CN102434784A - 油气管道泄漏监测系统及其偏振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气管道泄漏监测系统，包括光源、分布式光纤微振动传感器、耦合器、光电探测器、引导光纤，所述耦合器包括第1～第5耦合器，光源连接第1耦合器，该第1耦合器分别连接第2、第3耦合器，第2耦合器与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器连接，第3耦合器与分布式光纤微振动传感器引导光纤的一端连接，该引导光纤的另一端与该传感器另一端的第5耦合器连接，第2、第3耦合器又各自与第1、第2光电探测器连接，在光源和耦合器之间还设置有偏振控制器。另外，本发明还公开了一种偏振控制方法，该方法可有效消除相位畸变对监测定位造成的不利影响，能明显提高油气管道泄漏监测系统的工作稳定性。

Description

油气管道泄漏监测系统及其偏振控制方法

技术领域

本发明涉及管道监测技术领域，尤其涉及一种油气管道泄漏监测系统及其偏振控制方法。

背景技术

管道运输作为目前石油、天然气最为经济合理的运输方式，对国民经济的发展产生了重要作用。由于管道输送介质的危险性和污染性，管道一旦发生泄漏将会造成巨大的经济损失、环境污染及人身伤害，因此随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展，作为管道监控核心的泄漏监测技术一直受到各国科技工作者的重视。

近年来，由于我国管道的老龄化和第三方破坏形势的日益严峻，如何利用各种新方法、新技术在管道因打孔盗油、机械开挖以及滑坡、泥石流等威胁事件导致泄漏之前给出预警信息并准确定位，从而对泄漏事故防患于未然，是我国管道安全运行和发展所面临的重大挑战。

基于双Mach-Zehnder光纤干涉技术的分布式光纤油气管道安全检测及预警系统能够对威胁管道安全的事件进行实时监测、预警以及定位。

中国发明专利ZL200410020046.6采用光纤干涉技术，能够在侵入事件发生前对事发点进行高精度定位。该方法在管道附近沿管道铺设一根光缆，利用光缆中的三根光纤构成顺、反两路微振动传感器，通过测量两路干涉光信号的时差实现对侵入事件定位的目的。它能在管道泄漏前对事发点进行定位，其定位精度较高且与管道长度无关。

由于在定位时采用的是互相关函数估计时延的方法，因此该监测预警方法对信号相关性的要求很高，只有当信号具备了足够好的相关性时，才能达到理想的定位精度。但是因为单模光纤具有光纤双折射的特性，不同传感光纤的偏振特性不会相同，使得干涉信号对系统输入光波的偏振态敏感，造成“偏振诱导相位偏移”现象，从而导致信号往往不能保持良好的相关性；当相关系数下降到一个临界值时，将会导致互相关法计算定位完全失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种在油气管道泄漏监测系统中，当系统的两路干涉光信号由于输出光偏振影响造成相关性恶化、影响定位精度时，通过偏振控制器能够快速恢复信号良好相关性的偏振控制结构和偏振控制方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种油气管道泄漏监测系统，包括光源、分布式光纤微振动传感器、耦合器、光电探测器、引导光纤和用于数据采集及信号处理的计算机，所述耦合器包括第1～第5耦合器，所述光源连接第1耦合器，该第1耦合器分别连接第2、第3耦合器，第2耦合器与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器连接，第3耦合器与分布式光纤微振动传感器引导光纤的一端连接，该分布式光纤微振动传感器引导光纤的另一端与分布式光纤微振动传感器另一端的第5耦合器连接，所述第2、第3耦合器分别与第1、第2光电探测器连接，在所述光源和耦合器之间还设置有一偏振控制器。

保持油气管道泄漏监测系统的主结构不变，将偏振控制器安装在光源和第1耦合器之间，即偏振控制器的前后端通过引导光纤分别与光源和第1耦合器连接；或者所述偏振控制器安装在第1耦合器与第2耦合器之间，偏振控制器前端通过引导光纤与第1耦合器连接，后端通过引导光纤与第2耦合器连接；或者所述偏振控制器安装在第1、第3耦合器与3c之间，偏振控制器前端通过引导光纤与第1耦合器连接，后端通过引导光纤与第3耦合器连接。

