CN100337094C - 用于长途管线安全监测的光纤干涉型自动监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于长途管线安全监测的光纤干涉型自动监测方法及系统，利用并行铺设在长途管线附近的单模光纤，或被监测光缆中的备用单模光纤作为分布式传感元件；当管线有泄漏或外界对管线有破坏行为时，光纤的传输特性会发生改变，使激光在两条光纤中的光程差发生变化；利用光干涉方法探知这种变化，用频谱分析的方法分析外界对管线所施加作用的频域特征，以此为依据判断管线所受破坏的类型；同时，利用外力对单模光纤背向散射的影响，精确定位外力在管线上的作用位置；将多个监测系统组建成网络，可以实现超长距离管线的高灵敏度、远程、实时、自动监测。
Description
技术领域
本发明属长途油、水、气等输送管道和通信光缆安全监测领域，具体涉及一种用光纤干涉原理对长途管线进行安全监测的方法以及监测系统。
技术背景
长途油、水、气等输送管道和长途通信光缆多分布在荒郊野外等无人留守的地方，易受到外界人为和突发性自然灾害(如地震、滑坡等)的破坏，发生泄漏或断裂等事故。这些事故在造成巨大经济损失的同时，油气的泄漏还会带来严重的环境污染等问题，所以对埋设在野外的管线进行长期实时的安全监测尤为重要，而如何及时发现并精确定位破坏性事故更是管线安全监测的一大难题。
对长途油、水、气等输送管道的监测目前主要有以下几类方法：
1、监测管壁状况的方法
监测管壁状况的方法是利用管内探测球PIG或在管外壁安装一种对油、气敏感的特殊传感器来监测管壁是否有泄漏。探测球的方法主要依靠人手持射线探测器在地面上跟踪管内漂流的PIG，这种方法能准确探测和定位泄漏的发生，但只能间断进行，不能对管道全线进行实时监测，且探测球在管内随介质漂流，易发生堵塞。在管外壁安装特殊传感器的方法需要安装多个对油气敏感的传感器，工程造价昂贵，一旦传感器沾染上油气后需要更换，不能重复使用，这种方法不能用于对输水管道的监测。
2、监测管内液体状态的方法
监测管内液体状态的方法主要有模型法和基于信号处理的监测方法。模型法是通过建立管道的实时模型，在线估计管线的压力和流量，并与压力或流量的实测值相比较来进行泄漏故障诊断。这种方法需要对管线建模，模型的好坏直接影响到定位判断的准确性；另外，该方法还需要在管线上安装大量测量压力或流量的设备，实用性受到限制。基于信号处理的方法是通过探测管道发生泄漏时所形成的负压波来进行泄漏判断，根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度定出泄漏点。由于实际管线中的压力信号中混杂有大量的噪声，这些噪声既有来自仪器仪表的测量噪声，也有输送过程中的随机噪声和外界干扰，所以这种方法较为复杂，易受噪声的干扰而发生虚警或漏报。
3、使用强度型分布式光纤传感器的方法
对管道的泄漏监测，近来发展了一种强度型分布式光纤传感器的方法，它利用光纤作传感元件来探测管道泄漏的发生。其原理是利用外部事件对光纤传输特性的影响，通过检测光纤中传输的光强变化来判断管道泄漏和外力作用，通过检测光纤中背向散射光来定位泄漏发生的位置。这种方法可以在光纤长度上进行全线监测，但由于该方法是根据光损耗来判断外部事件，存在探测灵敏度低，监测距离短，难以判断破坏事件的类型等缺点。其原因在于光纤外面有很厚的保护层，且埋于地下，光纤中传输的激光在泄漏等外部事件的影响下变化很小；如果用单模光纤作传感元件，这种变化就更小，探测灵敏度很低，判断外部事件的能力有限；如果选用多模光纤作传感元件，探测灵敏度虽然比单模光纤高，但对激光的传输损耗增大，限制了该方法的监测距离。
