感器调制原理

光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其散布和波导的横向几何尺寸所决议，当光纤遭到纵向(轴向)的振动作用时，光纤的长度(应变效应)、纤芯的直径(泊松效应)、纤芯折射率(光弹效应)都将变化，这些变化将招致光纤中光波相位的变化。光波经过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为：

(2)

式中，β为光波在光纤中的传播系数。

当光纤长度或传播速度变化时，惹起光波相位变化为：

(3)

其中n为纤芯的折射率，r为纤芯的半径。

Δφ1为光纤长度变化惹起的相位延迟(应变效应);Δφ2为折射率变化(光弹效应)惹起的相位延迟，与光纤的横向应变ε

1、ε2(关于各向同性资料，ε1=ε2)以及光纤的纵向应变ε3有关;ε3为纤芯的直径变化(泊松效应)惹起的相位延迟。普通来说，Δφ3相关于前两项要小得多，能够疏忽不计。

1.3散布式光纤传感器解调原理

在散布式光纤传感器检测区域内，外界因数如：振动、位移、压力等的作用，使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发作变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光检测器LA、RA，并把光信号转换成电信号而取得被测参数。

当光纤遭到振动信号发作作用时，由于两条测试光纤在光缆中排列位置不同，会产生不同的应变，故两束相干光波会分别产生不同的相位变化。两束相干光波干预后的光强为：

(4)

式中Δs(t)为两束干预光波相位调制量之差;Δφ为二者初始相位之差;I

1、I2为二者光场振幅的平方。

设I0为输入到两条测试光纤中的总光强，α为两相干光波的混合效率，则有：

(5)

假如仅思索交流光强，式

(5)可简化为：

(6)

经过光电检测器将光强信号转化为电流信号通信系统安全，光电流的交流量为：

(7)

式中K为光电转换系数。当Δφ=π/2时，光电流和检测相位变化斜率最大，因此检测灵活度最高。其检测响应曲线如下图：

检测响应曲线图

Δs(t)是一个变量，检测信号是两束相干光波相位调制差Δs(t)的函数，经过实时检测干预光信号的变化，能够检测出散布式光纤传感器沿线的振动信号。

二、光纤通信平安预警系统的构造

光纤通信平安预警系统由预警单元FU、预警管理中端FST和区域监控中心DMC和光纤传感系统组成，其FU、FST、DMC的逻辑等级关系如图所示。

光纤通信平安预警系统的构造

2.1预警单元FU

预警单元FU：是通信管道平安预警系统的根底设备单元，由光源模块、光电模块、处置模块、监控模块、管理模块、数传模块、通信模块、电源模块等主要模块组成，装置在通信管道场站、阀室等设备的控制室内，完成传感信号的剖析、事情的辨认以及将处置数据上传到FST等工作。

2.2预警管理终端FST

预警管理终端FST：是FU的上级管理终端，由FST效劳器、操作维护终端、监听终端等主要局部组成，同时可装备短信模块、车载导航系统、GIS天文信息系统、监控大屏幕等辅助管理设备。FST装置在场站内，需求工作人员值守。FST可剖析处置FU上传的信号及数据，并进行分类、存储、上传到DMC等工作。当警情发作时，FST会产生声、光现场报警，提示工作人员采取相应的应对措施。

2.3区域监控中心

区域监控中心DMC：是预警系统的管理中心，由DMC效劳器、操作维护终端及相关的软件组成，DMC装置在场站或者运转维护中心内，需求工作人员值守。DMC能够同步显现FST的报警信息，也能够实时查询、监听各个FST及FU的工作状况。

2.4光纤传感系统光纤传感系统：即散布式传感器，实时感应土壤的震动信号并传输至FU，每个FU对应一个光纤传感系统。通信管道平安预警系统的光纤传感系统由近端适配器LA、远端适配器RA与其间的三根光纤共同组成，三根光纤中有两根是传感光纤，一根是回传光纤，当光纤产生震动时，振动信号会经过正反两个方面传向预警单元，依据信号的时延差能够计算出定位信息，感应光缆四周的土壤发作震动状况。

散布式光纤传感器工作原理图

三、光纤通信平安预警系统的应用功用

通信平安预警系统能够在外界毁坏事情发作之前正确的辨认出事情的性质，精确地定位出事情件发作的地点，并产生多种方式的告警信息，从而协助运转维护人员更有效的阻止毁坏通信光缆事情的发作。详细功用如下：

1)告警：系统可依据毁坏事情的严重水平分为多个级别告警;

2)声、光报警：当警情发作时，系统设备可产生现场声、光报警以提示工作人员留意;

3)事情辨认：系统可依据采集信号的频率特性，辨认出毁坏事情的性质，如人为光缆发掘、机械毁坏等;

4)短信告警：警情发作时，系统能够自动发送短信息给相关担任人;

5)人工辅助监听：系统自带人工辅助监听功用，可应用人耳进一步监听线路周边的震动状况;

6)联网管理：系统有两级网络管理终端，便于统一管理，可是现超长间隔监控;

7)多种组网：系统能够应用本身光通信模块单独组网运转，也能够应用已有通信网络组网运转。

四、完毕语

光纤通信平安预警系统是应用同沟敷设的通信光缆中的光纤作为散布式传感器，长间隔连续实时监测沿线的土壤振动状况，包括在通信光缆管道左近发掘、施工、人为毁坏油气管道、打孔盗油等，来剖析判别可能要挟通信管道光缆平安的毁坏事情，并能及时报警，起到平安预警的作用。同时，还能够对这些事情进行准确的剖析和定位，肯定事情的性质，经过GIS显现事情发作地的详细位置和性质，完成平安预警、监控、避免和减少毁坏沿线设备事故发作的功用。

（编辑：云计算网_宿迁站长网）

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