CN102720949B - 一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法，涉及管道监测技术领域，第一光电探测器将第二合束激光转换为第二电信号并分别传输至计算机和控制处理器；第二光电探测器将第一合束激光转换为第一电信号并分别传输至计算机和控制处理器；控制处理器通过接口协议转换装置连接有偏振控制器；控制处理器根据第一电信号和第二电信号的相关系数判断是否需要对偏振控制器的控制量进行控制；如果是，第一光电探测器和第二光电探测器分别获取经过偏振控制器控制后的第二调整电信号和第一调整电信号；计算机根据第一调整电信号和第二调整电信号对事发点进行定位；如果否，计算机根据所述第一电信号和第二电信号对所述事发点进行定位。

Description

一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及管道监测技术领域，特别涉及一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法。

背景技术

作为油气运输的重要方式之一的管道输送由于其自身的优点，已在国民经济建设中发挥越来越重要的作用。油气管道沿途可能穿越各种不同的环境，周围存在的施工、人为破坏（如打孔盗油等）以及自然灾害（如地震、洪水、泥石流以及山体滑坡等）等诸多因素都可能影响到管道安全，并导致管道泄漏，一旦发生事故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。

目前国内外已有多种管道泄漏检测技术和方法，但大多数的管道泄漏在线监测技术主要是基于管内流体介质的流失所造成的管道运行参数的变化来监测管道泄漏的，例如：通过监测管道输入端压力、输出端压力和流量等管道运行参数的变化，可以判断出管道是否发生泄漏，同时也可以确定管道泄漏发生的位置。该类方法受输送物质特性及输送工况等因素影响，监测灵敏度不高。

基于上述问题，现有技术中设计了基于光纤干涉原理的管道泄漏监测装置，该装置能够在异常事件发生时对事发点进行高精度的管道泄漏前定位，已经受到越来越多的关注。中国发明专利公开号CN1598516，公开日2005年3月23，对该技术内容已经作了很详细的叙述。该方法通过测量两路干涉光的时差达到对异常事件定位的目的，其突出优点在于可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。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

由于在定位时采用的是互相关函数估计时延的方法，因此对光电探测器的两路电信号的相关性要求很高，只有当两路电信号具备了足够好的相关性时，才能达到理想的定位精度；但是单模光纤具有的光纤双折射特性会造成“偏振诱导相位偏移”现象，使得两路电信号往往不能保持良好的相关性，进而导致监测装置的定位精度较低。

发明内容

本发明提供了一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法，本发明实现了对两路电信号相关性的反馈控制，提高了定位精度，详见下文描述：

一种光纤管道泄漏监测装置，所述监测装置包括：半导体激光光源，所述半导体激光光源通过偏振控制器将发出的激光传输至第一耦合器，所述第一耦合器将所述激光分束成第一激光和第二激光；所述第一激光依次通过第一引导光纤、第一环形器和第三引导光纤传输至第二耦合器，所述第二耦合器将所述第一激光分束成第三激光和第四激光；所述第三激光经过第一传感光缆，所述第四激光经过第二传感光缆后在第三耦合器处合束，获取第一合束激光；所述第一合束激光依次通过第四引导光纤和第二环形器传输至第二光电探测器；所述第二激光依次通过第二引导光纤、第二环形器和第四引导光纤传输至第三耦合器；所述第三耦合器将所述第二激光分成第五激光和第六激光；所述第五激光经过所述第一传感光缆，所述第六激光经过所述第二传感光缆后在所述第二耦合器处合束，获取第二合束激光；所述第二合束激光依次通过所述第三引导光纤和所述第一环形器传输至第一光电探测器；所述第一光电探测器将所述第二合束激光转换为第二电信号并分别传输至计算机和控制处理器；所述第二光电探测器将所述第一合束激光转换为第一电信号并分别传输至所述计算机和所述控制处理器；所述控制处理器通过接口协议转换装置连接有偏振控制器；所述控制处理器根据所述第一电信号和所述第二电信号的相关系数判断是否需要对所述偏振控制器的控制量进行控制；如果是，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别获取经过所述偏振控制器控制后的第二调整电信号和第一调整电信号；所述计算机根据所述第一调整电信号和所述第二调整电信号对事发点进行定位；如果否，所述计算机根据所述第一电信号和所述第二电信号对所述事发点进行定位。