在单偏振结构中，单偏振控制器安装在光源和第1耦合器之间时，光源发出的光经过偏振控制器调制后，进入第1耦合器；单偏振控制器安装在第1、第2耦合器之间时，第1耦合器的出射光经过偏振控制器调制后，通过第2耦合器进入分布式光纤微振动传感器的正向(顺时针方向)传输光路；单偏振控制器安装在第1、第3耦合器之间时，第1耦合器的出射光经过偏振控制器调制后，通过第3耦合器进入分布式光纤微振动传感器的逆向(逆时针方向)传输光路。在该系统结构中，当系统两路检测信号相关性下降时，偏振控制器通过本专利所述的偏振控制算法改变输出光偏振态，恢复信号的良好相关性。

所述光电探测器可以采用InGaAs型光电探测器或其它适宜的光电探测器，所述光源可以采用波长为1550纳米的半导体激光器或其它适宜的激光器，所述偏振控制器可以采用通用光电公司的PCD-M02型集成PolaRite II/III偏振控制器或其它适宜的电控偏振控制器。

一种利用上述油气管道泄漏监测系统进行油气管道泄漏监测的偏振控制方法，包括以下步骤：

(1)判断系统检测信号的相关系数是否小于设定目标值，若否，则继续比较系统检测信号的相关系数与设定目标值的大小；若是，则执行步骤(2)；

(2)自动启动偏振控制算法，以计算机计算后的信号相关系数做为反馈量，按照算法流程，由计算机并口向偏振控制器输出控制量，改变分布式光纤微振动传感器的正向/逆向传输光路中光波的偏振态；

(3)判断系统检测信号的相关系数是否大于设定目标值，若是，则偏振控制算法自动终止，继续执行步骤(1)，若否，则执行步骤(2)。

所述偏振控制算法包括以下步骤：

1)设目标函数：f(x)＝1-ρ_xy，设定算法中的初始温度T₀和温度更新函数，其中：T₀(0＜T₀≤1)，F(T_k)＝p^k-1·T₀，p为温度更新常数；

2)计算机随机产生偏振控制器的初始控制字x₀，通过并口将x₀输入偏振控制器；

3)计算机计算在该控制字x₀下第1、第2光电探测器接收到的两路检测信号的相关系数ρ_xy，得到目标函数值f(x₀)＝1-ρ_xy；

4)设x₀和f(x₀)为算法的当前最优量，并以当前x₀和f(x₀)做为全局最优量x_g和f(x_g)；

5)设置外循环计数器k的初值：k＝1；设置外循环次数k₀，且1＜k₀≤10；

6)设置内循环计数器n的初值：n＝1；设置内循环次数n₀，且1＜n₀≤10；

7)由计算机计算其对应的目标函数值f(x_n-1)，根据状态产生函数所示产生新控制字x_n，通过并口将x_n输入偏振控制器，其中状态产生函数如下式所示：

$x_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{n-1}-f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;s& x_{n-1}\&GreaterEqual;5\mathrm{\&pi;}\\ x_{n-1}+f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;c\&CenterDot;s& 0<x_{n-1}<5\mathrm{\&pi;}\\ x_{n-1}+f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;s& x_{n-1}\&le;0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中s为最大搜索步长，且0＜s＜2π，c为随机的±1。

8)计算目标函数增量Δf＝f(x_n)-f(x₀)，根据式(2)获得状态跳转概率p_r的值：

式(2)中T_k为当前状态温度，由p_r与0～1间的随机数r进行比较，若p_r≥r则令当前最优量x₀和f(x₀)更新等于x_n和f(x_n)；否则保留原最优量x₀和f(x₀)为当前最优解；

9)比较当前最优量x₀和f(x₀)和全局最优量x_g和f(x_g)，若f(x₀)小于f(x_g)，则用当前最优量x₀和f(x₀)更新全局最优量x_g和f(x_g)；否则保持全局最优解不变；

10)若n＜n₀，则n＝n+1，返回到(5)，否则继续步骤(11)；

11)若k＜k₀，则k＝k+1，并令T_k＝F(T_k-1)，返回到(4)，否则继续步骤(12)；

12)判断全局最优量f(x_g)是否小于阈值u，若是，则维持全局最优量x_g和f(x_g)，算法结束；否则令全局最优量x_g和f(x_g)更新当前最优量x₀和f(x₀)，返回步骤(3)，开始新一轮算法历程。

