CN110186547B - 管道安全状况检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道安全状况检测装置及方法，属于工程设备维护技术领域。本发明实施例提供的装置，基于该第一光缆和该第二光缆自身的性能、管道的安全状况以及周围环境的变化对光缆中传输的光信号的影响，采用信号分析设备对光缆中传输的光信号进行处理和分析，进而获取该管道周围的振动信息、应变信息和温变信息，以及该管道的应变信息。上述信息能够分别反映管道周围第三方入侵、地质灾害活动以及油气管道泄漏等安全风险，当识别出上述风险时，信号分析设备及时发出警报，提醒人员进行处理，减少了安全事故的发生，降低了危害。
Description
技术领域
本发明涉及工程设备维护技术领域，特别涉及一种管道安全状况检测装置及方法。
背景技术
在冻土区长输油气管道的运营过程中，第三方入侵、地质灾害活动、油气管道泄漏等是造成管道事故的最重要的几类风险，管道受热胀融沉影响较大。为了保证管道的安全状况，通常需要使用管道安全状况检测装置对管道周围的状况进行检测。
目前通常使用的管道安全状况检测装置是通过在管道周围敷设管道伴行光缆，该光缆能够用于识别管道周围由第三方入侵(如大型机械驶入)引起的振动情况，并将该振动情况通过光信号的形式发送给信号分析设备，以供分析。
上述光缆不能对管道周围的地质灾害活动和油气管道泄漏等风险进行检测，管道仍然存在很大的安全风险，当该安全风险不能得到及时的处理时，可能会引发安全事故。
发明内容
本发明实施例提供了一种管道安全状况检测装置及方法，能够解决目前常用的管道安全状况检测装置不能对管道周围的地质灾害活动和油气管道泄漏等风险进行检测，管道仍然存在很大的安全风险，可能会引发安全事故的问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种管道安全状况检测装置，所述管道安全状况检测装置包括：管道、第一光缆、第二光缆、第一信号处理器、第二信号处理器与信号分析设备；
所述第一光缆埋设于所述管道的周围，所述第一光缆用于传输第一光信号；
所述第二光缆设置于所述管道的外壁上，所述第二光缆用于传输第二光信号；
所述第一信号处理器用于获取所述第一光信号，并根据多个第一预设频段从所述第一光信号中识别出多个第三光信号，每个第三光信号对应一个第一预设频段，所述多个第一预设频段用于表示受到不同物理现象影响的光信号所在的频段；
所述第二信号处理器用于获取所述第二光信号，并根据第二预设频段从所述第二光信号中识别出第四光信号，所述第二预设频段用于表示受到布里渊散射现象影响的光信号所在的频段；
所述信号分析设备与所述第一信号处理器、所述第二信号处理器电性耦接，所述信号分析设备用于基于所述多个第三光信号，获取所述管道周围的振动信息、应变信息和温变信息，还用于基于所述第四光信号，获取所述管道的应变信息；
基于所述管道的应变信息，获取所述管道的应变变化率和轴向应力，当所述管道中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定所述任一预设位置处于危险状态。
在一种可能设计中，所述管道安全状况检测装置还包括：解调仪和设置在所述管道外壁上的多个温度传感器；
所述多个温度传感器沿所述管道的轴向均匀分布，用于产生第五光信号；
所述解调仪与所述信号分析设备电性耦接，用于通过第三光缆获取所述第五光信号，将所述第五光信号转换成电信号；
所述信号分析设备用于接收所述电信号，以获取所述管道的温变信息。
在一种可能设计中，所述管道安全状况检测装置还包括：光发射器；
所述光发射器用于向所述第一光缆和所述第二光缆发射入射光信号；
所述第一光信号和所述第二光信号为所述入射光信号沿入射方向的反方向散射后的光信号。
在一种可能设计中，所述管道安全状况检测装置还包括：多个分光器；
所述光发射器用于通过所述多个分光器发射所述入射光信号，所述入射光信号包括多束光信号。
在一种可能设计中，所述管道安全状况检测装置还包括：多个光放大器；
所述光发射器用于通过所述多个光放大器发射所述入射光信号，所述多个光放大器用于增大所述入射光信号的能量。
在一种可能设计中，所述管道安全状况检测装置还包括：多个耦合器，每个耦合器用于接收每个光放大器发射的光信号。
在一种可能设计中，所述管道安全状况检测装置还包括：多个光电探测器；
所述信号分析设备用于通过所述多个光电探测器接收所述多个第三光信号和所述第四光信号。
在一种可能设计中，所述多个第一信号处理器包括：瑞利信号处理器、布里渊信号处理器和拉曼信号处理器；