所述半导体激光光源通过偏振控制器将发出的激光传输至第一耦合器具体为：

所述半导体激光光源的通过第七引导光纤与所述偏振控制器的一端连接，所述偏振控制器的另一端通过第八引导光纤与所述第一耦合器连接，所述半导体激光光源通过所述偏振控制器将发出的所述激光传输至所述第一耦合器。

一种光纤管道泄漏监测装置的控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)所述控制处理器随机产生所述偏振控制器的初始控制量组合x_n，并依次输入到所述偏振控制器中，获取每个初始控制量x对应的相关系数f(x)，并获取第一相关系数组合f(x_n)；

(2)根据所述初始控制量组合x_n对应的相关系数大小，对所述初始控制量组合x_n进行升序排列，获取排列后相关系数组合f(x′_n)和相关系数累加之和P，将所述相关系数累加之和P与随机数r相乘得到P_r，其中，0<r<1；

(3)令参数

选取P_n≥P_r时n的最小值n′，将1至n′个控制量组合作为所述偏振控制器的第一新控制量组合x″_n；

(4)将所述第一新控制量组合x″_n中相关系数最小的控制量x″₁替换为x″₁=x″_max+f(x″_max)×Δ，其中，Δ为最大跳转步长，x″_max为所述第一新控制量组合x″_n中相关系数最大的控制量；

(5)对剩余的n′-2个控制量按概率P_c执行更新操作，获取第二新控制量组合x″′_n；

(6)将所述第二新控制量组合x″′_n输入至所述偏振控制器，获取相应的第二相关系数组合f(x″′_n)；

(7)判断所述第二相关系数组合f(x″′_n)中是否有相关系数值大于阈值，如果是，执行步骤(8)；如果否，执行步骤(9)；

(8)将大于所述阈值的相关系数值对应的控制量作为最终控制量，并将控制量输出至所述偏振控制器，流程结束；

(9)重新执行步骤(1)。

所述对剩余的n′-2个控制量按概率P_c执行更新操作，获取第二新控制量组合x″′_n具体为：

假定参与更新操作的一对控制量为x″_a和x″_b，随机数k，0<k<1，则产生的新控制量分别为x″_new1=(1-k)×x″_a+k×x″_b，x″_new2=(1-k)×x″_b+k×x″_a，重复进行(n′-2)×P_c/2次更新操作，获取所述第二新控制量组合x″′_n。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法，本发明通过控制处理器计算两路电信号的相关系数，当相关系数小于阈值时，对半导体激光光源输出的激光进行偏振态的反馈控制，使相关系数大于等于阈值，提高了两路电信号的相关性，进而提高了光纤管道泄漏监测装置的定位精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种光纤管道泄漏监测装置的结构示意图；

图2为本发明提供的控制方法的流程图；

图3a为本发明提供的经过偏振控制系统调节后第一光电探测器输出的信号样本；

图3b为本发明提供的经过偏振控制系统调节后第二光电探测器输出的信号样本；

图4为本发明提供的每秒两个光电探测器信号相关系数的记录。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：半导体激光光源；                2：偏振控制器；

3a：第一耦合器；                   3b：第二耦合器；

3c：第三耦合器；                   4a：第一光电探测器；

4b：第二光电探测器；               5a：第一环形器；

5b：第二环形器；                   6a：第一传感光缆；

6b：第二传感光缆；                 7：计算机；

8：接口协议转换装置；              9a：第一引导光纤；

9b：第二引导光纤；                 9c：第三引导光纤；

9d：第四引导光纤；                 9e：第五引导光纤；

9f：第六引导光纤；                 9g：第七引导光纤；

9h：第八引导光纤；                 10：控制处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现对两路信号相关性的反馈控制，提高定位精度，本发明实施例提供了一种光纤管道泄漏监测装置，参见图1，详见下文描述：

干涉型分布式光纤油气管道监测装置在管道附近沿管道同沟平行铺设一条光缆，利用其中的三条单膜光纤构成基于光纤干涉仪原理的分布式振动信号传感器，用于获取管道沿途的振动信号。利用光缆中的两条光纤构成传感器的两个传感光臂，第三条光纤用于信号传输。两条测试光纤中光波汇合后形成的干涉信号传输到光电二极管，将光信号转换成电信号，随后通过放大和滤波电路对信号进行处理，经过模数转换传输到计算机中做进一步的信号处理和分析。

