CN107478319A - 一种用于油气管线安全监测的光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油气管线安全监测的光纤传感系统，属于光信号处理技术领域。本发明通过使用一根多芯光缆作为传感光缆，其中的多根平行传感纤芯采用相邻纤芯首尾连接的方式，在光缆骨架支撑下保持平行分布；利用单缆多芯的振动信号的一致性，即每根芯的振动位置和信号一致，处理接收到光纤振动信号，从而获取油气管道由于人为破坏和管道老化引起的震源的位置信息。实现对相同或相邻位置处接收振动信号的叠加处理，在保持系统方案硬件组成和系统成本不增加的同时，极大提高了系统信噪比，增强了传感光纤对于振动信号的灵敏度。

Description

一种用于油气管线安全监测的光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感、光纤通信和信号处理技术领域，具体为一种分布式振动传感系统及其应用。

背景技术

管道传输作为一种运输油气资源的最高效的方式，已经得到了广泛的应用。然而，近年来，因打孔盗油，自然灾害和管道老化等原因所引起的管道泄漏事件屡屡发生，使得经济和环境都付出了巨大的代价。因此，输油气管道的安全监测工作就显得特别重要。近年来，光纤传感技术发展迅速，它具有抗电磁干扰，灵敏度高，动态范围大等优点，并在油气管道安全监测领域有了应用。当人为破坏导致油气管道泄漏所引起的振动作用于光纤时，光纤中所传输的光的相位和偏振态等参数就会发生变化，因此通过监测光信号的变化就可以实现对油气管道的安全监测。实现对油气管道的安全监测，主要使用的便是基于光时域反射技术(OTDR)的分布式光纤传感器。

光时域反射技术(OTDR)技术的原理是由于光纤制备工艺的限制，造成光纤上各点的密度不均匀，进而折射率不均匀，这种不均匀性引起光在光纤中传输时发生瑞利散射。同时，光纤受到各种施加的外力(强烈的机械振动或微弱的声波振动)时也会导致局部折射率的变化，也会使得光纤中的散射光发生变化。这样，当在光纤一端注入脉冲激光进行传输时，其中一部分的背向散射光反向传输回光入射端，通常这对于光纤通信来说这是一种反射损耗，然而也正是因为这样的特性，可以通过探测接收到的随时间变化的背向散射光信号，来监测光纤链路上受到的应力变化情况。

目前，在油气管道的光纤传感信号检测方面，传统的分布式传感系统由于其信噪比以及灵敏度有限，且振动信号经过土壤等介质吸收，单芯光纤探测得到的信号十分微弱，导致检测有效信号非常困难。在实际工程应用中，传统分布式传感系统的检测信号会受到很多噪声源的影响，而且是随机噪声或者是统计噪声。较低的信噪比会极大的降低该传感系统的价值。

发明内容

本发明的发明目的在于：为增强用于油气管线安全监测的光纤传感系统的灵敏度，提高系统信噪比，本发明提供了一种用于油气管线安全监测的高灵敏度光纤传感系统。

本发明的用于油气管线安全监测的光纤传感系统，包括激光发射器、声光调制器、波形发生器、2个脉冲放大器、2个滤波器、环形器、探测器、数据采集卡、信号处理装置和传感装置组成，其特征在于：

激光发射器输出连续光，经声光调制器调制为脉冲光，声光调制器由波形发生器驱动；声光调制器输出的脉冲光依次经第一脉冲放大器放大以及第一滤波器抑制噪声后，通过环形器的1端口耦合经其2端口输至传感装置中；从传感装置反射回来的光信号经环形器2端口传输至3端口，再耦合进第二脉冲放大器进行放大，再由第二滤波器滤除掉第二脉冲放大器在放大时产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感装置中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器；数据采集卡采集探测器输出的电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理，数据采集卡由波形发生器同步触发采集；信号处理装置对采集的信号进行处理以获取到传感装置中传感光缆上不同位置受到外力作用的振动信号中所包含的时频域信息，完成对作用于油气管线的振动信号的定位；

所述传感装置由接入光缆、传感光缆组成，其中接入光缆实现环形器与传感光缆间的光信号传输；传感光缆为一根多芯光缆中的多根平行光纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯(纤芯数通常可设置为2～8)在光缆骨架支撑下保持平行分布。该传感光缆沿油气管道线布置，通过信号处理装置对采集信号的处理，以获取到光纤上不同位置受到的振动信号的位置信息，从而实现对管道结构损坏或人为破坏的快速检测和精确定位。

进一步的，信号处理装置在获取振动信号中所包含的时频域信息时，首先经过累加器对采集的信号按照周期进行同步叠加；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行去除带外噪声的预处理；最后经过三阶累积量运算器滤除带内噪声。

本发明的的工作流程如下：

步骤1：激光发射器经高消光比的声光调制器发射脉冲光信号，再经过脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由多芯光缆构成的传感装置的光缆中。

步骤2：从传感装置反射回来的光信号经脉冲放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器；所述反射回来的光信号是每一根光纤芯在受到外界振动信号扰动位置反射回来的后向瑞利散射光。波形发生器同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理。

步骤3：在信号处理装置中，通过处理采集信号，从而获取到整个传感装置上在某个位置受到振动时的位置信息。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

发明中的传感光缆是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根平行光纤芯在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。利用单缆多芯的振动信号的一致性，即每根芯的振动位置和信号一致，处理接收到光纤振动信号，从而获取油气管道由于人为破坏和管道老化引起的震源的位置信息。实现对相同或相邻位置处接收振动信号的叠加处理，在保持系统方案硬件组成和系统成本不增加的同时，极大提高了系统信噪比，增强了传感光纤对于振动信号的灵敏度。

