CN104266084A - 基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，本发明涉及输油管道内检测器跟踪定位领域，所述方法包括：以铺设在输油管道附近的光缆中的分布式光纤作为传感器，拾取输油管道内检测器运动过程中产生的振动信号；终端计算机根据所述振动信号实现对管道内检测器的跟踪定位。本方法简单，在铺有光缆的管线上，以光缆中光纤作为传感器，不需要沿管线放置地面标记器、GPS模块等设备来辅助跟踪定位；系统稳定，系统需要的设备，如计算机、激光光源等设备都放在终点站室内，相比采用声发射法、磁信号发射法、放射源发射法、电磁脉冲发射法等环境有利于设备长时间稳定地工作。

Description

基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法

技术领域

本发明涉及输油管道内检测器跟踪定位领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法。

背景技术

我国从20世纪70年代开始，大规模建设油气管道，截至目前，逐渐建成了成体系的油气管线网络。但是由于自然腐蚀、制造缺陷以及人为的破坏等，管道事故频频发生，造成了国家财产流失和生存环境污染等严重后果，各方面对管道泄漏检测越来越重视。管道泄漏检测包括管道外检测和管道内检测等多种形式的检测方法，其中管道内检测方法具有精度高、对泄漏点定位准、能检测到微小泄漏等优点，得到研究人员越来越多的关注。管道内检测器是一种在管道中运行，完成对管体的逐级扫描，实现对管道缺陷大小和位置检测的装置。

内检测器的种类多种多样，主要包括：PIG(pipeline inspection gauge,管道检测仪)型管内检测器、轮式管道检测机器人、球形管内检测器等。PIG型管内检测器前后各有一组皮碗，中间是主体部分，有控制、采集、存储等装置，整体上，PIG外径略大于管道内径，在压差的作用下，沿着管道向前运行。轮式管道检测机器人，是一种在内检测器周围装有滑轮,能够较轻便地在管道中运行的管道内检测器。球形管道内检测器是一种新型的内检测器，在专利公开号为CN 102444786 A的专利中提出了一种检测输油管道泄漏的球形内检测器，这种球形内检测器是以球形为机械结构，将检测、存储装置放入球内，具有检测灵敏度高，制备成本低，体积小，在管道中不易卡堵，功耗低，使用灵活等优点。

内检测器在对管道进行检测的过程中，由于种种原因可能会出现内检测器卡堵等问题，这就要求在内检测器在管道中运行时，需要对内检测器进行跟踪定位，以检测内检测器的运行状态，当内检测器出现卡堵等问题时以便于及时地进行抢修作业。对管道内检测器的跟踪定位方法有很多种，主要包括：电磁脉冲发射法、声学法、放射源法等，但每种方法都有一定的局限性。电磁脉冲发射法的缺点主要是：电磁信号发射装置不断向外发射电磁信号，功耗大，对电源系统要求高；电磁信号受外界电磁干扰严重，在追踪和定位内检测时，易受到外界环境干扰，误判情况较严重；需要在管道沿线放置多组地面标记器辅助跟踪定位。声学法的缺点主要是：在不知道管道走向或具体位置时，无法安装地面接收装置；需要大量的地面接收装置来辅助跟踪，并且是间断地、定点地跟踪；受外界环境影响较大。放射源法的缺点主要是：只能适用于那些埋深较浅、管壁较薄的管线上。

发明内容

本发明提供了一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，本发明能够实时检测内检测器的位置，详见下文描述：