在上述的步骤1)中，所述T₀＝0.8，所述p＝0.8。

在上述的步骤5)中，所述k₀＝5；在步骤6)中，所述n₀＝4；在步骤7)中，所述s＝0.5。

在上述的步骤12)中，所述阈值u＝0.1。

本发明的偏振控制方法基于模拟退火算法，利用系统双臂检测信号的相关系数作为反馈信号作用于偏振控制器。该算法流程包括内外两循环，外循环降低模拟退火温度，内循环寻找当前温度下的最优点。此外还包括两个更新函数，温度更新函数用于温度的下降，状态更新函数能以目标函数的大小作为系数，动态改变步长用于状态的跳转。对状态跳转的接收与否是通过一定准则进行的，该准则以一定概率对新状态进行接收与拒绝。

该方法使用的偏振控制器采用现有的工业品，其响应速度快、相位量控制精确，可以在正常的工业环境中安全、可靠地工作。该方法可以有效消除相位畸变对定位造成的不利影响，能够明显提高油气管道泄漏监测系统的工作稳定性。

附图说明

图1是本发明的系统结构组成图；

图2是本发明的偏振控制装置的一个实施例，其中偏振控制器安装在光源1和耦合器3a之间；

图3是本发明的偏振控制装置的另一个实施例，其中偏振控制器安装在耦合器3a和3b之间；

图4是本发明的偏振控制装置的第三个实施例，其中偏振控制器安装在耦合器3a和3c之间。

图中：

1：光源；       2：偏振控制器；

3：耦合器，包括 3a、3b、3c、3d、3e；

4：光电探测器，包括4a、4b；

5：引导光缆；   6：传感光缆，包括6a、6b、6c；

7：计算机；     8：操作终端；        9：输油管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1所示为本发明所适用的油气管道泄漏监测系统的组成图，其中在输油管道12上方沿管道铺设的传感光缆6(包括6a、6b和6c)和耦合器3(包括3a、3b、3c、3d和3e)组成了高灵敏度的分布式光纤微振动传感器，用于检测管道沿线的第三方入侵等扰动信号。引导光缆5为传输光纤，不具有传感功能，主要用于传播光波和检测信号。参见图2至图4，操作终端8包括光源1、偏振控制器2、光电探测器4(包括4a和4b)和用于数据采集及信号处理的计算机7。操作终端8中的光源向分布式光纤微振动传感器中发射光波，并利用偏振控制器调整光波的偏振态，通过光电探测器将光信号转变为电信号，同时利用计算机7计算两电信号的相关系数，并信号处理和数据分析，计算机以相关系数作为反馈量由偏振控制器输出控制字。

参见图2～图4，耦合器3包括第1～第5耦合器3a-3e，光源1连接第1耦合器3a，第1耦合器3a分别连接第2、第3耦合器3b、3c，第2耦合器3b与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器3d连接，第4耦合器3d连接分布式光纤微振动传感器的2条传感光纤6a、6b，第3耦合器3c与分布式光纤微振动传感器引导光纤6c的一端连接，该引导光纤6c的另一端与分布式光纤微振动传感器另一端的第5耦合器3e连接，第2、第3耦合器3b、3c各自与第1、第2光电探测器4a/4b连接。

参见图2中的实施例，单偏振控制器2安装在光源1和耦合器3a之间。光源1输出的光波经偏振控制器2调制后，进入耦合器3a，经过分光后进入油气管道泄漏监测系统中的分布式光纤微振动传感器。在这种偏振控制器安装方式下，当光电探测器4a和4b得到的信号相关系数小于设定目标值时，偏振控制算法自动启动，以计算机计算后的信号相关系数作为反馈量，按照算法流程由计算机并口向偏振控制器输出控制量，改变输入光波的偏振态，使系统检测信号相关系数上升到目标值以上。

图3和图4所示为本发明的另一种单偏振控制器安装位置示意图，单偏振控制器2安装在耦合器3a与耦合器3b之间(见图3)，或者安装在耦合器3a与耦合器3c之间(见图4)。耦合器3a输出的光波经偏振控制器2调制后，通过耦合器3b进入分布式光纤微振动传感器的正向传输光路(或通过耦合器3c进入分布式光纤微振动传感器的逆向传输光路)。在这种偏振控制器安装位置下，当光电探测器4a和4b得到检测信号的相关系数小于设定目标值时，偏振控制算法自动启动，以计算机计算后的信号相关系数做为反馈量，按照算法流程由计算机并口向偏振控制器输出控制量，改变分布式光纤微振动传感器的正向(逆向)传输光路中光波的偏振态。当系统检测信号的相关系数持续稳定在设定目标值以上时，偏振控制算法自动终止。