所述多个第一预设频段包括第三预设频段、所述第二预设频段和第四预设频段；
所述瑞利信号处理器用于：从所述第一光信号中，识别出频率在所述第三预设频段的第三光信号；
所述布里渊信号处理器用于：从所述第一光信号中，识别出频率在所述第二预设频段的第三光信号；
所述拉曼信号处理器用于：从所述第一光信号中，识别出频率在所述第四预设频段的第三光信号。
在一种可能设计中，所述信号分析设备用于：
对所述多个第三光信号和所述第四光信号进行放大处理和噪声处理；
获取所述多个第三光信号和所述第四光信号的光谱；
基于所述多个第三光信号的光谱，获取所述管道周围的振动信息、应变信息和温变信息；
基于所述第四光信号的光谱，获取所述管道的应变信息。
一方面，提供了一种管道安全状况检测方法，所述管道安全状况检测方法包括：
获取从管道周围的第一光缆中传输出的第一光信号；
获取从管道的外壁上的第二光缆中传输出的第二光信号；
根据多个第一预设频段从所述第一光信号中识别出多个第三光信号，每个第三光信号对应一个第一预设频段，所述多个第一预设频段用于表示受到不同物理现象影响的光信号所在的频段；
根据第二预设频段从所述第二光信号中识别出第四光信号，所述第二预设频段用于表示受到布里渊散射现象影响的光信号所在的频段；
基于所述多个第三光信号，获取所述管道周围的振动信息、应变信息和温变信息，基于所述第四光信号，获取所述管道的应变信息；
基于所述管道的应变信息，获取所述管道的应变变化率和轴向应力，当所述管道中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定所述任一预设位置处于危险状态。
本发明实施例提供的装置，基于该第一光缆和该第二光缆自身的性能、管道的安全状况以及周围环境的变化对光缆中传输的光信号的影响，采用信号分析设备对光缆中传输的光信号进行处理和分析，进而获取该管道周围的振动信息、应变信息和温变信息，以及该管道的应变信息。上述信息能够分别反映管道周围第三方入侵、地质灾害活动以及油气管道泄漏等安全风险，当识别出上述风险时，信号分析设备及时发出警报，提醒人员进行处理，减少了安全事故的发生，降低了危害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种管道安全状况检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种管道安全状况检测方法的流程图。
其中，附图中的各个标号说明如下：
1-管道；
2-第一光缆；
3-第二光缆；
4-第一信号处理器；
41-瑞利信号处理器，42-布里渊信号处理器，43-拉曼信号处理器；
5-第二信号处理器；
6-信号分析设备；
7-解调仪；
8-多个温度传感器；
9-第三光缆；
10-光发射器；
11-多个分光器；
111-第一分光器，112-第二分光器；
多个光放大器12；
121-第一光放大器，122-第二光放大器，123-第三光放大器，124-第四光放大器；
13-多个耦合器；
131-第一耦合器，132-第二耦合器，133-第三耦合器，134-第四耦合器；
14-多个光电探测器；
141-第一光电探测器，142-第二光电探测器，143-第三光电探测器；
15-多个延迟脉冲发射器；
151-第一延迟脉冲发射器，152-第二延迟脉冲发射器；
16-多个光滤波器；
161-第一光滤波器，162-第二光滤波器；
17-驱动器；
18-波分复用器；
19-光电转换器。
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。
图1是本发明实施例提供的一种管道安全状况检测装置的结构示意图。参见图1，该管道安全状况检测装置包括：管道1、第一光缆2、第二光缆3、第一信号处理器4、第二信号处理器5与信号分析设备6；该第一光缆2埋设于该管道1的周围，该第一光缆2用于传输第一光信号；该第二光缆3设置于该管道1的外壁上，该第二光缆3用于传输第二光信号；该第一信号处理器4用于获取该第一光信号，并根据多个第一预设频段从该第一光信号中识别出多个第三光信号，每个第三光信号对应一个第一预设频段，该多个第一预设频段用于表示受到不同物理现象影响的光信号所在的频段；该第二信号处理器5用于获取该第二光信号，并根据第二预设频段从该第二光信号中识别出第四光信号，该第二预设频段用于表示受到布里渊散射现象影响的光信号所在的频段；该信号分析设备6与该第一信号处理器4、该第二信号处理器5电性耦接，该信号分析设备6用于基于该多个第三光信号，获取该管道1周围的振动信息、应变信息和温变信息，还用于基于该第四光信号，获取该管道1的应变信息；基于该管道1的应变信息，获取该管道1的应变变化率和轴向应力，当该管道1中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定该任一预设位置处于危险状态。