对长途通信光缆的监测目前主要有光时域反射法。
光时域反射法的基本原理是利用外界对光纤背向散射光的影响，定位出事件(如断裂)发生的位置。当有外力作用在光纤上时，此法可以探测外力的大小和位置，但存在灵敏度差、不能判断事件类型等缺点。
在上述方法中，监测管壁状况和监测管内液体状态的方法只能在泄漏发生后才用于检测泄漏点，不具备预先告警的能力。而对长途油气管道的监测，如果仅仅在泄漏发生后才进行，此时泄漏已经发生，污染和损失已不可避免；而实际情况是管道的许多破坏事故是可以避免的，比如有人在管线上钻孔，或者有挖掘机正在管线上方作业，当这些事件严重威胁管道安全时，如能及时发现并采取适当措施，完全可以避免管线被人为破坏，减小因管道泄漏或通信中断带来的巨大损失。而强度型分布式光纤传感器的方法虽可以对管道的全线进行监测，对外部事件施加在管线的作用有一定的监测能力，但由于其原理的缺陷，存在探测灵敏度低、监测距离短、判断威胁事件类型的能力差等不足。用光时域反射计对长途通信光缆进行监测的方法主要存在灵敏度差和不能判断事件类型等缺点。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于，提出一种高灵敏度的长途管线安全监测的光纤干涉型自动监测方法及系统，以提高系统的探测灵敏度、增加监测距离，并对存在的威胁事件及其类型、发生位置做出准确的判断，从而在泄漏或断裂发生前就探知破坏行为的发生和准确定位破坏行为发生的位置。
实现本发明目的的技术方案如下：
1、在长途管线附近并行埋设包含有三条单模光纤的光缆作为分布式传感元件，当外界自然或人为事件对管线和光缆有外力作用或影响时，光纤的传播特性会发生变化。
2、利用其中两条单模光纤，通过设置窄线宽激光器、耦合器、相位偏置元件、偏振控制元件、无源反射器和干涉检测模块构成超长光程和超大相位差的迈克尔逊干涉仪，利用干涉法的超高灵敏度特性探测外部事件对单模光纤所施加的微弱影响，然后经计算机对信号进行滤波、处理，从而探测出发生在管线上的外部事件。
3、通过在迈克尔逊干涉仪的光路中设置周期相位调制单元，在硬件和软件中增加信号滤波、频谱分析等功能，提取光纤所受外力作用的特征，从而判断事件的类型及其可能存在的危害，对重大威胁发出告警。
4、在另一单模光纤的输入端设置背向散射检测模块，构成光时域反射计(OTDR)，当干涉仪发现管线上有重大事件后，处理计算机启动光时域反射计；光时域反射计利用光纤的传输特性在外力作用下会发生变化这一特点，检测背向散射光强度发生的突变，从而定位出外部事件发生的具体位置；光时域反射计在处理计算机的控制下，可以在粗定位基础上实现对外部事件的精确定位。
在上述方案中，核心问题是保证超长光程、超大相位差的两束光能产生干涉的条件，如果被监测的管线长到几十公里，两束光的光程和光程差非常大，超出了激光器的相干长度，因此在标准迈克尔逊干涉仪中增加了相位偏置单元、偏振控制单元以及采用窄线宽激光器来保证两束光能满足干涉仪的相干条件。
在上述方案中，在干涉仪的一条光路中增加了相位调制单元，产生一个固定的频谱信号，通过分析在此基础上叠加的事件的频谱信号，可以判断事件的类型。
实现所述方法的光纤干涉型自动监测系统具有以下结构：
1、在长途管线附近并行埋设包含三条单模光纤的光缆，作为分布式传感元件。如果被监测对象是长途通信光缆，也可以利用该通信光缆中的备用单模光纤作为分布式传感元件。
2、在其中两条单模光纤的一端设置激光器、2×2耦合器、偏振控制单元、相位偏置单元、相位调制单元和干涉检测模块，另一端分别设置无源反射器，构成光纤迈克尔逊干涉仪；激光器由处理计算机通过驱动电路控制；相位调制单元由处理计算机通过振荡器进行控制；干涉检测模块包括探测器和采集电路，由采集电路连接处理计算机；处理计算机对采集信号进行滤波、频谱变换等处理。
