CN109269624A - 基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法，装置包括第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；通过相位敏感光时域反射原理的分布式光纤振动传感阵列获取管道的振动信息和光波长调制原理的光纤光栅应变传感阵列获取管道的压力信息，其中，分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列使用同一条光纤传输，利用波分复用与时分复用机制工作。本发明的效果和益处是：同一装置兼顾管道振动和应力信息监测，系统集成度高，提高了管道监测系统的泄漏和安防预警准确率；装置所需传输光纤长度与单一功能传感装置所需光纤长度相同，提高传输光纤利用率，在很大程度上降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法。
背景技术
管道作为现代能源运输的最有效方式之一，正在向超长距离、大型化、复杂化的管网系统方向发展，而针对超长距离的管道出现泄漏故障或遭到入侵破坏时进行准确及时预警尤为重要。为了保障大型管网的安全良好运行，在事故或故障发生前或发生时进行及时评判预警，需要对管道进行多物理量的同时监测，特别是能表征其运行状态的振动和压力信息，二者的监测在管道泄漏监测与周界安防等方面得到越来越广泛的应用。
光纤传感技术历经了从单点传感器到分布式光纤传感网络，在各种已经被熟知的分布式光纤传感技术中，光纤光栅传感技术对温度、应力、应变、振动等物理参量具有高传感灵敏度，以及本身拥有体积小、动态区间宽、可靠性高等突出优点；而弱反射性质的光纤传感由于窄带宽、弱反射特点，极大的降低了光源谱宽与传输损耗的限制，所以其具有高空间分辨率和信噪比，高测量精度，极易构成大容量、远距离监测网络等特点；相比于传统的管道监测振动和压力信息方法，利用光纤光栅与弱反射性光纤的分布式光纤传感技术具有传感距离远、高测量精度、大容量等独特优势。
传统的管道振动与压力监测都有各自的监测装置和方法，同一装置无法兼顾二者同时监测，系统集成度低，并且单一的监测方式无法准确判断管道泄漏或安防事故原因；若要同时对管道振动和应力进行监测，需在同一测量空间内安装两套装置，更为了实现长距离监测，势必需要传输光纤足够长，若同时布置两套装置，一套用于振动信息测量，一套用于应力信息测量，需要的传输光纤长度是单套系统的两倍，系统成本急速增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有管道泄漏和安防预警监测技术的不足，提供一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法，本发明混合了波分、时分复用技术和光纤传感阵列技术，易实现高精度、高分辨率、大容量、长距离监测网络，实现管道振动信息和压力信息同一装置同时测量，提高了管道监测系统的预警准确率。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，它包括：第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、传输光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；第一光源经第一光开关连接第一耦合器的第一端口，第一耦合器的第二端口经延时光纤连接第二耦合器的第一端口，第一耦合器的第三端口经连接光纤连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第三端口连接到第一波分复用器的第一端口；第二光源经第二光开关连接第一波分复用器的第二端口，第一波分复用器的第三端口连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光环形器的第三端口与第二波分复用器的第三端口连接，第二波分复用器的第一端口与第一光电探测器的输入口连接，第二波分复用器的第二端口与第二光电探测器的输入口连接，第一光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第一端口连接，第二光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第二端口连接，多通道高速数据采集卡的第三端口连接到数字信号处理卡的第一端口，数字信号处理卡的第二端口分别连接到工业控制计算机的输入口和第一、二光开关的输入口；所述光纤传感阵列包括分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列。
基于上述方案，所述分布式光纤振动传感阵列获取管道的振动信息，所述光纤光栅应变传感阵列获取管道的压力信息，其中，分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列使用同一条光纤传输，利用波分复用与时分复用机制工作。