下面对本发明实施例所提供的管道安全状况检测装置的工作原理给予描述：
在管道1周围敷设第一光缆2，用于检测管道1周围的振动、应变和温变情况，在管道1的外壁上设置第二光缆3，用于检测管道1的外壁上的应变情况；基于管道1周围和管道1的外壁的应变情况，共同判断管道1的安全状况。
具体地，该第一光缆2和该第二光缆3用于传输光信号，该光信号受到瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的影响，会向周围各个方向散射一部分光信号，在散射的光信号中，有一些沿着该第一光缆2和该第二光缆3传输到具有该多个信号处理器5的一端，即为上述的第一光信号和第二光信号。
信号分析设备6在获取到该管道1周围的振动信息、应变信息和温变信息，以及该管道1的应变信息后，对该信息进行分析，当该管道1的应变超过管道1应变预设阈值，而管道1周围的应变未超过管道1周围应变预设阈值时，该处管道1具有一定的安全风险；当该管道1的应变未超过管道1应变预设阈值，而管道1周围的应变超过管道1周围应变预设阈值时，该处管道1安全风险较大；当管道1的应变超过管道1应变预设阈值，且管道1周围的应变超过预设阈值时，该处管道1的安全风险最大。进一步地，当该管道1中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定该任一预设位置处于危险状态。根据上述安全风险的等级，信号分析设备6可以发出不同的警报，从而提醒操作人员及时到管道1现场进行查看和处理。
其中，基于该管道1的应变信息，获取该管道1的应变变化率和轴向应力的过程包括：
基于下述公式(1)—(2)，获取该管道1的应变变化率：
式中，ΔVS(x)为管道1的轴向x位置的布里渊频移值，赫兹，Hz；CVS为布里渊频移系数，赫兹，Hz，可以通过已知应变和频移的实验数据获取；ε(x)为管道轴向x位置的土体应变值，无因次。
ε′(x)为管道1的轴向x位置在t时刻的应变变化率，无因次；εt(x)为管道1的轴向x位置在t时刻的应变值，无因次；εt+1(x)为管道1的轴向x位置在t+1时刻的土体应变值，无因次；εt-1(x)为管道1的轴向x位置在t-1时刻的土体应变值，无因次。
基于下述公式(3)—(8)，获取该管道1的轴向应力：
式中，ω为管道1的管段的挠度，米，m；θ为管道1的管段相对于径向y轴的转角，度；λ为管道1的管段的轴向应变值，无因次；
为挠度对位置求导；sin表示正弦。
公式(3)中的λ可以通过下述公式(4)获取：
ΔVp＝CVPλ+CTPΔT (4)
式中，ΔVp管道1的布里渊频移值，赫兹，Hz；CVP为布里渊频移系数，通过室内试验获取；λ为管道1的管段的轴向应变值，无因次；CTP为布里渊温度补偿系数，通过室内试验获取；ΔT为所测温度与标定温度的差值，摄氏度。
公式(4)中的ΔT可以通过下述公式(5)获取：
ΔVR＝CVRΔT (5)
式中，ΔVR为拉曼频移量，赫兹，Hz；CVR为拉曼频移系数，通过室内试验获取；ΔT为所测温度与标定温度的差值，摄氏度。
公式(3)中的θ可以通过下述公式(6)获取：
式中，h表示将管道1平均分成N个管段后每一段的长度，N取决于设备的空间分辨率的设置；D为管道的外径，米，m；θi为第i个管段截面相对于x轴的转角，1≤i≤N，可以利用所划分管段的前后应变λjx、λjs计算获取；arctg表示反正切；Σ表示求和。
通过将(4)、(5)、(6)带入(3)，可以得到基于管段挠度的数值，采用数值计算能够获取成如下数学形式挠度表达式(7)：
式中，ω(x)表示管道1的x位置的挠度，毫米，mm；根据光缆的空间分辨率形成N+3个方程的方程组，求解方程组可得到挠度表达式(7)中各挠度系数bj(j＝-3，……，N-1)的数值，将其带入(7)中可得到长输管段各个点的挠度。
通过将公式(7)带入下式(8)中即可得到整条管线的应力大小：
式中，σ(x)为管道1的x位置的应力，牛，N；M为管道1中该管段所受的力矩，牛米，N·m，可以根据现场的载荷实际情况确定；E为弹性模量，兆帕，MPa，对于钢材为材料特性的固定值；Iz是截惯性矩，米，m，根据管径和壁厚确定。
通过式(8)即可获得管道沿线各个点的详细应力值。
