CN109027704A - 基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统及监测方法，系统包括：分布式声波传感子系统、预警识别子系统以及铺设于待监测管道上的微结构光纤；分布式声波传感子系统用于产生信号光并将信号光注入微结构光纤，以及探测反射信号光并通过解调得到反射信号光的相位信息和位置信息；预警识别子系统用于根据相位信息判断管道健康状况，并进一步识别管道异常模式或对管道腐蚀情况进行预警；微结构光纤用于传输信号光并产生携带管道声波或振动信息的反射信号光。本发明能同时实现监测和预警，并且监测灵敏度高、定位精度高，同时对异常事件的响应频率高。
Description
技术领域
本发明属于分布式声波传感系统领域，更具体地，涉及一种基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统及监测方法。
背景技术
管道输送具有安全、便捷、经济的特点，但管道可能由于外部扰动、腐蚀、管材和施工质量等原因会发生失效事故。为保障管道运输安全，需要对管道的健康状态实时监控，以应对管道腐蚀和应力破坏造成的严重后果。近年来发展起来的分布式光纤传感技术因其长距离、高灵敏、无源耐腐蚀以及可在线检测等优势，成为目前国内外应用于管道健康监测的新方法，并得到快速发展。
应用于管道缺陷检测的分布式光纤传感技术，主要包括基于光纤干涉仪的测试系统、基于光纤布里渊散射的光时域反射测试系统以及基于相位敏感光时域反射仪的测试系统。光纤干涉仪测试系统技术成熟、结构相对简单、检测灵敏度高，但通常定位精度低且难以同时检测出多点因管道缺陷引起的压力变化或微振动，实际应用可行性较低。时域光反射传感系统可以从根本上解决多点同时检测和定位问题，是一种很有前景的技术。目前应用于管道监测的时域光反射技术，还存在以下缺点：(1)泄漏检测的灵敏度和定位准确性较低；(2)长距离检测时对事件的响应频率较低；(3)仅能检测已经发生的管道泄漏事件，而无法对泄漏前的腐蚀过程进行全时监测和预警。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统及监测方法，其目的在于实时监测管道的动态健康状况，由此解决现有技术灵敏度低、定位精度差、事件响应频率低、检测影响管道工作、无法全天实时监测和预警的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，包括：分布式声波传感子系统、预警识别子系统以及铺设于待监测管道上的微结构光纤；分布式声波传感子系统用于产生信号光并将信号光注入微结构光纤，以及探测微结构光纤中传输的反射信号光并对反射信号光进行解调，得到反射信号光的相位信息和位置信息；预警识别子系统用于对相位信息进行分析处理以判断管道健康状况，并进一步得到相位信息的特征，从而识别管道异常模式或对管道腐蚀情况进行预警；微结构光纤用于传输信号光并产生携带管道声波或振动信息的反射信号光，以实时获取管道的健康信息。
进一步地，分布式声波传感结构产生信号光的方式为：产生窄线宽激光脉冲并将其分为信号光和参考光。
进一步地，分布式声波传感结构将信号光注入微结构光纤之前会对信号光进行声光调制、光放大以及光滤波。
进一步地，微结构光纤由可抗200度以上高温的聚酰亚胺材料涂层，以实现对微结构光纤的保护，同时保证微结构光纤对接触管道的探测灵敏度。
进一步地，预警识别子系统包括异常检测模块、特征提取模块以及分类模块；异常检测模块用于根据相位信息判断待监测管道的健康状况是否出现异常；特征提取模块用于提取相位信息的特征，包括：时域特征、频域特征以及时频域特征；分类模块用于在异常检测模块检测到异常时，根据特征对触发管道异常的异常模式进行识别分类；或者在异常检测模块未检测到异常时，根据特征对管道腐蚀情况进行预警。
进一步地，异常检测模块用于接收相位信息和位置信息，并去除相位信息的直流波动，然后利用相位信息进行阈值判别，以判断待监测管道的健康状况是否出现异常，并在检测到异常时根据位置信息得到异常的具体位置。
进一步地，特征提取模块用于通过小波软阈值去噪去除相位信息的部分噪声，然后对相位信息进行切分并提取出其中能量最大段的信号，最后通过特征提取算法处理所提取的信号，从而提取出相位信息的特征。
进一步地，分类模块为基于支持向量机算法的分类器。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面所提供的基于微结构光纤分布式传感的管道检测系统的监测方法，包括：
(1)获得分布式声波传感子系统输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f；
(2)通过分布式声波传感子系统产生信号光，并在管道上加载振动信号，使得微结构光纤产生携带管道振动信息的反射信号光；
(3)通过分布式声波传感子系统得到第一相位信息和第一位置信息；第一相位信息为反射信号光经解调得到的相位信息，第一位置信息为反射信号光经解调得到的位置信息；
