專利名稱：一種全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電監(jiān)控、地質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國幅員遼闊，地質(zhì)地理環(huán)境極為復(fù)雜，以泥石流為代表的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，分布極 為廣泛，難以監(jiān)測預(yù)防，一旦發(fā)生，對國民生命財產(chǎn)造成的損失極大。今年以來，甘肅舟曲和 四川多地的突發(fā)泥石流，也揭示了這一點(diǎn)。而目前對于廣泛地域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害，尤其是最可 能造成重大損失的動態(tài)突發(fā)災(zāi)害，仍缺乏有效、可行和經(jīng)濟(jì)的觀測、監(jiān)控以及預(yù)警手段。泥石流的預(yù)報，與地震的準(zhǔn)確預(yù)報一樣，在全世界都是一道難題。因?yàn)榘l(fā)生泥石流 的可能區(qū)域，分布很廣。尤其在地質(zhì)地理環(huán)境異常復(fù)雜的西部山區(qū)，包括溝道、沖擊槽、河床 等多種地貌，都可能在一定降雨后，形成泥石流。在震后的山區(qū)，由于山體表層土石松動，更 易發(fā)生泥石流。而在降雨比較多的西南地區(qū)，泥石流的發(fā)生時間，還具有很大的突發(fā)性。所 以，廣闊的地域分布，惡劣的自然環(huán)境和難以準(zhǔn)確估計的發(fā)生時間，成為橫亙在泥石流監(jiān)控 技術(shù)前的巨大阻礙?，F(xiàn)有的泥石流監(jiān)控技術(shù)，主要是在預(yù)先判定的泥石流高發(fā)區(qū)域，如山溝，通過布設(shè) 泥位計、視頻攝像機(jī)、水位計、雨量計等設(shè)備，并依賴人力觀察，來對泥石流、山洪等突發(fā)災(zāi) 害實(shí)現(xiàn)報警。而在容易發(fā)生泥石流的惡劣、偏僻、艱險的野外地形進(jìn)行人力實(shí)地和實(shí)時地觀 測，困難重重。這些設(shè)備，大多基于電磁學(xué)的原理，監(jiān)測點(diǎn)狀區(qū)域。因此，在惡劣的戶外，電 磁設(shè)備和為此布設(shè)的輸能電纜，在長期工作的穩(wěn)定性和可靠性，存在隱患。而點(diǎn)狀傳感器， 在對大區(qū)域(甚至遍布地質(zhì)災(zāi)害隱患的廣闊的震后山區(qū))進(jìn)行布防時，傳感器的整合、設(shè)備 的集成、數(shù)據(jù)的匯總和大量拉設(shè)的電氣線纜，不僅復(fù)雜、昂貴，而且工程難度和長期的維護(hù) 工作也極具增加。日本作為地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)國度，在泥石流監(jiān)控上，具有一定領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，并率 先發(fā)現(xiàn)，可以通過振動(音頻)的檢測，來預(yù)先判斷泥石流等災(zāi)害險情。為此，本發(fā)明提出，采用光纖(光纜)，在可能存在泥石流隱患的典型地域，構(gòu)建全 新的廣域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對泥石流實(shí)現(xiàn)實(shí)時、在線的監(jiān)控和預(yù)警。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器本身不帶電，具有抗電磁干擾、無電磁輻射、電 絕緣、耐腐蝕、易于遠(yuǎn)程傳輸、靈敏度高、質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，光纖能夠在人員觀測不便 的地方(惡劣險峻的野外環(huán)境)進(jìn)行長期布設(shè)觀測。而基于寬譜干涉技術(shù)開發(fā)的光纖傳感 器，對于振動的監(jiān)測范圍，覆蓋了泥石流形成到爆發(fā)的頻率范圍，所以可用光纖傳感器來作 為泥石流災(zāi)害監(jiān)測的一種手段。該技術(shù)與常規(guī)采用電磁器件進(jìn)行點(diǎn)狀觀測的技術(shù)體系完全不同，其采用的是適于 野外惡劣環(huán)境大面積布設(shè)的光纜構(gòu)成成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電磁方法難以企及的野外環(huán)境廣 域監(jiān)控；該技術(shù)也與光纖光柵、光纖時域反射技術(shù)等其他光纖靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)控技術(shù)不同， 它的監(jiān)測對象為最可能產(chǎn)生重大損失的突發(fā)性振動信號，而非緩變的銹蝕、裂隙等靜態(tài)威 脅。其技術(shù)內(nèi)容包括全新的寬譜干涉技術(shù)結(jié)合模式識別技術(shù)，以及傳感網(wǎng)絡(luò)與通訊網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能適于野外惡劣環(huán)境的，實(shí)時、在線、準(zhǔn)確監(jiān)測泥石流 的系統(tǒng)。