本发明实施例提供的装置，基于该第一光缆2和该第二光缆3自身的性能、管道1的安全状况以及周围环境的变化对光缆中传输的光信号的影响，采用信号分析设备6对光缆中传输的光信号进行处理和分析，进而获取该管道1周围的振动信息、应变信息和温变信息，以及该管道1的应变信息。上述信息能够分别反映管道1周围第三方入侵、地质灾害活动以及油气管道1泄漏等安全风险，当识别出上述风险时，信号分析设备6及时发出警报，提醒人员进行处理，减少了安全事故的发生，降低了危害。
在本发明实施例中，该装置中的管道1可以是油气运输管道1；该第一光缆2可以是与管道1伴行的通信光缆，也可以是管道1的安全状况检测专用的光缆，本实施例对该第一光缆2是否具有其他用途不作限定。该第一光缆2可以是应变特种光缆和复合特种光缆中的至少一种，其中，复合特种光缆是由多芯单模和双模光纤组成。用于通过该第一光缆2中传输的第一光信号，可以获取管道1周围的振动信息、应变信息和温变信息。
在该多个第三光信号中，因瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的影响而在该光缆中传输的光信号的产生和变化机理描述如下：
因瑞利散射的影响而传输的光信号：由于入射光信号与介质中的微观粒子发生弹性碰撞，会向周围各个方向散射一部分光信号，这种现象就是瑞利散射，在散射的光信号中，有一些沿着该光缆传输到具有检偏器和多个信号处理器5的一端，当管道1由于第三方入侵(如卡车移动)等原因产生振动时，因瑞利散射的影响而传输的光信号发生变化，该变化包括信号强度的变化，该变化可以反映该管道1周围的振动情况。
因布里渊散射的影响而传输的光信号：由于入射光信号中的泵浦光子、斯托克斯光子与声子之间的相互作用，会向周围各个方向散射一部分光信号，这种现象就是布里渊散射，在散射的光信号中，有一些沿着该光缆传输到具有检偏器和多个信号处理器5的一端，当管道1由于地质灾害(如土体位移)等原因发生应变时，因布里渊散射的影响而传输的光信号发生变化，该变化包括信号强度和信号频率的变化，该变化可以反映该管道1的应变情况以及管道1周围的应变情况。该第四光信号与因该布里渊散射的影响而传输的光信号的产生和变化机理相同，本实施例在此不再赘述。
因拉曼散射的影响而传输的光信号：由于入射光信号与分子运动相互作用，而引起的频率发生幻化，会向周围各个方向散射一部分光信号，这种现象就是拉曼散射，在散射的光信号中，有一些沿着该光缆传输到具有检偏器和多个信号处理器5的一端，当管道1由于油气泄漏等原因发生温变时，因拉曼散射的影响而传输的光信号发生变化，该变化包括信号强度和信号频率的变化，该变化可以反映管道1周围的温变情况。
在一种可能设计中，该管道安全状况检测装置还包括：解调仪7和设置在该管道1外壁上的多个温度传感器8；该多个温度传感器8沿该管道1的轴向均匀分布，用于产生第五光信号；该解调仪7与该信号分析设备6电性耦接，用于通过第三光缆9获取该第五光信号，将该第五光信号转换成电信号；该信号分析设备6用于接收该电信号，以获取该管道1的温变信息。
该多个温度传感器8用于：基于该第五光信号的变化情况，消除温度对第二光缆3传输的光信号的变化的影响，从而获取更为准确的管道1的应变信息。其中，该温度传感器8的工作原理可以是：由于管道1表面辐射的强度随温度变化而变化，该温度传感器利用光纤将辐射的能量传输到热敏元件上，该光信号经过传输和转换之后再变成可供记录和显示的电信号；该温度传感器还可以是利用光在光导纤维中传输的相位随温度参数的改变而改变的特点制成，本发明实施例对该温度传感器的具体形式不作限定。
该第五光信号可以反映管道1的温度变化情况，对该第五光信号进行分析的目的是获取更为准确的管道1的应变信息。
其中，该第三光缆9可以是与管道1伴行的通信光缆，也可以是管道1的温度检测专用的光缆，本实施例对该第三光缆9是否具有其他用途不作限定。用于通过该第三光缆9中传输的第五光信号，可以获取管道1的温度信息。该温度传感器传输的光信号经过解调仪7转变成电信号后，传输给信号分析设备6。
在一种可能设计中，该管道安全状况检测装置还包括：光发射器10；该光发射器10用于向该第一光缆2和该第二光缆3发射入射光信号；该第一光信号和该第二光信号为该入射光信号沿入射方向的反方向散射后的光信号。
该光发射器10用于发射入射光信号，该入射光信号可以是已知频率和发射时间的连续的脉冲波，以便基于该入射光信号的频率，以及各第三光信号对应的预设频段，从该第一光信号识别各第三光信号；基于该入射光信号的频率，以及第四光信号对应的预设频段，从该第二光信号识别第四光信号。
当确定该管道1具有安全风险后，根据该风险对应的第三光信号或第四光信号的接收时间和其对应的脉冲波的发射时间之间的时间间隔，以及光在第一光缆2和该第二光缆3中的传输速度，可以确认该管道1的安全状况发生的位置，以便对管道1进行维护。