基于上述方案，所述第一光源为窄带相干光源，其波长与光纤光栅应变传感阵列的反射谱不重叠；第二光源为波长可调谐窄带光源，其调谐范围覆盖光纤光栅应变传感阵列的全部反射光谱。
基于述方案，所述第一光开关和所述第二光开关是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。
基于上述方案，所述的延时光纤长度是连接光纤的长度与分布式光纤振动传感阵列相邻弱反射单元间隔的2倍之和。
基于述方案，所述分布式光纤振动传感阵列为低反射率的全同波长布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。
基于上述方案，所述的分布式光纤振动传感阵列包括多个弱反射单元，其中每个弱反射单元间距相等，用于相邻单元间反射光发生干涉，通过解调相位变化监测管道振动信号。
基于上述方案，所述的光纤光栅应变传感阵列，通过检测波长来监测应力，并通过激光器的波长扫描结合时分复用解调光栅波长变化，计算出应变变化，从而得到管道压力信息。
本发明还提供了一种上述基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置实现信号监测的方法，其方法包括以下步骤：
1)窄带相干光源输出的窄带相干光经过第一光开关后调制成第一脉冲光；波长可调谐窄带光源输出光经过第二光开关调制成第二脉冲光；
2)第一脉冲光出射到第一耦合器第一端口，通过第一光纤耦合器分成两束脉冲相干光，分别为从第一光纤耦合器的第二端口出射的第一脉冲相干光和从第一光纤耦合器的第三端口出射的第二脉冲相干光，第一脉冲相干光通过第一耦合器第二端口出射后经延时光纤传输到第二耦合器第一端口，第二脉冲相干光通过第一耦合器第三端口出射后经连接光纤传输到第二耦合器第二端口，两束脉冲相干光经第二耦合器耦合后又第二光纤耦合器的第三端口出射到第一波分复用器第一端口；第二脉冲光出射到第一波分复用器第二端口；
3)第二光纤耦合器的第三端口输出的第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经第一波分复用器波分复用后，通过第一波分复用器的第三端口入射到光环形器的第一端口，然后经光环形器的第二端口出射到光纤传感阵列；
4)第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经光纤传感阵列上弱反射单元反射的脉冲反射返回到光环形器，第一脉冲相干光经过弱反射单元Ri反射回的脉冲与第二脉冲相干光经过弱反射单元Ri+1反射回的脉冲具有相同的光程而叠加发生干涉，干涉后的脉冲信号通过光环形器的第三端口出射到第二波分复用器的第三端口，经第二波分复用器解复用后，通过第二波分复用器的第一端口出射到第一光电探测器的输入口，第一光电探测器的输出干涉脉冲信号的强度为I1；
5)第二脉冲光经光纤传感阵列上的应变光栅阵列反射返回到光环形器后，通过光环形器的第三端口出射到第二波分复用器的第三端口，经第二波分复用器解复用后，通过第二波分复用器的第二端口出射到第二光电探测器的输入口，第二光电探测器的输出当前波长的第二脉冲光反射信号强度为I2；
6)通过多通道高速数据采集卡获取第一光电探测器的输出信号强度I1，第二光电探测器的输出信号强度I2；
7)通过数字信号处理卡控制第一光开关对窄带相干光源发出的窄带相干光进行调制，形成第一脉冲光，通过脉冲往返时间定位出现异常反射量的位置，通过多通道高速数据卡采集到第一光电探测器输出干涉信号强度I1获取传感振动信号频率的大小f；
8)通过数字信号处理卡控制第二光开关对波长可调谐窄带光源的发出光进行调制，形成第二脉冲光，通过一次调节第二脉冲光的波长来获取应变光栅整个反射光谱范围的反射强度信号I2，在通过光谱拟合获取当前反射光栅的中心波长，进而计算应变量压力信号应变的大小ε。
基于上述方法，所述步骤2)中，第一脉冲光的波长在光纤振动传感阵列上的弱反射单元的反射谱区中间。
本发明的有益效果为：
1.同一装置兼顾管道振动和应力信息监测，系统集成度高；振动和应力信息的同时监测，能及时评判和预警管道泄漏故障或入侵事故，并准确判断事故原因。
2.利用弱反射单元的窄带宽、弱反射特点，监测装置具有更高分辨率和测量精度，并且有效提高了传感网络的容量，易于实现大容量、长距离、多区域监测。
3.所需传输光纤长度与单一功能传感装置所需光纤长度相同，提高传输光纤利用率，并且光环形器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机等设备的公用机制，在很大程度上降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置的结构示意图；
图2为本发明的光纤传感阵列在管道上两种不同安装方式(a)(b)架构示意图；