一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，所述方法包括：

以铺设在输油管道附近的光缆中的分布式光纤作为传感器，拾取输油管道内检测器运动过程中产生的振动信号；

终端计算机根据所述振动信号实现对管道内检测器的跟踪定位。

所述终端计算机根据所述振动信号实现对管道内检测器的跟踪定位的步骤具体为：

光脉冲打入到分布式光纤中的时刻为t1；

内检测器运动到某位置A处并引起该位置光纤参数的改变，以至使得瑞利散射产生变化，该变化反向传送到光电探测器的时间为t2，时间差为t＝t2-t1；

光纤的等效折射率为nf，真空中光速为c，则内检测器距光纤首端的距离L为：L＝(c*t)/(2*nf)。

所述方法还包括：

在没有内检测器运行时，对环境噪声进行采样提取环境噪声的特征，建立环境噪声数据库和环境噪声特征曲线；

当有内检测器运行时，对采集到的数据进行减环境噪声特征曲线处理。

所述方法还包括：

在没有内检测器运行时，对人为事件(挖掘、过往车辆等)进行采样，对事件所引起的特殊信号进行归类并提取特征，建立人为事件数据库和人为事件特殊曲线；

当有内检测器运行时，对采集到的数据进行减环境噪声特征曲线后，分析是否有人为事件发生，若有，则再进行减人为事件特殊曲线处理。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法简单，在铺有光缆的管线上，以光缆中光纤作为传感器，不需要沿管线放置地面标记器、GPS模块等设备来辅助跟踪定位；系统稳定，系统需要的设备，如计算机、激光光源等设备都放在终点站室内，相比采用声发射法、磁信号发射法、放射源发射法、电磁脉冲发射法等环境有利于设备长时间稳定地工作；长距离监测，因为是以光纤作为传感器，所以可以监测长达几十千米的管线上内检测器的运行状态；监测实时性，以光纤作为传感器，在终端计算机上进行数据处理识别完全可以实现在线实时监测，可以完成对内检测器的运行状态进行全程实时监测，而非其他方法只能依靠地面标记器等装置实现定点监测；内检测器不需要其他装置，其他方法中，如电磁脉冲发射法，需要在内检测器中安装信号发射装置并在外面安装接收装置，而该方法不需要内检测器中安装信号发射装置，节省了内检测器空间。

附图说明

图1为本方法所采用的系统组成示意图。

图2为本方法实现的原理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：终端计算机；                       2：数据处理采集模块；

3：光电探测器；                       4：激光光源；

5：声光或电光调制器；                 6：光纤环形器；

7：3db光耦合器；                      8：分布式光纤；

9：输油管道；                         10：内检测器；

11：内检测器运动到A位置时的理想瑞利散射曲线；

12：无内检测器运行时理想瑞利散射曲线；

13：处理后内检测器运行状态曲线。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒介，感知和传感外界被测信号的传感技术，随着其迅速的发展，光纤传感技术已经应用到管道检测系统中。因为光纤传感技术具有抗电磁、轻巧灵便、耐腐蚀、长距离等特点，得到了研究人员越来越多的关注和重视。很多石油管线铺设管道的同时会在管道附近铺设一根光缆，光缆中装有分布式光纤，以分布式光纤作为传感器，可以用来实现对管道各种情况的监测。

本发明实施例提出了一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，本方法应用时需要保证内检测器是在铺有光纤的管线上运行，本方法是基于公开号为CN103278271A的专利中提到的一种分布式光纤监测系统为物理基础的，即在该结构基础上进行新领域上方法的探究。管道内检测器在管道中运行时，会与管道壁摩擦产生振动，除此之外，管线长达几千米甚至几十千米，管线中会有很多的焊缝、阀门、弯曲处，在这些地方内检测器摩擦、碰撞产生更强烈的振动，本方法对内检测器的跟踪定位就是利用分布式光纤作为传感器拾取这些振动信号，将这些振动信号转换为相位调制的光信号，传到终端的计算机进行分析，实现对内检测器的跟踪定位。

图1为提出的一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法实现的系统组成图。该系统包括：终端计算机1、数据处理采集模块2、光电探测器3、激光光源4、声光或电光调制器5、光纤环形器6、3db光耦合器7、分布式光纤8、输油管道9和内检测器10。

本方法要求在铺设输油管道9的时候同时在输油管道9附近铺设光缆，并用光缆中的分布式光纤8作为传感器，即本方法仅用于这种铺设有光纤的管线上。激光光源4产生的光，经过声光或电光调制器5的作用转换为光脉冲，光脉冲又经光纤环形器6进入3db光耦合器7，在3db光耦合器7中按功率1:1分为两束光分别注入两路分布式光纤8中，在两路分布式光纤8中传播的两束光脉冲，在传播过程中在光纤的每点都会产生散射光或菲涅尔反射光，该散射或反射光就夹带了该位置处的相关信息，并且分布式光纤8中沿与光脉冲传播相反的方向传播，最后在反向通过3db光耦合器7时形成干涉光信号，通过光纤环形器6进入光电探测器3形成电信号，并输入至数据处理采集模块2，经数据处理采集模块2进行放大、滤波和模数转换处理后，输出数字信号到终端计算机1中，在终端计算机1中进行分析、判断、定位。

每向分布式光纤8中打入一次光脉冲，终端计算机1中就会得到一条曲线，曲线上的各点就代表着空间中管线沿线各处的情况，也就是各个位置处的相关信息。具体说明，当向分布式光纤8中注入光脉冲后，光脉冲将沿整个光纤链路传播，并在沿线的每一处都激发瑞利散射，这些散射光与该位置的分布式光纤8的参数相关，即这些散射光能够代表该位置处的相关信息。这些散射光与光脉冲的传播方向相反，并依次连续返回到分布式光纤8首端的光电探测器3，在光电探测器3返回的两路散射光产生干涉，因此终端计算机1得到的曲线各点反应的是对应位置所形成干涉场的情况，用这些采样点就可以反应整个分布式光纤8各个位置处的散射光特征。