具体地，该光发射器10可以是一个或多个激光光源。激光光源是指利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源，可以使用电源为该激光光源提供能量。
在一种可能设计中，该管道安全状况检测装置还包括：多个分光器11；该光发射器10用于通过该多个分光器11发射该入射光信号，该入射光信号包括多束光信号。
其中，该多个分光器11用于将接收到的光信号分为多束光信号并发射出去，基于该多个分光器11的设置，同一个光发射器10发射出的光就可以分为多束光信号，该多束光信号可以被发射到同一束光纤中，也可以被发射到不同的光纤中。
具体地，该多个分光器11具有上行接口和下行接口，从上行光接口过来的光信号被分配到所有的下行光接口传输出去，各个下行光接口出来的光信号强度可以相同，也可以不同。分光比一般从1：2到1：128之间。
多个分光器11发出的多束光可以沿多条光路发射到第一光缆2和该第二光缆3中，在本发明实施例中，可以设置振动信号光路、第一应变信号光路、温变信号光路和第二应变信号光路。
在一种可能设计中，该装置包括第一分光器111和第二分光器112，该第一分光器111设置于光发射器10之后，将光发射器10发出的光信号进行分光后发射出去；第二分光器112设置于第一应变信号光路的入射光路中，以便将接收到的光信号分为多束，其中一部分用于向第一光缆2中发射，另一部分用于与第三光信号进行对比，以提取因布里渊散射的影响而传输的光信号。
在一种可能设计中，该管道安全状况检测装置还包括：多个光放大器12；该光发射器10用于通过该多个光放大器12发射该入射光信号，该多个光放大器12用于增大该入射光信号的能量。
该多个光放大器12用于对由第一分光器111发出的光进行放大，也即是提高光信号的强度，光放大器的原理是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。
在本发明实施例中，设置有四个光放大器，该多个分光器11分别向第一光放大器121、第二光放大器122、第三光放大器123和第四光放大器124发射光信号。该第一光放大器121设置于振动信号光路中；第二光放大器122设置于第一应变信号光路中；第三光放大器123设置于温变信号光路中；第四光放大器124设置于第二应变信号光路中。
在一种可能设计中，该管道安全状况检测装置还包括：多个耦合器13，每个耦合器13用于接收每个光放大器12发射的光信号。
该多个耦合器13不使通过的光信号发生改变，而用于实现光信号的分路或合路，或用于延长光纤链路，以便于后续光路的检修或更改。
其中，该第一耦合器131位于该第一光放大器121之后；该第二耦合器132位于该第二光放大器122之后；该第三耦合器133位于该第三光放大器123之后；该第四耦合器134位于该第四光放大器124之后。
在一种可能设计中，该管道安全状况检测装置还包括：多个光电探测器14；该信号分析设备6用于通过该多个光电探测器14接收该多个第三光信号和该第四光信号。
多个光电探测器14用于将多个信号处理器5发出的光信号转化为电信号的形式，发送给信号分析设备6。另外，信号处理器5发出的光信号也可以直接发送给信号分析设备6，由信号分析设备6进行处理。
在一种可能设计中，该多个第一信号处理器4包括：瑞利信号处理器41、布里渊信号处理器42和拉曼信号处理器43；该多个第一预设频段包括第三预设频段、该第二预设频段和第四预设频段；该瑞利信号处理器41用于：从该第一光信号中，识别出频率在该第三预设频段的第三光信号；该布里渊信号处理器42用于：从该第一光信号中，识别出频率在该第二预设频段的第三光信号；该拉曼信号处理器43用于：从该第一光信号中，识别出频率在该第四预设频段的第三光信号。
该多个信号处理器5的接收端均连接光缆中的光纤。其中，该第一预设频段与入射光信号的频段相同，频率在第一预设频段的第一光信号即为因瑞利散射的影响而传输的光信号。
第二预设频段是因布里渊散射的影响而传输的光信号可能的频率所在的频段，由于布里渊散射的中心频率为11GHz，所以第二预设频段为以该中心频率为中心的一定带宽的频段，例如，该第二预设频段可以是10GHz-12GHz，该第二预设频段的具体范围可以根据实际情况进行设定，本实施例对此不作限定。
第三预设频段是因拉曼散射的影响而传输的光信号可能的频率所在的频段，由于拉曼散射的中心频率为13THz，所以第三预设频段为以该中心频率为中心的一定带宽的频段，例如，该第三预设频段可以是12.9THz-13.1THz，该第三预设频段的具体范围可以根据实际情况进行设定，本实施例对此不作限定。