3、在另一单模光纤的输入端设置背向散射检测模块，构成光时域反射计(OTDR)；背向散射检测模块由处理计算机控制。
本发明中，干涉检测模块中探测器的主要功能是探测干涉图像的变化，从而解出外部事件的频域特征。干涉条纹的强度变化是由相位调制单元的周期相位调制和外部事件对单模光纤的影响共同作用引起的。相位调制单元对经过的激光施加0～2π的周期相位延迟，当没有外部事件时，干涉条纹强度呈现周期的变化，在频谱上会出现和调制频率相同的基频成分；当有外部事件干扰时，干涉条纹强度会出现不规则的变化。探测器则将干涉条纹的强度变化转化为电信号，经滤波、频谱变换等处理，用频谱分析的方法可获得外部事件的频域特征。该探测器可以采用光电探测器，也可以是采用高速摄影装置。
本发明中的处理计算机可以用工业计算机，也可以用有计算和控制功能的嵌入式系统。它主要完成的功能有：保证干涉检测模块和背向散射检测模块的同步；采集探测器转化成的电信号；对采集的信号进行频谱变换等处理，用频谱分析的方法判断事件的类型，预测事件危害程度，必要时自动报警。
本发明中，监测对象可以是埋于地下的长途油气管道，也可以是埋于地下的长途通信光缆。
本发明可以利用互联网技术，将沿长途管线分布的多个独立的监测系统联成一个大的远程智能监测系统。
采用本发明的优点在于：
1、检测灵敏度高：由于干涉法是以波长为计量单位，1/4波长的变化就可引起干涉条纹的变化，所以即使是埋设在地下并且有很厚覆层的光纤，也会对外部事件比较敏感。相比之下，强度法则需要光缆中的光纤受外力作用弯曲使包层发生泄漏才能有明显变化，对泄漏发生前的形为不敏感。
2、监测距离远：本发明选用对激光传输损耗比较小的单模光纤作为传感元件，单个监测站可以连续无中继监测几十公里以上的距离。
3、可以准确判断外部事件的类型：在某一时刻，施加在管线上的事件类型很多，比如有汽车从管线上方经过，有挖掘机在地面施工，或者有人在管线上钻孔等，由于这些事件都有自己相对明显的频域特征，本发明利用光纤干涉法获取这一特征，用频谱分析的方法可以准确判断出施加在管线上的事件类型。
4、故障定位精度高：将光时域反射计的粗定位和精定位功能有机结合，可以将外部事件的定位精度提高到几米。
5、可以实现重大威胁的自动告警：本发明能预先侦知重大破坏事件的发生，如有挖掘机在管线上面施工，或有人在管道上钻孔，这些事件对管线的安全有重大隐患，如不及时排除，可能会对管线造成严重破坏，带来不可挽回的重大损失；本发明由于有高灵敏度的特点，使得这些破坏行为正在进行时，就可被发现，在处理计算机中设置一定的判断条件可以实现重大威胁的自动告警。
6、可以对管线全程进行监测：由于采用光纤作传感元件，一个显著的特点就是光纤上任何一点如果受到外力作用都会有信号输出，即光纤上的任何一点都具有传感的功能，所以不存在监测盲区的问题。
7、可以实现长途管线的远程智能监测：本发明的单个监测系统可以监测数十公里的管线，通过将沿长途管线分布的多个监测系统联网，可以组成长途管线的远程智能监测系统。
附图说明
图1本发明的实施方案1系统结构图
图2本发明的实施方案2系统结构图
图3长途管线远程监测系统网络结构图
具体实施方式
本发明的长途管线安全的自动监测方法利用在管线附近与管线并行铺设的单模光纤光缆作为分布式光纤传感元件，当有外力作用在光纤上时，会使光纤的传输特性发生变化，采用光纤干涉法可感知外部事件对管线和光缆所施加的微弱作用和影响，然后用频谱分析的方法提取该外部事件的频域特征，以此为依据判断事件的类型并预测该事件对管线可能存在的危害；同时，利用计算机技术对光纤背向散射信号和外部事件的频域特征信号进行融合处理，可准确判断外部事件的类型、位置，并预测事件的可能危害，必要时发出危险警报。