本發(fā)明提供的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，它用全光纖構(gòu)成的前端傳感器，布設(shè)在可能產(chǎn)生 泥石流的大范圍野外地域，實(shí)時地采集外界包括聲音在內(nèi)的振動信號；通過光纖將振動信 號傳輸?shù)轿挥谶h(yuǎn)端機(jī)房的主機(jī)，經(jīng)過干涉解調(diào)，實(shí)時地將振動信號還原出來；并將振動信號 采集進(jìn)計算機(jī)進(jìn)行信號分析處理，與典型的泥石流產(chǎn)生的頻譜進(jìn)行比對和判斷，實(shí)現(xiàn)對泥 石流發(fā)生狀況的實(shí)時監(jiān)控，并可提前預(yù)警。本發(fā)明提供的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，是一種全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感光纖、光反 饋裝置、光纖振動信息提取裝置和泥石流信號處理平臺組成；所述傳感光纖為傳感、傳輸 共用光纖，布設(shè)于泥石流可能產(chǎn)生的地域，具體可將光纖纏繞成圈狀或網(wǎng)狀，以捕捉泥石流 發(fā)生時的聲音信號；也可以將光纖以單根或網(wǎng)狀形式埋于地表下，捕捉泥石流沖擊地表 時產(chǎn)生的振動信號。所述光反饋裝置是一個法拉第旋轉(zhuǎn)平面鏡，安裝在傳感光纖的一端的 光纖端面處。傳感光纖的另一端與光纖振動信息提取裝置相連，所述光纖振動信息提取裝 置是一種白光干涉式全光纖干涉裝置，由激光器、全光纖干涉裝置和光電探測數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)組成，所述激光器的激光經(jīng)過全光纖干涉裝置的耦合器分光，一路經(jīng)準(zhǔn)直后、通過傳感光 纖傳輸至光反饋裝置、并被反射再通過光纜返回、經(jīng)準(zhǔn)直和延時反射后、被耦合器的一端接 收，另一路經(jīng)延時反射和準(zhǔn)直后、通過傳感光纖傳輸至光反饋裝置、并被反射再通過光纜返 回、經(jīng)準(zhǔn)直后、被耦合器的另一端接收，差頻干涉后，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn) 換后，得到兩路干涉信號；所述泥石流信號處理平臺主要由計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，它通 過數(shù)據(jù)采集卡與振動信息提取裝置連接，此平臺具有識別泥石流信號并進(jìn)行及時預(yù)警的功 能。所述全光纖干涉裝置可以由三只2 X 2光纖耦合器組成，也可以由一只2 X 2光纖 耦合器和一只3X3光纖耦合器組成。所述全光纖干涉裝置所用的激光器是工作波長為1. 31 μ m或1. 55 μ m的超輻射發(fā)
光二極管。所述光反饋裝置可以是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，也可以在通信光纜的光纖端面鍍反射膜作 為反射鏡。本發(fā)明所具有的優(yōu)勢是
1.采用了耐腐蝕、適于長距離布設(shè)、施工簡單的光纖(光纜)，取代了傳統(tǒng)的應(yīng)變測試 片、振動測試裝置、泥位計、流量計，和各種電線電纜，適合野外自然環(huán)境復(fù)雜、惡劣的工況。2.采用了大面積的連續(xù)布設(shè)方法，取代傳統(tǒng)設(shè)備點(diǎn)狀、離散的布設(shè)方法，更符合 潛在地質(zhì)災(zāi)害需要長距離、大范圍廣域布防的現(xiàn)實(shí)要求。3.采用不易受到電磁干擾的光纖傳感器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的振動(聲音)錄入裝置，拓 寬了聲音錄入的應(yīng)用領(lǐng)域，測量人耳不能到達(dá)的領(lǐng)域，從而用于振動頻域更寬的多種動態(tài) 地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測。4.通過后端的振動信號分析軟件，可實(shí)時分析振動信號，結(jié)合地質(zhì)科研部門的數(shù)據(jù)信息，識別泥石流發(fā)生時的特征振動信號，以進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)布局圖示。
具體實(shí)施例方式按照本發(fā)明方法所構(gòu)建的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)由四部分構(gòu)成，第一部分為傳感光纖， 第二部分為光反饋裝置，連接于所鋪設(shè)的傳感光纖的一端；第三部分為光纖振動信息提取 裝置，連接所鋪設(shè)傳感光纖的另一端；第四部分為泥石流信號處理平臺，通過數(shù)據(jù)采集卡連 接振動信息提取裝置。傳感光纖是布設(shè)在泥石流可能發(fā)生的區(qū)域，采集作用于傳感光纖上的振動信號。 可以將光纖纏繞成圈狀捕捉泥石流發(fā)生時的聲音信號，也可以將光纖以單根或網(wǎng)狀形式埋 于地表下，捕捉泥石流沖擊地表時產(chǎn)生的振動信號
光反饋裝置的功能是反射入射光信號，調(diào)整光路偏振態(tài)，使光纜振動信息提取裝置能 完成對同一振動信號兩次不同時刻的提取。光反饋裝置的特點(diǎn)是不僅可以實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)墓庹捶较騼纱瓮ㄟ^擾動點(diǎn)，在相同外 界信號激勵的環(huán)境下使得相位靈敏度提高一倍，而且能夠有效地避免擾動點(diǎn)處的光纖(相 當(dāng)于一個相位調(diào)制器)偏振態(tài)隨機(jī)變化對干涉系統(tǒng)的影響；同時，能夠?qū)崿F(xiàn)相位調(diào)制信息的 單根光纖提取。光波通過長度為I‘的光纖 一次時，產(chǎn)生的相位延遲為