图中：1-第一光源，2-第二光源，3-第一光开关，4-第二光开关，5-第一耦合器，051-第一耦合器第一端口，052-第一耦合器第二端口，053-第一耦合器第三端口，6-延时光纤，7-连接光纤，8-第二耦合器，081-第二耦合器第一端口，082-第二耦合器第二端口，083-第二耦合器第三端口，9-第一波分复用器，091-第一波分复用器第一端口，092-第一波分复用器第二端口，093-第一波分复用器第三端口，10-光环形器，101-光环形器第一端口，102-光环形器第二端口，103-光环形器第三端口，11-分布式光纤振动传感阵列，12-传输光纤，13-光纤光栅应变传感阵列，14-光纤传感阵列，15-第二波分复用器，151-第二波分复用器第一端口，152-第二波分复用器第二端口，153-第二波分复用器第三端口，16-第一光电探测器，161-第一光电探测器输入口，162-第一光电探测器输出口，17-第二光电探测器，171-第二光电探测器输入口，172-第二光电探测器输出口，18-多通道高速数据采集卡，181-多通道高速数据采集卡第一端口，182-多通道高速数据采集卡第二端口，183-多通道高速数据采集卡第三端口，19-数字信号处理卡，191-数字信号处理卡第一端口，192-数字信号处理卡第二端口，20-工业控制计算机，21-管道。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的特征进一步的描述。
如图1所示，本发明实施例所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，它包括第一光源1、第二光源2、第一光开关3、第二光开关4、第一耦合器5、延时光纤6、连接光纤7、第二耦合器8、第一波分复用器9、光环形器10、传输光纤12、光纤传感阵列14、第二波分复用器15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、多通道高速数据采集卡18、数字信号处理卡19和工业控制计算机20；第一光源1经第一光开关3连接第一耦合器5的第一端口051，第一耦合器5的第二端口052经延时光纤6连接第二耦合器8的第一端口081，第一耦合器5的第三端口053经连接光纤7连接第二耦合器8的第二端口082，第二耦合器8的第三端口083连接到第一波分复用器9的第一端口091；第二光源2经第二光开关4连接第一波分复用器9的第二端口092，第一波分复用器9的第三端口093连接光环形器10的第一端口101，光环形器10的第二端口102连接光纤传感阵列14，光环形器10的第三端口103与第二波分复用器15的第三端口153连接，第二波分复用器15的第一端口151与第一光电探测器16的输入口161连接，第二波分复用器15的第二端口152与第二光电探测器17的输入口171连接，第一光电探测器16的输出口162与多通道高速数据采集卡18的第一端口181连接，第二光电探测器17的输出口172与多通道高速数据采集卡18的第二端口182连接，多通道高速数据采集卡18的第三端口183连接到数字信号处理卡19的第一端口191，数字信号处理卡19的第二端口192分别连接到工业控制计算机20的输入口和第一、二光开关的输入口。
如图2所示，光纤传感阵列14在管道21上有两种不同安装方式(a)和(b)，应用于管道泄漏和安防预警监测时可根据需要选择一种合适的安装方式。图(a)是选择在管道的侧面(对称结构选择一面)安装，图(b)是在管道安装之后选择其垂直正下方安装，由于受重力的影响，二种安装方式监测数据会有微小的差别，但并不影响整体系统安全性判断。
第一光源1为窄带相干光源，其波长与光纤光栅应变传感阵列的反射谱不重叠；第二光源2为波长可调谐窄带光源，其调谐范围覆盖光纤光栅应变传感阵列的全部反射光谱。
光开关3和光开关4是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。
光纤传感阵列14是由分布式光纤振动传感阵列11和光纤光栅应变传感阵列13构成，其中分布式光纤振动传感阵列11根据监测精度需求全线均匀布置，而光纤光栅应变传感阵列13根据所需应变监测位置设置；分布式光纤振动传感阵列11为低反射率的全同波长布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。
延时光纤6长度是连接光纤7的长度与分布式光纤振动传感阵列11相邻弱反射单元间隔的2倍(2L)之和。
本发明基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置实现信号监测的方法，其方法包括以下步骤：
1)第一光源1输出的窄带相干光经过第一光开关3后调制成第一脉冲光；第二光源输出光经过第二光开关4调制成第二脉冲光；
2)第一脉冲光出射到第一耦合器5第一端口051，通过第一光纤耦合器5分成两束脉冲相干光，分别为从第一光纤耦合器5的第二端口052出射的第一脉冲相干光和从第一光纤耦合器5的第三端口053出射的第二脉冲相干光，第一脉冲相干光通过第一耦合器5第二端口052出射后经延时光纤6传输到第二耦合器8第一端口081，第二脉冲相干光通过第一耦合器5第三端口053出射后经连接光纤7传输到第二耦合器8第二端口082，两束脉冲相干光经第二耦合器8耦合后又第二光纤耦合器8的第三端口083出射到第一波分复用器9第一端口091；第二脉冲光出射到第一波分复用器9第二端口092；