在本发明实施例中，该多个信号处理器5可以是基于光纤光栅，通过滤波的方式来识别相应频率的信号。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
基于上述多个光电探测器14和多个信号处理器5，在本发明实施例中，可以设置有三个光电探测器，在振动信号光路中，该第一光电探测器141设置于瑞利信号处理器41之后；在第一应变信号光路中，该第二光电探测器142设置于布里渊信号处理器42之后；在第二应变信号光路中，该第三光电探测器143设置于第二信号处理器5之后。
在一种可能设计中，该信号分析设备6用于：对该多个第三光信号和该第四光信号进行放大处理和噪声处理；获取该多个第三光信号和该第四光信号的光谱；基于该多个第三光信号的光谱，获取该管道1周围的振动信息、应变信息和温变信息；基于该第四光信号的光谱，获取该管道1的应变信息。
其中，该管道1周围的振动信息是该因瑞利散射的影响而传输的第三光信号是否在相应信号的预设强度范围的信息；该第一应变信息和该第二应变信息是该因布里渊散射的影响而传输的第三光信号和第四光信号是否为相应信号的中心频率的信息；该温变信息是该因拉曼散射的影响而传输的第三光信号是否为相应信号的中心频率的信息。
具体地，基于该多个第三光信号的光谱，获取该多个第三光信号中每一种信号的强度，以该因瑞利散射的影响而传输的第三光信号为例，基于该因瑞利散射的影响而传输的第三光信号的中心强度，设定预设的强度范围，当从该因瑞利散射的影响而传输的第三光信号的光谱中获取到的信号强度超出该预设强度范围时，表示管道1外发生振动情况。
再以因布里渊散射的影响而传输的第三光信号为例，当该信号的频率与布里渊散射的中心频率不相等时(较大或较小)，表示发生应变情况；因拉曼散射的影响而传输的第三光信号以及第四光信号与此相似，在此不再赘述。
该信号分析设备6分别与第一光电探测器141、第二光电探测器142、第三光电探测器143、拉曼信号处理器43连接。
在一种可能设计中，该装置还包括：两个延迟脉冲发射器15和两个光滤波器16，用于第一应变信号光路和第二应变信号光路中。以该第一应变信号为例，该第一延迟脉冲发射器151置于该第二光放大器122之后，该第一光滤波器161置于该第二耦合器132之后。也即是：该第一应变信号光路中，第二分光器112发出的多束信号光经第二光放大器122放大后，其中一部分光信号经滤波后被发送至第一光缆2中，另一部分光信号被第一延迟脉冲发射器151处理后发送至布里渊信号处理器42，布里渊信号处理器42基于第一延迟脉冲发射器151发射的信号和接收到的第一光信号，对第一光信号进行处理。具体地，可以采用布里渊光时域反射技术对进行处理，本实施例中的延迟脉冲发射器15也可以替换为其他装置，只要其发出的光信号的发射时间已知即可。
在一种可能设计中，该装置还包括：驱动器17、波分复用器18和光电转换器19，置于温变信号光路中，用于增强该温变信号光路中的入射光信号。其中，该波分复用器18用于将各个不同波长的光信号分开，该波分复用器18和该驱动器17均位于该光电转换器19之前，该驱动器17用于为该光电转换器19提供能量，从而用于通过该光电转换器19，增强该波分复用器18发射的光信号。
在本发明实施例中，利用该装置检测管道1的安全状况的一种可能的实现过程可以表述如下：
光发射器10发射入射光信号；
该入射光信号被第一分光器111分为多束；
该多束光信号分别被发射到第一光放大器121、第三光放大器123和第四光放大器124；
第一光放大器121将接收到的多束光信号分别进行放大后分别发射到第一耦合器131和第二分光器112；
振动信号光路的第一个设备是第一耦合器131，入射光信号经第一耦合器131发射到第一光缆2中；
在振动信号光路中，第一光缆2传输回的第一光信号需要经过瑞利信号处理器41，瑞利信号处理器41将该第一光信号中的因瑞利散射的影响而传输的光信号识别出来，并通过第一光电探测器141发射到信号分析设备6中；
第一应变信号光路的第一个设备是第二分光器112，该第二分光器112将接收到的光分为多束后发送给第二光放大器122，第二光放大器122放大后的光的一部分经第二耦合器132进入第一光滤波器161，第一光滤波器161对该光信号进行滤波后将其发送至第一光缆2中；
在第一应变信号光路中，第二光放大器122放大后的光的另一部分通过第一延迟脉冲发射器151被发送到布里渊信号处理器42，布里渊信号处理器42基于该信号，从第一光缆2传输回的第一光信号中识别出因布里渊散射的影响而传输的光信号，并将该信号通过第二光电探测器142发射到信号分析设备6中；