一种光纤管道泄漏监测装置，参见图1，包括：半导体激光光源1，半导体激光光源1通过偏振控制器2将发出的激光传输至第一耦合器3a，第一耦合器3a将激光分束成第一激光和第二激光；第一激光依次通过第一引导光纤9a、第一环形器5a和第三引导光纤9c传输至第二耦合器3b，第二耦合器3b将第一激光分束成第三激光和第四激光；第三激光经过第一传感光缆6a，第四激光经过第二传感光缆6b后在第三耦合器3c处合束，获取第一合束激光；第一合束激光依次通过第四引导光纤9d和第二环形器5b传输至第二光电探测器4b；

第二激光依次通过第二引导光纤9b、第二环形器5b和第四引导光纤9d传输至第三耦合器3c；第三耦合器3c将第二激光分成第五激光和第六激光；第五激光经过第一传感光缆6a，第六激光经过第二传感光缆6b后在第二耦合器3b处合束，获取第二合束激光；第二合束激光依次通过第三引导光纤9c和第一环形器5a传输至第一光电探测器4a；第一光电探测器4a将第二合束激光转换为第二电信号并分别传输至计算机7和控制处理器10；第二光电探测器4b将第一合束激光转换为第一电信号并分别传输至计算机7和控制处理器10；控制处理器10通过接口协议转换装置8连接有偏振控制器2；控制处理器10根据第一电信号和第二电信号的相关系数判断是否需要对偏振控制器2的控制量进行控制；如果是，第一光电探测器4a和第二光电探测器4b分别获取经过偏振控制器2控制后的第二调整电信号和第一调整电信号；计算机7根据第一调整电信号和第二调整电信号对事发点进行定位；如果否，计算机7根据第一电信号和第二电信号对事发点进行定位。

其中，当需要对偏振控制器2的四个控制通道的控制量进行控制时，偏振控制器2对半导体激光光源1的偏振态进行调节，获取调节后激光，调节后激光经过上述器件的传输，第一光电探测器4a通过调节后激光获取控制后第二电信号；第二光电探测器4b通过调节后激光获取控制后第一电信号。

其中，事发点通常包括：泄露位置和外接施工点等，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，半导体激光光源1通过偏振控制器2将发出的激光传输至第一耦合器3a具体为：

半导体激光光源1的通过第七引导光纤9g与偏振控制器2的一端连接，偏振控制器2的另一端通过第八引导光纤9h与第一耦合器3a连接，半导体激光光源1通过偏振控制器2将发出的激光传输至第一耦合器3a。

其中，具体实现时，本发明实施例中的第一光电探测器4a和第二光电探测器4b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；半导体激光光源1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；偏振控制器2可以采用通用光电公司的PCD-M02型集成PolaRiteⅡ/III偏振控制器或其它适宜的电控偏振控制器；控制处理器10可以采用飞思卡尔公司的MC9S08AW60系列单片机，环形器和耦合器的采用现有技术中通用的器件，本发明实施例对此不做限制。

为了实现对两路信号相关性的反馈控制，提高定位精度，本发明实施例提供了一种光纤管道泄漏监测装置的控制方法，参见图2，详见下文描述：

遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是模拟自然界生物进化的一种随机、并行和自适应搜索算法，它将优化参数表示成的编码串群体，根据适应度函数进行选择、杂交和变异遗传操作。遗传算法不是从单个解，而是从一组随机产生的初始解群体(种群)开始搜索过程，并将问题的解用编码串(染色体)表示；其覆盖面大，有利于全局搜索。得益于算法中杂交算子的直接作用，遗传算法能够把注意力集中到搜索空间中期望值最高的部分，通过保持在解空间不同区域中多个点的搜索，遗传算法能以很大概率寻找到全局最优解，因此其具备全局搜索能力。同时在遗传算法中还引入了变异算子，通过选择、杂交和变异操作结合，可以克服选择和杂交算子无法在初始基因组合以外的空间进行搜索而使进化过程在早期就陷入局部最优解而进入终止过程，保证了遗传算法的有效性，提供了逃脱局部最优解的手段。本发明实施例采用遗传算法用于光纤管道泄漏监测装置，能够保证两路电信号的良好相关性。

101：控制处理器10随机产生偏振控制器2的初始控制量组合x_n，并依次输入到偏振控制器2中，获取每个初始控制量x对应的相关系数f(x)，并获取第一相关系数组合f(x_n)；

102：根据初始控制量组合x_n对应的相关系数大小，对初始控制量组合x_n进行升序排列，获取排列后相关系数组合f(x′_n)和相关系数累加之和P，将相关系数累加之和P与随机数r相乘得到P_r，其中，0<r<1；