由于本方法所适用的油气管道泄漏监测系统在定位时要求光电探测器4a和4b接收到的两路检测信号具有较高的相关系数ρ_xy。设目标函数：f(x)＝1-ρ_xy，在算法流程中，算法启动(终止)的判断依据为目标函数f(x)是否大于阈值u(推荐值为0.1)，若目标函数大于阈值，偏振可控制器开始控制流程；否则控制流程不开启。对于以上三种偏振控制器安装位置，偏振控制流程均可描述如下：

1)设定算法中的初始温度T₀(0＜T₀≤1，推荐值为0.8)和温度更新函数F(T_k)＝p^k-1·t₀(其中p为温度更新常数，推荐值为0.8)；

2)计算机7随机产生偏振控制器2的初始控制字x₀，通过并口将x₀输入偏振控制器；

3)计算机7计算在该控制字x₀下光电探测器4a和4b接收到的两路检测信号的相关系数ρ_xy，得到目标函数值f(x₀)＝1-ρ_xy。

4)设x₀和f(x₀)为算法的当前最优量，并以当前x₀和f(x₀)做为全局最优量x_g和f(x_g)。

5)设置外循环计数器k的初值：k＝1；设置外循环次数k₀(1＜k₀≤10，推荐值为5)；

6)设置内循环计数器n的初值：n＝1；设置内循环次数n₀(1＜n₀≤10，推荐值为4)；

7)由计算机计算其对应的目标函数值f(x_n-1)，根据式(1)，即状态产生函数所示产生新控制字x_n，通过并口将x_n输入偏振控制器。其中状态产生函数如下式所示：

$x_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{n-1}-f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;s& x_{n-1}\&GreaterEqual;5\mathrm{\&pi;}\\ x_{n-1}+f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;c\&CenterDot;s& 0<x_{n-1}<5\mathrm{\&pi;}\\ x_{n-1}+f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;s& x_{n-1}\&le;0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中s为最大搜索步长(0＜s＜2π，推荐值为0.5)，c为随机的±1。

8)计算目标函数增量Δf＝f(x_n)-f(x₀)，根据式(2)获得状态跳转概率p_r的值：

式(2)中T_k为当前状态温度。由p_r与0～1间的随机数r进行比较，若p_r≥r则令当前最优量x₀和f(x₀)更新等于x_n和f(x_n)；否则保留原最优量x₀和f(x₀)为当前最优解。

9)比较当前最优量x₀和f(x₀)和全局最优量x_g和f(x_g)，若f(x₀)小于f(x_g)，则用当前最优量x₀和f(x₀)更新全局最优量x_g和f(x_g)；否则保持全局最优解不变；

10)若n＜n₀，则n＝n+1，返回到(5)，否则继续流程(11)；

11)若k＜k₀，则k＝k+1，并令T_k＝F(T_k-1)，返回到(4)，否则继续流程(12)；

12)判断全局最优量f(x_g)是否小于u，若是则维持全局最优量x_g和f(x_g)，算法结束；否则令全局最优量x_g和f(x_g)更新当前最优量x₀和f(x₀)，返回(3)，开始新一轮算法历程。

在算法中，由于一次循环很难找到合适的偏振态，所以增加了记忆功能，保存当前循环搜索到的全局最优量x_g和f(x_g)。在开始新一轮控制循环时，以上次循环的最优点为搜索基点。经过多次算法历程，就能使系统的目标函数满足f(x)＜u，即两检测信号的相关系数ρ_xy＞l-u，两检测信号的维持了较好的相关性。

Claims (10)

1.一种油气管道泄漏监测系统，包括光源、分布式光纤微振动传感器、耦合器、光电探测器、引导光纤和用于数据采集及信号处理的计算机，所述耦合器包括第1～第5耦合器，所述光源连接第1耦合器，该第1耦合器分别连接第2、第3耦合器，第2耦合器与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器连接，第3耦合器与分布式光纤微振动传感器引导光纤的一端连接，该分布式光纤微振动传感器引导光纤的另一端与分布式光纤微振动传感器另一端的第5耦合器连接，所述第2、第3耦合器分别与第1、第2光电探测器连接，其特征在于：在所述光源和耦合器之间还设置有一偏振控制器。