温变信号光路的第一个设备是第三光放大器123，第三光放大器123发射出的多束光的一部分经第三耦合器133进入波分复用器18，而后进入光电转换器19，另一部分经驱动器17进入光电转换器19，从而提高该光信号的强度，光电转换器19将该信号发射到第一光缆2中；
在温变信号光路中，从光缆传输回的第一光信号被拉曼信号处理器43发送到信号分析设备6；
第二应变信号光路的第一个设备是第四光放大器124，第四光放大器124放大后的光的一部分经第四耦合器134进入第二光滤波器162，第二光滤波器162对该光信号进行滤波后将其发送至第二光缆3中；
在第二应变信号光路中，第四光放大器124放大后的光的另一部分通过第二延迟脉冲发射器152被发送到第二信号处理器5，第二信号处理器5基于该信号，从第二光缆3传输回的第二光信号中识别出因布里渊散射的影响而传输的光信号，并将该信号通过第三光电探测器143发射到信号分析设备6中；
解调仪7通过第三光缆9，接收温度传感器8产生的第五光信号，并将该第五光信号发送时信号分析设备6；
该信号分析设备6对接收到的各信号进行处理和分析，获取管道1的安全信息。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。
本发明实施例提供的装置，基于该第一光缆和该第二光缆自身的性能、管道的安全状况以及周围环境的变化对光缆中传输的光信号的影响，采用信号分析设备对光缆中传输的光信号进行处理和分析，进而获取该管道周围的振动信息、应变信息和温变信息，以及该管道的应变信息。上述信息能够分别反映管道周围第三方入侵、地质灾害活动以及油气管道泄漏等安全风险，当识别出上述风险时，信号分析设备及时发出警报，提醒人员进行处理，减少了安全事故的发生，降低了危害。进一步地，该装置还可以包括光发射器，该光发射器用于发射连续的脉冲波，根据第三光信号的接收时间和其对应的脉冲波的发射时间之间的时间间隔，以及光在该光缆中的传输速度，确认该管道的安全状况发生的位置，以便对管道进行维护。
图2是本发明实施例提供的一种管道的安全状况检测方法的流程图。参见图2，该实施例包括：
201、获取从管道1周围的第一光缆2中传输出的第一光信号。
202、获取从管道1的外壁上的第二光缆3中传输出的第二光信号。
203、根据多个第一预设频段从该第一光信号中识别出多个第三光信号，每个第三光信号对应一个第一预设频段，该多个第一预设频段用于表示受到不同物理现象影响的光信号所在的频段。
204、根据第二预设频段从该第二光信号中识别出第四光信号，该第二预设频段用于表示受到布里渊散射现象影响的光信号所在的频段。
205、基于该多个第三光信号，获取该管道1周围的振动信息、应变信息和温变信息，基于该第四光信号，获取该管道1的应变信息；
206、基于该管道1的应变信息，获取该管道1的应变变化率和轴向应力，当该管道1中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定该任一预设位置处于危险状态。
应用该方法检测管道1的安全状况的相关细节及相应装置请参见装置实施例，在此不再赘述。
上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 (10)
1.一种管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置包括：管道(1)、第一光缆(2)、第二光缆(3)、第一信号处理器(4)、第二信号处理器(5)与信号分析设备(6)；
所述第一光缆(2)埋设于所述管道(1)的周围，所述第一光缆(2)用于传输第一光信号；
所述第二光缆(3)设置于所述管道(1)的外壁上，所述第二光缆(3)用于传输第二光信号；
所述第一信号处理器(4)用于获取所述第一光信号，并根据多个第一预设频段从所述第一光信号中识别出多个第三光信号，每个第三光信号对应一个第一预设频段，所述多个第一预设频段用于表示受到不同物理现象影响的光信号所在的频段；
所述第二信号处理器(5)用于获取所述第二光信号，并根据第二预设频段从所述第二光信号中识别出第四光信号，所述第二预设频段用于表示受到布里渊散射现象影响的光信号所在的频段；
所述信号分析设备(6)与所述第一信号处理器(4)、所述第二信号处理器(5)电性耦接，所述信号分析设备(6)用于基于所述多个第三光信号，获取所述管道(1)周围的振动信息、应变信息和温变信息，还用于基于所述第四光信号，获取所述管道(1)的应变信息；