本发明的实施例如下：
1、在管线附近与管线并行铺设一条或几条单模光纤光缆作为分布式光纤传感元件。如果监测对象是长途油气管道，在长途管道上方与管道并行埋设一条或几条单模光缆，其中至少应含有三条可用的单模光纤；如果被监测对象是长途通信光缆，可选取其中的三条备用单模光纤用作传感元件。
2、实施方案1参见图1，在单模光纤6和7靠近监测系统的一端，设置窄线宽激光器1、2×2耦合器2、偏振控制单元3、相位偏置单元4、相位调制单元5和干涉检测模块13，在末端分别设置无源反射器9和10；实施方案2参见图2，将2×2耦合器2替换为Y分束器18、19、20，此时在干涉检测模块中增加一个Y分束器21作为光纤干涉仪，并将相位调制单元5的位置调整到Y分束器19和21之间，将偏振控制单元3、相位偏置单元4设置在Y分束器18和19之间。
上述方案中，检测外部事件特征的核心部件是干涉检测模块，实现方法参见图1，窄线宽激光器1在处理计算机17和驱动电路16的控制下，发出窄线宽的连续单色激光，从A端注入耦合器2；2×2耦合器2将注入的激光分成两束，分别从C和D端输出；从C端输出的光经过偏振控制单元3、单模光纤6后，在光纤末端被无源反射器9反射回来，从C端进入2×2耦合器2，这束光在2×2耦合器2中又被分为两束，一束从A端返回到激光器，另一束从B端输出；同理，从D端输出的激光经过相位调制单元5、单模光纤7后，在光纤末端被无源反射器10反射回来，从D端进入2×2耦合器2后也被分成两束，一束返回激光器，另一束从B端输出；两束从2×2耦合器2的B端输出的光是相干光，干涉后送入干涉检测模块中，在探测处形成干涉；当上述两束激光在单模光纤中传播时，如果有外力作用在管线上方，会影响到光纤的传播特性，由于两条单模光纤的位置不同，所受到的外界作用也不相同，这使得两束光的光程差会发生变化，从而引起干涉条纹的变化；相位调制单元5由处理计算机17通过振荡器13进行控制；探测器14则用来将干涉条纹的强度变化转换成电信号，由采集电路15采集后送到处理计算机17中，经过滤波、频谱变换等处理，提取施加在管线上的外部事件的频域特征及干扰强度，以此为依据确定外部事件的类型及危害。
在实施方案2中，用三个Y分束器代替2×2耦合器，同时在光纤干涉模块中增设一个Y分束器21作为光纤干涉仪，并将光纤相位调制单元5设置在Y分束器19与20之间，将偏振控制单元3和相位偏置单元4设置在Y分束器18和19之间，实现方法参见图2。其检测过程是，激光器发出的单色连续激光注入Y分束器18中，将激光分成两束，分别送入Y分束器19和20中；从Y分束器19和20中输出的激光分别经过单模光纤6和7后，分别被各自的无源反射器9和10反射回来，再次经过Y分束器19和20，各自从Y分束器的另一个分支输出；从Y分束器19出来的光经过相位调制单元5的周期相位调制，从Y分束器21的一个分支输入；从Y分束器20出来的激光直接送到Y分束器21的另一个分支；送入到Y分束器21的两束光干涉后，从第三个分支输出干涉条纹。探测器14将干涉条纹的强度变化转化为电信号，然后用与实施方案1相同的方法提取外部事件的频域特征。
上述系统中，无源反射器的主要作用是将在单模光纤中传输的激光反射回光纤中。无源反射器可以是在光纤端面镀高反膜的方法，使在单模光纤中传输的激光到达光纤端面后发生镜面反射，再次进入光纤中传输；也可以是采用环形光纤耦合器的方法，使单模光纤中传输的激光经过该耦合器后又返回到光纤中。