2.根据权利要求1所述的油气管道泄漏监测系统，其特征在于：所述偏振控制器为一个，其设置在所述光源和第1耦合器之间，三者通过引导光纤连接。

3.根据权利要求1所述的油气管道泄漏监测系统，其特征在于：所述偏振控制器设置在所述第1耦合器和第2耦合器之间。

4.根据权利要求1所述的偏振控制装置，其特征在于：所述偏振控制器设置在所述第1耦合器和第3耦合器之间。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的油气管道泄漏监测系统，其特征在于：所述偏振控制器为单偏振控制器。

6.一种利用权利要求1所述油气管道泄漏监测系统进行油气管道泄漏监测的偏振控制方法，包括以下步骤：

(1)判断系统检测信号的相关系数是否小于设定目标值，若否，则继续比较系统检测信号的相关系数与设定目标值的大小；若是，则执行步骤(2)；

(2)自动启动偏振控制算法，以计算机计算后的信号相关系数做为反馈量，按照算法流程，由计算机并口向偏振控制器输出控制量，改变分布式光纤微振动传感器的正向/逆向传输光路中光波的偏振态；

(3)判断系统检测信号的相关系数是否大于设定目标值，若是，则偏振控制算法自动终止，继续执行步骤(1)，若否，则执行步骤(2)。

7.根据权利要求6所述的偏振控制方法，其特征在于：所述偏振控制算法包括以下步骤：

1)设目标函数：f(x)＝1-ρ_xy，设定算法中的初始温度T₀和温度更新函数，其中：T₀(0＜T₀≤1)，F(T_k)＝p^k-1·T₀，p为温度更新常数；

2)计算机随机产生偏振控制器的初始控制字x₀，通过并口将x₀输入偏振控制器；

3)计算机计算在该控制字x₀下第1、第2光电探测器接收到的两路检测信号的相关系数ρ_xy，得到目标函数值f(x₀)＝1-ρ_xy；

4)设x₀和f(x₀)为算法的当前最优量，并以当前x₀和f(x₀)做为全局最优量x_g和f(x_g)；

5)设置外循环计数器k的初值：k＝1；设置外循环次数k₀，且1＜k₀≤10；

6)设置内循环计数器n的初值：n＝1；设置内循环次数n₀，且1＜n₀≤10；

7)由计算机计算其对应的目标函数值f(x_n-1)，根据状态产生函数所示产生新控制字x_n，通过并口将x_n输入偏振控制器，其中状态产生函数如下式所示：

$x_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{n-1}-f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;s& x_{n-1}\&GreaterEqual;5\mathrm{\&pi;}\\ x_{n-1}+f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;c\&CenterDot;s& 0<x_{n-1}<5\mathrm{\&pi;}\\ x_{n-1}+f\left(x_{n-1}\right)\&CenterDot;s& x_{n-1}\&le;0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中s为最大搜索步长，且0＜s＜2π，c为随机的±1。

8)计算目标函数增量Δf＝f(x_n)-f(x₀)，根据式(2)获得状态跳转概率p_r的值：

式(2)中T_k为当前状态温度，由p_r与0～1间的随机数r进行比较，若p_r≥r则令当前最优量x₀和f(x₀)更新等于x_n和f(x_n)；否则保留原最优量x₀和f(x₀)为当前最优解；

9)比较当前最优量x₀和f(x₀)和全局最优量x_g和f(x_g)，若f(x₀)小于f(x_g)，则用当前最优量x₀和f(x₀)更新全局最优量x_g和f(x_g)；否则保持全局最优解不变；

10)若n＜n₀，则n＝n+1，返回到(5)，否则继续步骤(11)；

11)若k＜k₀，则k＝k+1，并令T_k＝F(T_k-1)，返回到(4)，否则继续步骤(12)；

12)判断全局最优量f(x_g)是否小于阈值u，若是，则维持全局最优量x_g和f(x_g)，算法结束；否则令全局最优量x_g和f(x_g)更新当前最优量x₀和f(x₀)，返回步骤(3)，开始新一轮算法历程。

8.根据权利要求7所述的偏振控制方法，其特征在于：在步骤1)中，所述T₀＝0.8，所述p＝0.8。

9.根据权利要求7所述的偏振控制方法，其特征在于：在步骤5)中，所述k₀＝5；在步骤6)中，所述n₀＝4；在步骤7)中，所述s＝0.5。

10.根据权利要求7所述的偏振控制方法，其特征在于：在步骤12)中，所述阈值u＝0.1。

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