所述信号分析设备(6)还用于基于所述管道(1)的应变信息，获取所述管道(1)的应变变化率和轴向应力，当所述管道(1)中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定所述任一预设位置处于危险状态。
2.根据权利要求1所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置还包括：解调仪(7)和设置在所述管道(1)外壁上的多个温度传感器(8)；
所述多个温度传感器(8)沿所述管道(1)的轴向均匀分布，用于产生第五光信号；
所述解调仪(7)与所述信号分析设备(6)电性耦接，用于通过第三光缆(9)获取所述第五光信号，将所述第五光信号转换成电信号；
所述信号分析设备(6)用于接收所述电信号，以获取所述管道(1)的温变信息。
3.根据权利要求1所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置还包括：光发射器(10)；
所述光发射器(10)用于向所述第一光缆(2)和所述第二光缆(3)发射入射光信号；
所述第一光信号和所述第二光信号为所述入射光信号沿入射方向的反方向散射后的光信号。
4.根据权利要求3所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置还包括：多个分光器(11)；
所述光发射器(10)用于通过所述多个分光器(11)发射所述入射光信号，所述入射光信号包括多束光信号。
5.根据权利要求3所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置还包括：多个光放大器(12)；
所述光发射器(10)用于通过所述多个光放大器(12)发射所述入射光信号，所述多个光放大器(12)用于增大所述入射光信号的能量。
6.根据权利要求5所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置还包括：多个耦合器(13)，每个耦合器(13)用于接收每个光放大器(12)发射的光信号。
7.根据权利要求1所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述管道安全状况检测装置还包括：多个光电探测器(14)；
所述信号分析设备(6)用于通过所述多个光电探测器(14)接收所述多个第三光信号和所述第四光信号。
8.根据权利要求1所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述第一信号处理器(4)包括：瑞利信号处理器(41)、布里渊信号处理器(42)和拉曼信号处理器(43)；
所述多个第一预设频段包括第三预设频段、所述第二预设频段和第四预设频段；
所述瑞利信号处理器(41)用于：从所述第一光信号中，识别出频率在所述第三预设频段的第三光信号；
所述布里渊信号处理器(42)用于：从所述第一光信号中，识别出频率在所述第二预设频段的第三光信号；
所述拉曼信号处理器(43)用于：从所述第一光信号中，识别出频率在所述第四预设频段的第三光信号。
9.根据权利要求1所述的管道安全状况检测装置，其特征在于，所述信号分析设备(6)用于：
对所述多个第三光信号和所述第四光信号进行放大处理和噪声处理；
获取所述多个第三光信号和所述第四光信号的光谱；
基于所述多个第三光信号的光谱，获取所述管道(1)周围的振动信息、应变信息和温变信息；
基于所述第四光信号的光谱，获取所述管道(1)的应变信息。
10.一种管道安全状况检测方法，其特征在于，所述管道安全状况检测方法包括：
获取从管道(1)周围的第一光缆(2)中传输出的第一光信号；
获取从管道(1)的外壁上的第二光缆(3)中传输出的第二光信号；
根据多个第一预设频段从所述第一光信号中识别出多个第三光信号，每个第三光信号对应一个第一预设频段，所述多个第一预设频段用于表示受到不同物理现象影响的光信号所在的频段；
根据第二预设频段从所述第二光信号中识别出第四光信号，所述第二预设频段用于表示受到布里渊散射现象影响的光信号所在的频段；
基于所述多个第三光信号，获取所述管道(1)周围的振动信息、应变信息和温变信息，基于所述第四光信号，获取所述管道(1)的应变信息；
基于所述管道(1)的应变信息，获取所述管道(1)的应变变化率和轴向应力，当所述管道(1)中任一预设位置的应变变化率大于预设变化率或轴向应力大于预设应力时，确定所述任一预设位置处于危险状态。
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