其中，对初始控制量组合x_n进行升序排列得到x′_n。

103：令参数选取P_n≥P_r时n的最小值n′（n′≤n），将1至n′个控制量组合作为偏振控制器2的第一新控制量组合x″_n；

104：将第一新控制量组合x″_n中相关系数最小的控制量x″₁替换为x″₁=x″_max+f(x″_max)×Δ，其中，Δ为最大跳转步长，x″_max为第一新控制量组合x″_n中相关系数最大的控制量；

其中，Δ的取值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

105：对剩余的n′-2个控制量按概率P_c执行更新操作，获取第二新控制量组合x″′_n；

即参加更新操作的控制量的数量为(n′-2)×P_c，假定参与更新操作的一对控制量为x″_a和x″_b，随机数k，0<k<1，则产生的新控制量分别为x″_new1=(1-k)×x″_a+k×x″_b，x″_new2=(1-k)×x″_b+k×x″_a，重复进行(n′-2)×P_c/2次更新操作，获取第二新控制量组合x″′_n。

其中，概率P_c的取值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

106：将第二新控制量组合x″′_n输入至偏振控制器2，获取相应的第二相关系数组合f(x″′_n)；

107：判断第二相关系数组合f(x″′_n)中是否有相关系数值大于阈值，如果是，执行步骤108；如果否，执行步骤109；

其中，阈值的取值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

108：将大于阈值的相关系数值对应的控制量作为最终控制量，并将控制量输出至偏振控制器2，流程结束；

109：重新执行步骤101。

步骤101-步骤109以两个光电探测器信号的相关系数作为偏振控制器2的反馈量和目标量，可以从众多偏振控制器2的控制量组成中优选出大于阈值的相关系数值，并由控制处理器10操作偏振控制器2，提高光纤管道泄漏监测装置的定位精度。

下面以一个具体的试验来验证本发明实施例提供的一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法的可行性，详见下文描述：

第一光电探测器4a和第二光电探测器4b输出的两路电信号分别接入计算机7和控制处理器10。计算机7内利用美国NI公司的同步采集卡PCI-6132（四路同步采集，2.5MS/s，采集范围为-10V至+10V），对两路电信号进行采集。同时控制处理器10中的MC9S08AW60单片机也对两路电信号进行12位10k采样率的采样，并计算相关系数。另外，当控制处理器10得到的相关系数小于设定的阈值时，控制处理器10开始对偏振控制器2进行操作控制，改变半导体激光光源1的偏振态，使两路电信号的相关系数上升到阈值以上。如果此时计算机7再利用第一光电探测器4a和第二光电探测器4b进行互相关定位将具有很高的精度。

试验及测试结果：

为了验证建本控制方法能够有效地维持并提高第一光电探测器4a和第二光电探测器4b的相关系数，在实际管道上进行了试验。试验中利用一段长100m、管径为Φ159mm的气管道展开相关模拟实验。将测试光缆与管道同沟埋入土壤中，测试光缆位于管道正上方且垂直距离为500mm。实验管道可以承压大于2MPa，试验中使用空压机向管道注入压缩空气，使管内的压力达到0.95MPa。试验中采集每秒两路电信号的相关系数，看本专利的方法能否将相关系数保持在1附近。

本次试验中光纤规格为4芯单模光纤；光源采用半导体激光器，波长为1550nm，功率为1mW；光电探测器采用InGaAs光电二极管，其最小上升(下降)时间为0.1ns。计算机中的数据采集卡采用美国国家仪器公司的PCI-6132数据采集卡，控制处理器采用MC9S08AW60单片机，偏振控制器采用通用光电公司的PCD-M02型集成PolaRiteⅡ/III偏振控制器。

设定概率P_c=0.8，初始控制量组合x_n的个数为30，经过124小时的实验，参见图3a和图3b，在采样点取相同值时，控制后的两路电信号的幅值相近。参见图4，控制后的两路电信号的相关系数基本能够维持在0.95以上，可见控制后的两路电信号具有很好的相关性。为此计算机7通过控制后的两路电信号实现了较高的定位精度。

