基於通信光纜的地震預警系統的製作方法

2023-05-16 05:23:11

專利名稱：基於通信光纜的地震預警系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於通信光纜的地震預警系統，屬於光纜監控、地震 預警領域。
背景技術：
地震預警是指在地震發生以後，搶在地震波傳播到設防地區前， 向設防地區提前幾秒至數十秒發出警報，以減小當地的損失。
目前，世界上已開發使用的地震預警系統很多，所用的技術一般 是基於地震波的橫波和縱波的時間差。地震波分為橫波和縱波，其中
橫波是造成災害的主要原因，但在地殼中傳播速度較慢，約4km/s。 縱波傳播方向與地震振動方向一致，在地殼中傳播較快，約7km/s， 當它到達地面時物體會上下顛簸。所以可以在破壞力大的橫波到來前 幾秒至幾十秒推測出震源、震級和烈度，並通過數據傳輸介質傳遞到 可能受到影響的地區，讓這些地區的重要設施及人群密集區提前十幾 秒能夠做出應急措施。

發明內容
本發明旨在提供一種基於通信光纜的地震預警系統，可對光纜鋪 設區域地質狀況進行實時監控，通過光纜的振動信息來判定地震是否 發生，並利用地震波傳輸速度與光波傳輸速度的差異來實現預警功 能。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是基於通信光纜的地 震預警系統，由通信光纜、光反饋裝置、光纜振動信息提取裝置和光
纜振動信息處理平臺組成；所述光反饋裝置是一個法拉第旋轉平面
鏡，安裝在通信光纜的一端的光纖端面處；通信光纜的另一端與光纜 振動信息提取裝置相連，所述光纜振動信息提取裝置是一種白光幹涉 式全光纖幹涉裝置，主要由雷射器、全光纖幹涉裝置和光電探測數據 處理系統組成，所述雷射器的雷射經過全光纖幹涉裝置的耦合器分 光， 一路經準直後、通過光纜的光纖傳輸至光反饋裝置、並被反射再 通過光纜返回、經準直和延時反射後、被耦合器的一端接收，另一路 經延時反射和準直後、通過光纜的光纖傳輸至光反饋裝置、並被反射 再通過光纜返回、經準直後、被耦合器的另一端接收，差頻幹涉後， 產生穩定的幹涉條紋，經探測器光電轉換後，得到兩路幹涉信號；所 述光纜振動信息處理平臺主要由計算機數據處理系統組成，它與振動 信息提取裝置連接。
所述通信光纜佔用通信線路中1個信道，可使用已鋪設好、正在 運營中、且具有1信道預留的老通信光纜線路，也可使用新設計的通 信光纜線路。
所述光纜振動信息提取裝置使用的^光器是工作波長為1.31 (im 或1.55pm的超輻射發光二極體;所述全光纖幹涉裝置可以由三隻2x2 光纖耦合器組成，也可以由一隻2x2光纖耦合器和一隻3x3光纖耦合 器組成。
所述光反饋裝置可以是法拉第旋轉鏡，也可以在通信光纜的光纖 端面鍍反射膜作為反射鏡。
本發明利用了近20年來迅速發展的光纖通訊網絡，構建傳感、 傳輸合一的網絡，無需構建全新的地震監控站，已經鋪設的光纜就是 地震觀測傳感器，大大加大了監測面積；同時，在現有的通訊網絡上， 無需採用任何專用傳感器件，不影響通訊功能。因此本發明地震預警 系統具有以下特點
1、 監測範圍廣、投資小、利用率高。
2、 報警信息傳輸速度極高，事實上，採用光纜網絡構建的地震
預警系統，其信息傳遞時間為光速，而具有危害性的地震橫波傳播速
度僅為每秒4公裡。這樣巨大的速度差，能為更多生命財產的保全爭 取寶貴的時間。
3、 監控區域與保護或報警的明確對象相關。網絡布設必然是有 人活動的地域，布設密度也與人口密度大致成比例關係。換言之，越 是需要保護的高危區域，這種傳感網絡密度越高、靈敏度、可靠性也 越高。
4、 突出的全系統抗毀損性。光纖光縛蘿_訊網絡分布稠密，並廣 泛應用現代可靠的路由技術，確保即便有個別區域在強震時發生斷 裂、破壞，也依然能經由網絡將報警信息有效傳遞出來。
5、 進一步開發出系統衍生功能，還可利用該系統實現對現有光 纜網絡安全性的實時監控，對各種威脅網絡輸運介質安全的盜竊、竊 聽、破壞活動進行預警。
因此，本發明所述的基於通信光纜的地震預警系統可提前數十秒 甚至更多的時間將威脅性強震信息傳輸到各個可能受威脅的城鎮，盡 可能減少強震帶來的損失。本系統還可用於監控光纜鋪設區域的山體 滑坡及人為破壞等事件。