参见图2，当有内检测器10在管线上运行时，内检测器10与管道摩擦碰撞产生振动，使得该位置处的光纤参数发生变化，分布式光纤8中的散射光也会受到相位调制，在光电探测器3接收到的瑞利散射干涉光强会发生变化，在终端计算机1就会得到内检测器3的位置信息。如图2所示，没有内检测器10运行时，终端计算机1可以得到一条瑞利散射曲线12，当内检测器10运行到位置A时，可以得到瑞利散射曲线11，经过处理后可以得到内检测器10的运行状态曲线13，在曲线13表示的是某时刻内检测器10运行到某位置A处的状态。需要指出的是内检测器10运行的特征曲线坐标随时间的改变(内检测器10位置的改变)而不断变化。

内检测器10的定位是通过计算光脉冲发射时间和散射信号到达光纤首端的时间差来确定的。具体为，光脉冲打入到分布式光纤8中的时刻为t1，内检测器10运动到某位置A处并引起该位置光纤参数的改变，以至使得瑞利散射产生变化，该变化反向传送到光电探测器3的时间为t2，时间差为t＝t2-t1；光纤的等效折射率为nf，真空中光速为c，则内检测器10距光纤首端的距离L为：L＝(c*t)/(2*nf)。

内检测器10的跟踪是连续实时的，在终端计算机1上可以看到内检测器10的整个运行过程，在终端计算机1得到的曲线上内检测器10引起的特有的振动信号是随时间在坐标上连续变化的。若曲线上内检测器10引起的特有的振动信号突然消失，则说明内检测器10出现卡堵等故障。

为了更加有效地跟踪内检测器10，终端计算机1在进行信号处理分析时，需要消除环境和其他因素地影响，比如环境对分布式光纤8噪声的影响、过往车辆引起的振动的影响、人工挖掘引起的振动的影响等。对于环境对分布式光纤8噪声的处理是最重要的一个环节，处理方法是在没有内检测器10运行时，对环境噪声进行采样，采集一天甚至更长时间的数据，将这些数据做处理，提取环境噪声的特征，建立环境噪声数据库和环境噪声特征曲线，当有内检测器10运行时，采集到的数据，首先要“减去”环境噪声特征曲线，以消除环境噪声对内检测器10跟踪的影响。消除过往车辆、人工挖掘等引起的影响，同样在没有内检测器10运行时，采集大量过往车辆、人工挖掘等事件所引起的特殊信号，采集完成后对这些事件的信号做归类，提取其特征，建立人为事件数据库和人为事件特殊曲线，数据处理时也“减去”人为事件特征曲线，以消除人为事件对内检测器10跟踪的影响。在实验过程中，采集大量内检测器10运行时的数据，将这些处理后，得到内检测器10运行的特征，建立内检测器10运行数据库和特征曲线，这些特征数据可以与在实际应用中采集到的数据进行比对分析。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

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)

1.一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，其特征在于，所述方法包括：

以铺设在输油管道附近的光缆中的分布式光纤作为传感器，拾取输油管道内检测器运动过程中产生的振动信号；

终端计算机根据所述振动信号实现对管道内检测器的跟踪定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，其特征在于，所述终端计算机根据所述振动信号实现对管道内检测器的跟踪定位的步骤具体为：

光脉冲打入到分布式光纤中的时刻为t1；

内检测器运动到某位置A处并引起该位置光纤参数的改变，以至使得瑞利散射产生变化，该变化反向传送到光电探测器的时间为t2，时间差为t＝t2-t1；

光纤的等效折射率为nf，真空中光速为c，则内检测器距光纤首端的距离L为：L＝(c*t)/(2*nf)。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，其特征在于，所述方法还包括：

在没有内检测器运行时，对环境噪声进行采样提取环境噪声的特征，建立环境噪声数据库和环境噪声特征曲线；

当有内检测器运行时，对采集到的数据进行减环境噪声特征曲线处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的输油管道内检测器跟踪定位方法，其特征在于，所述方法还包括：

在没有内检测器运行时，对人为事件进行采样，对事件所引起的特殊信号进行归类并提取特征，建立人为事件数据库和人为事件特殊曲线；

当有内检测器运行时，对采集到的数据进行减环境噪声特征曲线后，分析是否有人为事件发生，若有，则再进行减人为事件特殊曲线处理。