综上所述，本发明实施例提供了一种光纤管道泄漏监测装置及其控制方法，本发明实施例通过控制处理器计算两路电信号的相关系数，当相关系数小于阈值时，对半导体激光光源输出的激光进行偏振态的反馈控制，使相关系数大于等于阈值，提高了两路电信号的相关性，进而提高了光纤管道泄漏监测装置的定位精度。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤管道泄漏监测装置，所述监测装置包括：半导体激光光源，其特征在于，

所述半导体激光光源通过偏振控制器将发出的激光传输至第一耦合器，所述第一耦合器将所述激光分束成第一激光和第二激光；所述第一激光依次通过第一引导光纤、第一环形器和第三引导光纤传输至第二耦合器，所述第二耦合器将所述第一激光分束成第三激光和第四激光；所述第三激光经过第一传感光缆，所述第四激光经过第二传感光缆后在第三耦合器处合束，获取第一合束激光；所述第一合束激光依次通过第四引导光纤、第二环形器和第六引导光纤传输至第二光电探测器；所述第二激光依次通过第二引导光纤、第二环形器和第四引导光纤传输至第三耦合器；所述第三耦合器将所述第二激光分成第五激光和第六激光；所述第五激光经过所述第一传感光缆，所述第六激光经过所述第二传感光缆后在所述第二耦合器处合束，获取第二合束激光；所述第二合束激光依次通过所述第三引导光纤、所述第一环形器和第五引导光纤传输至第一光电探测器；所述第一光电探测器将所述第二合束激光转换为第二电信号并分别传输至计算机和控制处理器；所述第二光电探测器将所述第一合束激光转换为第一电信号并分别传输至所述计算机和所述控制处理器；所述控制处理器通过接口协议转换装置连接有偏振控制器；所述控制处理器根据所述第一电信号和所述第二电信号的相关系数判断是否需要对所述偏振控制器的控制量进行控制；如果是，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别获取经过所述偏振控制器控制后的第二调整电信号和第一调整电信号；所述计算机根据所述第一调整电信号和所述第二调整电信号对事发点进行定位；如果否，所述计算机根据所述第一电信号和所述第二电信号对所述事发点进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种光纤管道泄漏监测装置，其特征在于，所述半导体激光光源通过偏振控制器将发出的激光传输至第一耦合器具体为：

所述半导体激光光源的通过第七引导光纤与所述偏振控制器的一端连接，所述偏振控制器的另一端通过第八引导光纤与所述第一耦合器连接，所述半导体激光光源通过所述偏振控制器将发出的所述激光传输至所述第一耦合器。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤管道泄漏监测装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)所述控制处理器随机产生所述偏振控制器的初始控制量组合x_n，并依次输入到所述偏振控制器中，获取每个初始控制量x对应的相关系数f(x)，并获取第一相关系数组合f(x_n)；

(2)根据所述初始控制量组合x_n对应的相关系数大小，对所述初始控制量组合x_n进行升序排列，获取排列后相关系数组合f(x'_n)和相关系数累加之和P，将所述相关系数累加之和P与随机数r相乘得到P_r，其中，0<r<1；

(3)令参数选取P_n≥P_r时n的最小值n'，将1至n'个控制量组合作为所述偏振控制器的第一新控制量组合x′′_n；

(4)将所述第一新控制量组合x′′_n中相关系数最小的控制量x′′₁替换为x′′₁=x′′_max+f(x′′_max)×Δ，其中，Δ为最大跳转步长，x′′_max为所述第一新控制量组合x′′_n中相关系数最大的控制量；

(5)对剩余的n'-2个控制量按概率P_c执行更新操作，获取第二新控制量组合x′′′_n；

(6)将所述第二新控制量组合x′′′_n输入至所述偏振控制器，获取相应的第二相关系数组合f(x′′′_n)；

(7)判断所述第二相关系数组合f(x′′′_n)中是否有相关系数值大于阈值，如果是，执行步骤(8)；如果否，执行步骤(9)；

(8)将大于所述阈值的相关系数值对应的控制量作为最终控制量，并将控制量输出至所述偏振控制器，流程结束；

(9)重新执行步骤(1)。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述对剩余的n'-2个控制量按概率P_c执行更新操作，获取第二新控制量组合x′′′_n具体为：

假定参与更新操作的一对控制量为x′′_a和x′′_b，随机数k，0<k<1，则产生的新控制量分别为x′′_new1=(1-k)×x′′_a+k×x′′_b，x′′_new2=(1-k)×x′′_b+k×x′′_a，重复进行(n'-2)×P_c/2次更新操作，获取所述第二新控制量组合x′′′_n。

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