圖1為本發明基於通信光纜的地震預警系統結構示意圖2為地震波對光纜的擾動示意圖3為光纜感受人為擾動示意圖4為山體滑坡對光纜的擾動示意圖5為光纜感受大範圍擾動的頻譜波形圖6為光纜感受單點擾動的頻譜波形圖7為光纜感受小範圍擾動的頻譜波形圖。
具體實施例方式
本發明按圖1所示搭建基於通信光纜的地震預警系統。光反饋裝 置連接所鋪設通信光纜的一端，通信光纜的另一端接光纜振動信息提 取裝置，光纜振動信息提取裝置的輸出信號通過數據採集卡將信號採 集進計算機進行信號處理，通過軟體算法構造光纜振動信息處理平 臺。
通信光纜佔用通信線路中1個信道。可應用於鋪設好、有1信道
預留的老線路，也可應用於新設計線路中。系統監控範圍可達100km 以上。
光反饋裝置的功能是反射入射光信號，調整光路偏振態，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。
光反饋裝置的特點是不僅可以實現傳輸的光正反方向兩次通過 擾動點，在相同外界信號激勵的環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處的光纖(相當於一個相位調製器)偏振態 隨機變化對幹涉系統的影響；同時，能夠實現相位調製信息的單根光 纖提取。
在相同的外界信號激勵下，採用光波在傳感光纖中通過兩次的技 術方案，得到相位差的倍增效果，即實現了相位靈敏度提高一倍。所 以此類相位調製方法除了應用於光纖定位監測系統之外，還可以廣泛 應用於光纖傳感、光纖通信領域。
實現上述方法的反饋裝置由兩種選擇，其一為採用在傳感光纖端 面鍍反射膜的方式，使得光纖中的光到達端面後被重新耦合到光纖 中，此時的反射膜可以作為平面鏡處理；其二在光纖端面採用法拉第 旋轉平面鏡，使得光被反射的同時，光的偏振面旋轉90'，然後再耦 合到傳感光纖中實現了雙倍調製。在光纖幹涉系統中都會遇到偏振態 的隨機擾動問題，嚴重時，會造成幹涉條紋消失。採用上述反饋裝置， 能夠有效克服外界擾動作用在傳感光纖上時發生的偏振態變化造成
的幹涉條紋消失。
光纜振動信息提取裝置的功能是將作用於鋪設光纜上的各種振 動信息提取出來。任何一次地震都表現為對環境的振動，根據光纖的 "彈光"效應，任何振動都會引起光纜內傳輸光程發生變化，利用前期 光纖振動傳感技術(專利全光纖振動測量裝置，專利號
ZL03229729.7;構建光纖反饋延遲的方法及其構建的全光纖白光幹涉 系統，專利號ZL200410093482.6),能夠有效實現對光纜環境振動 的檢測。
具體來說，光纜振動信息提取裝置是一種白光幹涉式全光纖幹涉 裝置，主要由雷射器、全光纖幹涉裝置和數據處理系統組成。其中激 光器是工作波長為1.31拜或1.55jim的超輻射發光二極體；全光纖幹 涉裝置可以由三隻2 X 2光纖耦合器組成，也可以由一隻2 X 2光纖耦 合器和一隻3X3光纖耦合器組成，雷射經過耦合器分光、差頻幹涉 後，可直接測量振動對象，產生穩定的幹涉條紋，經探測器光電轉換 後，得到兩路幹涉信號。
其工作原理是構造光路使得光纖中傳導的光波不同時刻往返通 過擾動點(非法入侵時引起的振動)，監測光纖的擾動使幹涉系統中 形成相位差A^。而相位差A^的變化反應了外界擾動信號的大小，因 此只要通過算法將Ap反演出來，就可以完成對外界振動信號的提取 功能。這可將兩路幹涉信號用數據採集卡接入計算機通過軟體來實 現，是光纜振動信息處理平臺的一部分功能。
光纜振動信息處理平臺的功能是將兩路幹涉信號還原為外界振 動信號，並對振動信號進行分析，判定是地震還是局部環境擾動，這 是整個系統的核心技術。地震發生引起地面振動是一個區域問題，不 是某一點發生的振動。根據地震的這個特性， 一定存在這樣一個事實, 地震對光纜的擾動區域一定是長距離的，如圖2所示。而一般的山體 滑坡和人為擾動對光纜的擾動是短距離的，如圖3和圖4所示。利用
前期技術積累，我們構建的系統利用振動頻譜特性中存在頻率缺損特 性，可準確確定出外界局部擾動的具體位置。如果光纜鋪設環境發生
了大範圍(lkm以上)擾動，我們定義為地震發生。在這種情況下， 系統可根據振動頻譜特性中頻率缺損不存在這一特點，準確判定出地 震發生事件。