附图说明

图1是应用于油气管线安全监测的高灵敏度光纤传感系统结构示意图；

图2是实施例的信号叠加过程示意图；

图3是本发明的等效多脉冲系统示意图；

图4是本发明的信号叠加结果示意图；

图5是本发明的系统硬件示意图；

图6实施例的信号处理过程示意图；

附图标记：1-光发射接收模块，2-光纤芯，3-接入光缆，4-传感光缆，5-传感光纤，6-平行光纤连接处，7-油气管道，8-人为破坏引起的振动信号，9-光脉冲信号。

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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

结合图1、图2、图3所示，本发明用于油气管线安全监测的高灵敏度光纤传感系统由光发射接收模块和传感装置组成。光发射接收模块是由图5中除传感装置以外所有器件所组成。传感装置由接入光缆和传感光缆组成。接入光缆可以是任何一种能够将光脉冲从激光发射器传输到传感光缆中去的光缆。传感光缆是由多根平行光纤芯首尾连接组成。在传感光缆末端，将传感光缆用一根长度为600米的接入光缆连接至光发射接收模块。激光发射器和探测器分别用来发射光脉冲到光缆中和探测从光缆多个位置反射回来的后向散射光。

结合图1、图4所示，本发明的光缆2被放置在靠近发射振动信号的噪声源的位置，振动信号传播至光缆时会导致传感装置的形变。形变会暂时的改变光缆的后向散射光的性质。因为光纤的突然形变，探测器会探测出后向散射光性质的改变，以及随着光信号和后向散射光沿着光缆的传输，形变的位置也将被探测到。特别地，通过识别和接收来自某段光纤的后向散射光信号，可以检测出此段光纤的振动信息。在本发明中，多根光纤的相同或相邻位置都会被同时执行检测，每段光纤都包含了振动位置的相关时频域信息。

图2中的虚线框就是一个典型的形变位置，而被虚线框圈住的就是典型的6根平行光纤结构。振动位置对应的每段光纤反射的瑞利散射光信号经传感光纤全部汇聚在探测器中。

结合图1、图5和图6所示，从中心波长1550nm的高相干窄线宽激光发射器输出连续光，经高消光比的声光调制器调制为脉冲光，声光调制器由波形发生器驱动(TTL信号)，重复频率为1kHz，脉宽为200ns(占空比为0.02％)，对应了20m的空间分辨率。脉冲光经过第一脉冲放大器放大以及第一滤波器抑制噪声后通过环形器的1端口耦合经其2端口输至传感装置中即接入光缆中。从传感装置反射回来的光信号经环形器2端口传输至3端口再耦合进第二脉冲放大器放大，并由第二滤波器滤除掉第二脉冲放大器放大产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感光纤中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器。数据采集卡采集探测器的输出电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理。数据采集卡也由波形发生器同步触发采集，波形发生器由独立的软件控制。在信号处理装置中，由于探测器接收到各个时刻反射回来的瑞利散射光信号的信噪比为20dB，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，信噪比提高将近5dB，有效增强信号强度和抑制噪声，提高系统信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除了部分带外噪声，信噪比提高13dB，进一步提升系统信噪比；最后经过三阶累积量运算器，大部分带内噪声被滤除，信号明显突出，信噪比又提高2dB，系统信噪比显著提升。通过处理采集信号，从而获取到整个传感装置上在受到的振动信号的位置信息。

本实施例中，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，有效增强信号强度和抑制噪声，提高系统信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除了部分带外噪声，进一步提升系统信噪比；最后经过三阶累积量运算器，大部分带内噪声被滤除，信号明显突出，系统信噪比显著提升。

通过隔离在光发射接收模块接收到的后向散射光，均能将属于每一段光纤的后向散射光信号分离因为消除了噪声，接收到的叠加信号体现了本发明相对于不使用信号叠加的分布式传感系统在信噪比上的提升。已经发现，依赖瑞利散射效应的分布式振动传感系统产生的噪声类似出来以及进行进一步的处理。利用现有技术，在处理器中处理接收到的数据，以及通过接收到的叠加信号，可以提取出振动信号方向和大小的相关信息。对于随机噪声，它可以利用叠加技术来消除。通过处理分布式振动传感系统的统计噪声，本发明将极大提高信噪比。

光缆的总长可以是从数米到数十千米，激光发射器至离激光发射器最远的光缆的距离可以是从数米到数十千米。光缆2是被用来传感外界振动源的振动信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种用于油气管线安全监测的光纤传感系统，其特征在于，包括激光发射器、声光调制器、波形发生器、2个脉冲放大器、2个滤波器、环形器、探测器、数据采集卡、信号处理装置和传感装置组成，其特征在于：

激光发射器输出连续光，经声光调制器调制为脉冲光；声光调制器输出的脉冲光依次经第一脉冲放大器放大以及第一滤波器抑制噪声后，通过环形器的1端口耦合经其2端口输至传感装置中；从传感装置反射回来的光信号经环形器2端口传输至3端口，再耦合进第二脉冲放大器进行放大，再由第二滤波器滤除掉第二脉冲放大器在放大时产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感装置中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器；数据采集卡采集探测器输出的电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理；信号处理装置对采集的信号进行处理以获取到传感装置中传感光缆上不同位置受到外力作用的振动信号中所包含的时频域信息，完成对作用于油气管线的振动信号的定位；

所述传感装置由接入光缆、传感光缆组成，其中接入光缆实现环形器与传感光缆间的光信号传输；沿油气管线布置的传感光缆为一根多芯光缆中的多根平行光纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯在光缆骨架支撑下保持平行分布。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述信号处理装置在获取振动信号中所包含的时频域信息时，首先经过累加器对采集的信号按照周期进行同步叠加；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行去除带外噪声的预处理；最后经过三阶累积量运算器滤除带内噪声。