3)第二光纤耦合器8的第三端口083输出的第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经第一波分复用器9波分复用后，通过第一波分复用器9的第三端口093入射到光环形器10的第一端口101，然后经光环形器10的第二端口102出射到光纤传感阵列14；
4)第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经光纤传感阵列14上振动阵列的弱反射单元11反射的脉冲反射返回到光环形器10，第一脉冲相干光经过弱反射单元Ri反射回的脉冲与第二脉冲相干光经过弱反射单元Ri+1反射回的脉冲具有相同的光程而叠加发生干涉，干涉后的脉冲信号通过光环形器10的第三端口103出射到第二波分复用器15的第三端口153，经第二波分复用器15解复用后，通过第二波分复用器15的第一端口151出射到第一光电探测器16的输入口161，第一光电探测器16的输出干涉脉冲信号的强度为I1；
5)第二脉冲光经光纤传感阵列14上的应变光栅阵列13反射返回到光环形器10后，通过光环形器10的第三端口103出射到第二波分复用器15的第三端口153，经第二波分复用器15解复用后，通过第二波分复用器15的第二端口152出射到第二光电探测器17的输入口171，第二光电探测器17的输出当前波长的第二脉冲光反射信号强度为I2；
6)通过多通道高速数据采集卡18获取第一光电探测器的输出信号强度I1，第二光电探测器的输出信号强度I2；
7)通过数字信号处理卡19控制第一光开关3对窄带相干光源1发出的窄带相干光进行调制，形成第一脉冲光，通过脉冲往返时间定位出现异常反射量的位置，通过多通道高速数据卡18采集到第一光电探测器输出干涉信号强度I1获取传感振动信号频率的大小f；
8)通过数字信号处理卡19控制第二光开关4对波长可调谐窄带光源2的发出光进行调制，形成第二脉冲光，通过一次调节第二脉冲光的波长来获取应变光栅整个反射光谱范围的反射强度信号I2，在通过光谱拟合获取当前反射光栅的中心波长，进而计算应变量压力信号应变的大小ε。
重复以上操作，可以实现管道的振动信号和压力信号的长期实时监测，实现管道泄漏和入侵事故的准确预警。在管道泄漏和安防监测预警系统中，只有同时获取管道的振动信号和所受压力信号，才能准确的判断管道是否出现泄漏或者遭到入侵。管道压力信号出现异常，并出现振动信号时可判断为管道出现泄漏，定位根据振动信号传输延时判断；管道振动信号出现异常，并且压力信号正常判断为有入侵行为，定位根据振动信号传输延时判断，并进行报警，及时采取措施。而在实际应用中，管道的入侵振动经常受到外界扰动(如：下雨、下雪、刮风等环境因素)的影响，对于外界扰动的预警，采用多次实验样本对比，判断扰动强度与信号频率，对于扰动的警戒级别予以区分报警。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用以说明其技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围之类，均应包含在本发明的权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，包括第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、传输光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；
第一光源经第一光开关连接第一耦合器的第一端口，第一耦合器的第二端口经延迟光纤连接第二耦合器的第一端口，第一耦合器的第三端口经连接光纤连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第三端口连接到第一波分复用器的第一端口；第二光源经第二光开关连接第一波分复用器的第二端口，第一波分复用器的第三端口连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光环形器的第三端口与第二波分复用器的第三端口连接，第二波分复用器的第一端口与第一光电探测器的输入口连接，第二波分复用器的第二端口与第二光电探测器的输入口连接，第一光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第一端口连接，第二光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第二端口连接，多通道高速数据采集卡的第三端口连接到数字信号处理卡的第一端口，数字信号处理卡的第二端口分别连接到工业控制计算机的输入口和第一、二光开关的输入口；
所述光纤传感阵列包括分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列。
2.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述分布式光纤振动传感阵列获取管道的振动信息，所述光纤光栅应变传感阵列获取管道的压力信息，其中，分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列使用同一条光纤传输，利用波分复用与时分复用机制工作。