頻譜缺損點產生的原理是基於當擾動信號作用於傳感光纖時，系 統無法感應擾動信號中某一周期性的特徵頻率，表現為對A^作快速 傅立葉變換後頻譜域上這一系列特徵擾動頻率對應的幅值明顯小於 周邊頻率對應的幅值，存在所謂"陷波點"，根據"陷波點"的位置 可以對擾動點進行定位。
因此，光纜振動信息處理平臺首先通過兩路幹涉信號時域波形的 幅度大小判斷是否有擾動產生，若有，再將其還原為外界振動信號， 再對其運用頻譜分析等信號處理方法求得振動頻譜，可得到缺損頻譜 值UW。但若擾動是大面積的，則頻譜上不會有缺損點產生。利用 這一特徵可判定是否為地震產生的擾動。
分別對鋪設光纜施加不同範圍內的擾動信號。對光纜施加大範圍 的擾動信號所得到的頻譜波形圖如圖5所示。在光纜的某一處施加擾 動信號所得到的頻譜波形圖如圖6所示。對光纜施加小範圍的擾動信 號所得到的頻譜波形圖如圖7所示。從三圖的比較中可以看出，當光 纜感受大範圍擾動時，所採集的信號頻譜圖上不存在頻率缺損點；而 當光纜感受單點擾動時，所採集的信號頻譜圖上頻率缺損點十分明 顯，並且這些頻率缺損點呈單倍、三倍、五倍......的關係；當光纜感
受小範圍擾動時，所採集的信號頻譜圖上存在頻率缺損點，但不太明 顯。由這些區別中可確定是地震還是局部環境擾動或人為擾動。
因為光波傳輸速度遠大於地震波傳輸速度，所以完全可以利用這 一速度差異來實現預警功能。系統可提前數十秒將威脅性強震信息傳 輸到各個可能受威脅的城鎮，儘可能減少強震帶來的損失。 此外，由於整個監控系統與通信系統共享線路硬體，獲得的地震 預警信息可在第一時間通過所鋪設的光纜發布到各通信終端，通過手 機簡訊、電視、廣播等媒體將地震警報信息向民眾告知，進一步為避
權利要求
1. 一種基於通信光纜的地震預警系統，其特徵在於它由通信光纜、光反饋裝置、光纜振動信息提取裝置和光纜振動信息處理平臺組成；所述光反饋裝置是一個法拉第旋轉平面鏡，安裝在通信光纜的一端的光纖端面處；通信光纜的另一端與光纜振動信息提取裝置相連，所述光纜振動信息提取裝置是一種白光幹涉式全光纖幹涉裝置，主要由雷射器、全光纖幹涉裝置和光電探測數據處理系統組成，所述雷射器的雷射經過全光纖幹涉裝置的耦合器分光，一路經準直後、通過光纜的光纖傳輸至光反饋裝置、並被反射再通過光纜返回、經準直和延時反射後、被耦合器的一端接收，另一路經延時反射和準直後、通過光纜的光纖傳輸至光反饋裝置、並被反射再通過光纜返回、經準直後、被耦合器的另一端接收，差頻幹涉後，產生穩定的幹涉條紋，經探測器光電轉換後，得到兩路幹涉信號；所述光纜振動信息處理平臺主要由計算機數據處理系統組成，它與振動信息提取裝置連接。
2. 根據權利要求1所述的基於通信光纜的地震預警系統，其特 徵在於所述通信光纜佔用通信線路中l個信道，可使用己鋪設好、 正在運營中、且具有1信道預留的老通信光纜線路，也可使用新設計 的通信光纜線路。
3. 根據權利要求1或2所述的基於通信光纜的地震預警系統， 其特徵在於所述光纜振動信息提取裝置使用的雷射器是工作波長為 1.31pm或1.55拜的超輻射發光二極體；所述全光纖幹涉裝置可以由 三隻2x2光纖耦合器組成，也可以由一隻2x2光纖耦合器和一隻3x3 光纖耦合器組成。
4. 根據權利要求3所述的基於通信光纜的地震預警系統，其特 徵在於所述光反饋裝置也可以在通信光纜的光纖端面鍍反射膜作為 反射鏡。
全文摘要
本發明涉及一種基於通信光纜的地震預警系統，可對光纜鋪設區域地質狀況進行實時監控，通過光纜所受的振動信息來判定地震是否發生，並利用地震波傳輸速度與光波傳輸速度的差異來實現預警功能，地震預警系統可提前數十秒甚至更多的時間將威脅性強震信息傳輸到各個可能受威脅的城鎮，儘可能減少強震帶來的損失。本系統還可用於監控光纜鋪設區域的山體滑坡、泥石流等局部地質災害和人為破壞等惡性事件；具有監測範圍廣、靈敏度高、可靠性好、投資小、利用率高等特點。
文檔編號G02B6/46GK101393268SQ200810202389
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月6日 優先權日2008年11月6日
發明者吳紅豔, 璜 唐, 波 賈 申請人:復旦大學