(4)通过预警识别子系统对第一相位信息进行分析处理，以判断管道健康状况；进一步通过预警识别子系统得到第一相位信息的特征，以识别管道的异常模式，或者根据变化规律f对管道腐蚀情况进行预警；特征包括：时域特征、频域特征以及时频域特征。
进一步地，步骤(1)中，获得分布式声波传感子系统输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f，包括：
(11)通过分布式声波传感子系统产生测试信号光，并在管道上加载宽频带声波信号，使得微结构光纤产生携带管道声波信息的测试反射光；管道声波信息为宽频带声波信号的行波信息或反射波信息；
(12)通过分布式声波传感子系统得到第二相位信息；第二相位信息为测试反射光经解调得到的相位信息；
(13)通过预警识别子系统获得第二相位信息的特征并从中提取时频域特征，从而得到第二相位信息的时频域特征和当前管道腐蚀情况的对应关系；
(14)重复步骤(11)～(13)，直至得到分布式声波传感子系统输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，将铺设于管道上的微结构光纤作为传感器以实时获取管道的健康信息，由于微结构光纤为带有若干反射增强点的增敏光纤，能够增强光纤内反射光的强度。因此，本发明所提供的管道监测系统，灵敏度高、定位精度高，并且对管道异常事件的响应频率高。
(2)本发明提供的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，作为传感器的微结构光纤铺设于管道外侧，因此不影响管道的正常工作，并且在管道工作时，也能实施对管道的监测。
(3)本发明所提供的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，既能够实现对管道异常模式的准确识别，又能够对管道腐蚀情况进行有效预警。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统示意图；
图2为本发明实施例提供的预警识别结构框图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为分布式声波传感子系统，2为预警识别子系统，3为微结构光纤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的基于微结构光纤传感的管道检测系统，如图1所示，包括：分布式声波传感子系统1、预警识别子系统2以及铺设于待监测管道上的微结构光纤3；分布式声波传感子系统1用于产生窄线宽激光脉冲并将其分为信号光和参考光，然后对信号光进行声光调制、光放大以及光滤波后将信号光注入微结构光纤3，并探测微结构光纤3中传输的反射信号光，之后对探测到的反射信号光进行解调，得到反射信号光的相位信息和位置信息；预警识别子系统2用于对相位信息进行分析处理以判断管道健康状况，并进一步得到相位信息的特征，从而识别管道异常模式或对管道腐蚀情况进行预警；微结构光纤3用于传输信号光并产生携带管道声波或振动信息的反射信号光，以实时获取管道的健康信息；其中，微结构光纤3由可抗200度以上高温的聚酰亚胺材料涂层，以实现对微结构光纤的保护，同时保证微结构光纤对接触管道的探测灵敏度。
如图2所示，预警识别子系统2包括异常检测模块、特征提取模块以及分类模块；异常检测模块用于接收相位信息和位置信息，并去除相位信息的直流波动，然后利用相位信息进行幅度阈值判别，以判断待监测管道的健康状况是否出现异常，并在检测到异常时根据位置信息得到异常的具体位置；特征提取模块用于通过小波软阈值去噪去除相位信息的部分噪声，然后对相位信息进行切分并提取出其中能量最大段的信号，最后通过特征提取算法处理所提取的信号，从而提取出相位信息的特征，包括：时域特征、频域特征以及时频域特征；分类模块为基于支持向量机算法的分类器，用于在异常检测模块检测到异常时，根据特征对触发管道异常的异常模式进行识别分类，或者在异常检测模块未检测到异常时，根据特征对管道腐蚀情况进行预警。
如图2所示，预警识别子系统2还包括显示模块，用于显示异常检测模块的判别结果和分类模块的识别结果或预警结果。
本发明还提供了一种基于图1所示的管道监测系统的监测方法，包括：
(1)获得分布式声波传感子系统1输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f；具体包括：
(11)通过分布式声波传感子系统1产生测试信号光，并在管道上加载宽频带声波信号，使得微结构光纤3产生携带管道声波信息的测试反射光；管道声波信息为宽频带声波信号的行波信息或反射波信息；
(12)通过分布式声波传感子系统1得到第二相位信息；第二相位信息为测试反射光经解调得到的相位信息；
(13)通过预警识别子系统2获得第二相位信息的特征并从中提取时频域特征，从而得到第二相位信息的时频域特征和当前管道腐蚀情况的对应关系；
(14)重复步骤(11)～(13)，直至得到分布式声波传感子系统1输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f；
(2)通过分布式声波传感子系统1产生信号光，并在管道上加载振动信号，使得微结构光纤3产生携带管道振动信息的反射信号光；