3.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述第一光源为窄带相干光源，其波长与光纤光栅应变传感阵列的反射谱不重叠；第二光源为波长可调谐窄带光源，其调谐范围覆盖光纤光栅应变传感阵列的全部反射光谱。
4.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述第一光开关和所述第二光开关是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。
5.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述延时光纤的长度是连接光纤的长度与分布式光纤振动传感阵列相邻弱反射单元间隔的2倍之和。
6.根据权利要求2所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，分布式光纤振动传感阵列为低反射率的全同波长布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。
7.根据权利要求1或2所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述分布式光纤振动传感阵列包括多个弱反射单元，其中每个弱反射单元间距相等，用于相邻单元间反射光发生干涉，通过解调相位变化监测管道振动信号。
8.根据权利要求1或2所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感阵列，通过检测波长来监测应力，并通过激光器的波长扫描结合时分复用解调光栅波长变化，计算出应变变化，从而得到管道压力信息。
9.一种根据权利要求1~8中任一项所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置实现信号监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）窄带相干光源输出的窄带相干光经过第一光开关后调制成第一脉冲光；波长可调谐窄带光源输出光经过第二光开关调制成第二脉冲光；
2）第一脉冲光出射到第一耦合器第一端口，通过第一光纤耦合器分成两束脉冲相干光，分别为从第一光纤耦合器的第二端口出射的第一脉冲相干光和从第一光纤耦合器的第三端口出射的第二脉冲相干光，第一脉冲相干光通过第一耦合器第二端口出射后经延时光纤传输到第二耦合器第一端口，第二脉冲相干光通过第一耦合器第三端口出射后经连接光纤传输到第二耦合器第二端口，两束脉冲相干光经第二耦合器耦合后又经第二光纤耦合器的第三端口出射到第一波分复用器第一端口；第二脉冲光出射到第一波分复用器第二端口；
3）第二光纤耦合器的第三端口输出的第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经第一波分复用器波分复用后，通过第一波分复用器的第三端口入射到光环形器的第一端口，然后经光环形器的第二端口出射到光纤传感阵列；
4）第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经光纤传感阵列上振动阵列的弱反射单元反射的脉冲反射返回到光环形器，第一脉冲相干光经过弱反射单元 反射回的脉冲与第二脉冲相干光经过弱反射单元反射回的脉冲具有相同的光程而叠加发生干涉，干涉后的脉冲信号通过光环形器的第三端口出射到第二波分复用器的第三端口，经第二波分复用器解复用后，通过第二波分复用器的第一端口出射到第一光电探测器的输入口，第一光电探测器的输出干涉脉冲信号的强度为；
5）第二脉冲光经光纤传感阵列上的应变光栅阵列反射返回到光环形器后，通过光环形器的第三端口出射到第二波分复用器的第三端口，经第二波分复用器解复用后，通过第二波分复用器的第二端口出射到第二光电探测器的输入口，第二光电探测器的输出当前波长的第二脉冲光反射信号强度为；
6）通过多通道高速数据采集卡获取第一光电探测器的输出信号强度，第二光电探测器的输出信号强度；
7）通过数字信号处理卡控制第一光开关对窄带相干光源发出的窄带相干光进行调制，形成第一脉冲光，通过脉冲往返时间定位出现异常反射量的位置，通过多通道高速数据卡采集到第一光电探测器输出干涉信号强度获取传感振动信号频率的大小；
8）通过数字信号处理卡控制第二光开关对波长可调谐窄带光源的发出光进行调制，形成第二脉冲光，通过一次调节第二脉冲光的波长来获取应变光栅整个反射光谱范围的反射强度信号，在通过光谱拟合获取当前反射光栅的中心波长，进而计算应变量压力信号应变的大小。
10.根据权利要求9所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置实现振动和应力信号监测的方法，其特征在于，所述步骤2）中，第一脉冲光的波长在光纤传感阵列上的弱反射单元的反射谱区中间。
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