上述系统中，光纤相位调制单元可以采用压电陶瓷(PZT)的方式，把光纤缠绕在压电陶瓷筒上，利用压电陶瓷的压电效应，通过振荡器在PZT上施加周期性正弦波电压，使压电陶瓷筒的周长发生周期变化，带动缠绕在PZT筒的光纤长度及折射率也发生变化，从而改变光纤内传输的光波相位，实现周期性相位调制。
上述系统中，干涉检测模块中的探测器可以是在干涉图像的中心设置一个光电探测器，将光强度信号转化为电压信号。经过信号滤波、放大、数据采集和频谱变换等处理后获得外部事件的频域特征；也可以采用高速摄像机拍摄干涉图像，由高速数据采集卡采集后将画面送到处理计算机中，用图像处理的方法来得到干涉图像的变化，而后经过滤波、频谱变换等处理得到外部事件的频域特征。
3、在第三条单模光纤8靠监测系统的一端，设置一背向散射检测模块11，构成光时域反射计(OTDR)，由处理计算机控制，发送激光脉冲耦合到单模光纤中，背向散射检测模块检测光纤的背向散射光的强度变化，精确定位干扰发生的具体位置。其中背向散射检测模块可以是基于PCI或ISA总线的插卡，也可以是可用程序控制的带有标准接口的独立模块。
4、在监控系统中，设置处理计算机17；
处理计算机主要完成对干涉检测模块和背向散射检测模块的同步控制，融合处理干涉检测模块和背向散射检测模块输出的信号，在此基础上判断外部事件的类型、危害程度等，必要时向控制中心发出危险告警。处理计算机可以是工业计算机，也可以是有计算和控制功能的嵌入式系统。
5、将多个监测系统联网，实现远程智能监测；
利用互联网技术，可以将沿长途管线分布的多个独立的监测系统联网组成长途管线的远程智能监测系统，实施方法参见图3。
在上述方案和系统中，偏振控制单元、相位偏置单元、相位调制单元、无源反射器以及干涉检测模块的具体实现方式不同，都不影响本发明的权利要求的保护。
Claims (4)
1、一种用于长途管线安全监测的光纤干涉型自动监测方法，其特征在于：利用窄线宽激光器、2×2耦合器、无源反射器以及与长途管线并行埋设的两条单模光纤构成光纤迈克尔逊干涉仪，通过干涉信号获知破坏行为的发生；利用背向散射检测模块和第三条与长途管线并行埋设的单模光纤构成光时域反射计，通过背向散射光获取破坏行为发生的具体位置。
2、按权利要求1所述长途管线安全监测的光纤干涉型自动监测方法，其特征在于：监测对象可以是埋于地下的长途油、水、气输送管道，或是埋于地下的长途通信光缆；用作传感的单模光纤，可以是并行铺设在管道附近的光缆，也可以是被监测的通信光缆中的备用单模光纤。
3、实现权利要求1所述方法的光纤干涉型自动监测系统，其特征在于：
1)在长途管线附近并行埋设包含三条以上单模光纤的光缆；
2)采用其中的两条单模光纤与窄线宽激光器、2×2耦合器和无源反射器组成标准迈克尔逊光纤干涉仪，窄线宽激光器由处理计算机通过驱动电路控制；
3)在标准迈克尔逊干涉仪的一条光路上增加偏振控制单元、相位偏置单元，构成超长光程、超大相位差的光纤干涉仪；
4)在标准迈克尔逊干涉仪的另一条光路上增加周期相位调制单元，由处理计算机通过振荡器进行控制，并在后续处理单元及处理软件中增加频谱分析单元，由此判断外部事件的类型；
5)在干涉仪输出端设置干涉检测模块、处理计算机，干涉检测模块将光强信号转换成电信号，对其滤波、采样后送处理计算机处理；
6)在第三条单模光纤输入端设置由背向散射检测模块构成的光时域反射计，利用从干涉信号中解出的外部事件触发光时域反射计，由处理计算机控制光时域反射计实现对事件的粗略定位和精确定位。
4、按权利要求3所述的光纤干涉型自动监测系统，其特征在于：可以将沿长途管线上分布的多个独立的监测系统联网组成远程智能监测系统。
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