(3)通过分布式声波传感子系统得到第一相位信息和第一位置信息；第一相位信息为反射信号光经解调得到的相位信息，第一位置信息为反射信号光经解调得到的位置信息；
(4)通过预警识别子系统2对第一相位信息进行分析处理，以判断管道健康状况；进一步通过预警识别子系统2得到第一相位信息的特征，以识别管道的异常模式，或者根据变化规律f对管道腐蚀情况进行预警；特征包括：时域特征、频域特征以及时频域特征。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，其特征在于，包括：分布式声波传感子系统(1)、预警识别子系统(2)以及铺设于待监测管道上的微结构光纤(3)；
所述分布式声波传感子系统(1)用于产生信号光并将所述信号光注入所述微结构光纤(3)，以及探测所述微结构光纤中传输的反射信号光并对所述反射信号光进行解调，得到反射信号光的相位信息和位置信息；
所述预警识别子系统(2)用于对所述相位信息进行分析处理以判断管道健康状况，并进一步得到所述相位信息的特征，从而识别管道异常模式或对管道腐蚀情况进行预警；
所述微结构光纤(3)用于传输信号光并产生携带管道声波或振动信息的反射信号光，以实时获取管道的健康信息。
2.如权利要求1所述的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，其特征在于，所述微结构光纤(3)由可抗200度以上高温的聚酰亚胺材料涂层。
3.如权利要求1所述的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，其特征在于，所述预警识别子系统(2)包括异常检测模块、特征提取模块以及分类模块；
所述异常检测模块用于根据所述相位信息判断待监测管道的健康状况是否出现异常；
所述特征提取模块用于提取所述相位信息的特征，包括：时域特征、频域特征以及时频域特征；
所述分类模块用于在所述异常检测模块检测到异常时，根据所述特征对触发管道异常的异常模式进行识别分类；或者在所述异常检测模块未检测到异常时，根据所述特征对管道腐蚀情况进行预警。
4.如权利要求3所述的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，其特征在于，所述异常检测模块用于接收所述相位信息和所述位置信息，并去除所述相位信息的直流波动，然后利用所述相位信息进行阈值判别，以判断待监测管道的健康状况是否出现异常，并在检测到异常时根据所述位置信息得到异常的具体位置。
5.如权利要求3所述的基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统，其特征在于，所述特征提取模块用于通过小波软阈值去噪去除所述相位信息的部分噪声，然后对所述相位信息进行切分并提取出其中能量最大段的信号，最后通过特征提取算法处理所提取的信号，从而提取出所述相位信息的特征。
6.如权利要求3所述的基于微结构光纤的管道安全监测系统，其特征在于，所述分类模块为基于支持向量机算法的分类器。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的基于微结构光纤的管道安全监测系统的监测方法，其特征在于，包括：
(1)获得所述分布式声波传感子系统(1)输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f；
(2)通过所述分布式声波传感子系统(1)产生信号光，并在管道上加载振动信号，使得所述微结构光纤(3)产生携带管道振动信息的反射信号光；
(3)通过所述分布式声波传感子系统(1)得到第一相位信息和第一位置信息；所述第一相位信息为所述反射信号光经解调得到的相位信息，所述第一位置信息为所述反射信号光经解调得到的位置信息；
(4)通过所述预警识别子系统(2)对所述第一相位信息进行分析处理，以判断管道健康状况；进一步通过所述预警识别子系统(2)得到所述第一相位信息的特征，以识别管道的异常模式，或者根据所述变化规律f对管道腐蚀情况进行预警；所述特征包括：时域特征、频域特征以及时频域特征。
8.如权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，获得所述分布式声波传感子系统(1)输出的相位信息的时频域特征随管道腐蚀情况变化的变化规律f，包括：
(11)通过所述分布式声波传感子系统(1)产生测试信号光，并在管道上加载宽频带声波信号，使得所述微结构光纤(3)产生携带管道声波信息的测试反射光；所述管道声波信息为所述宽频带声波信号的行波信息或反射波信息；
(12)通过所述分布式声波传感子系统(1)得到第二相位信息；所述第二相位信息为所述测试反射光经解调得到的相位信息；
(13)通过所述预警识别子系统(2)获得所述第二相位信息的特征并从中提取时频域特征，从而得到所述第二相位信息的时频域特征和当前管道腐蚀情况的对应关系；
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