Φ= β(1)
式中々為光波在光纖中的傳播常數(shù)，於= 知，其中力光波在光纖中傳播的有效折射 率，知為光波在真空中的波數(shù)。當(dāng)長度為/的光纖作為傳感元(相當(dāng)于擾動點(diǎn)處的一段光纖)受到外界信號調(diào)制 時，產(chǎn)生光波相位的變化A識為
α^=λφ = λ(泠)=βΔΙ +ΙΑβ(2)
進(jìn)一步整理化為 Λ Δ/ ΔΛ
Δ爐=Φ(丁 + 卞)(3)
外界信號引起光波的相位差可以用上式描述，主要包括兩項，第一項為光纖的長度發(fā) 生相對變化時引起的相位差，一般由應(yīng)變效應(yīng)引起；第二項為光波傳播常數(shù)的相對變化引 起的相位差，主要由電光效應(yīng)、彈光效應(yīng)、泊松效應(yīng)以及熱光效應(yīng)等引起。同時相位差Δ識與
光纖引起的相位延遲成正比關(guān)系。在外界激勵信號一定的情況下，即—定，為了得到更高的相位靈敏度，顯然可以通過增加傳感光纖長度I的方法實(shí)現(xiàn)，一般實(shí)現(xiàn)途徑是增 加實(shí)際的光纖長度，而本發(fā)明采用光波在光纖中兩次通過的方法，在沒有增加光纖物理長 度情況下,實(shí)際相位延遲為2Φ效果，采用此方法我們等到的相位差為 Λ . r kl ABs
權(quán)利要求
1.一種全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于由傳感光纖、光反饋裝置、光纖振動信息提 取裝置和泥石流信號處理平臺組成；其中，所述傳感光纖為傳感、傳輸共用光纖，布設(shè)于泥 石流可能產(chǎn)生的地域；所述光反饋裝置是一個法拉第旋轉(zhuǎn)平面鏡，安裝在傳感光纖的一端 的光纖端面處，或者所述光反饋裝置是一反射鏡，該反射鏡由傳感光纖的一端的光纖端面 處鍍一反射膜構(gòu)成；傳感光纖的另一端與光纖振動信息提取裝置相連，所述光纖振動信息提取裝置是一種 白光干涉式全光纖干涉裝置，由激光器、全光纖干涉裝置和光電探測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，所 述激光器的激光經(jīng)過全光纖干涉裝置的耦合器分光為兩路，其中一路經(jīng)準(zhǔn)直后通過傳感 光纖傳輸至光反饋裝置、并被反射再通過傳感光纖返回，經(jīng)準(zhǔn)直和延時反射后、被耦合器的 一端接收；另一路經(jīng)延時反射和準(zhǔn)直后通過傳感光纖傳輸至光反饋裝置、并被反射再通過 傳感光纖返回，經(jīng)準(zhǔn)直后被耦合器的另一端接收；差頻干涉后，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，經(jīng)光 電探測器光電轉(zhuǎn)換后，得到兩路干涉信號；所述泥石流信號處理平臺主要由計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，它通過數(shù)據(jù)采集卡與振 動信息提取裝置連接，此泥石流信號處理平臺具有識別泥石流信號并進(jìn)行及時預(yù)警的功 能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述全光纖干涉裝置由 三只2X2光纖耦合器組成，或者由一只2X2光纖耦合器和一只3X3光纖耦合器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述全光纖干涉裝 置所用的激光器是工作波長為1. 31 μ m或1. 55 μ m的超輻射發(fā)光二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述傳感光纖纏繞 成圈狀或網(wǎng)狀，以捕捉泥石流發(fā)生時的聲音信號，或者將所述傳感光纖以單根或網(wǎng)狀形式 埋于地表下，以捕捉泥石流沖擊地表時產(chǎn)生的振動信號。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電監(jiān)控、地質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種全光纖泥石流監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明用全光纖構(gòu)成的前端傳感器，布設(shè)在可能產(chǎn)生泥石流的大范圍野外地域，實(shí)時采集外界包括聲音在內(nèi)的振動信號；通過光纖將振動信號傳輸?shù)轿挥谶h(yuǎn)端機(jī)房的主機(jī)，經(jīng)過干涉解調(diào)，實(shí)時地將振動信號還原出來；并將振動信號進(jìn)行分析處理，與典型的泥石流產(chǎn)生的頻譜進(jìn)行比對和判斷，實(shí)現(xiàn)對泥石流發(fā)生狀況的實(shí)時監(jiān)控，并可提前預(yù)警。本系統(tǒng)還可用于監(jiān)控光纖(纜)鋪設(shè)區(qū)域的山體滑坡和山洪等局部突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；本系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣、靈敏度高、可靠性好、投資小、利用率高等特點(diǎn)。
文檔編號G08B21/10GK102063777SQ20111002534
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者吳紅艷, 唐璜, 肖倩, 賈波, 趙棟 申請人:復(fù)旦大學(xué)