CN110285333A - 基于光纤的油气管道泄漏监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤的油气管道泄漏监测系统，包括：基于时间门控光频域反射仪的DAS系统、信号处理器以及待测光纤，其中：待测光纤设置于DAS系统的输入端，信号处理器设置于DAS系统的输出端。本发明将高性能分布式光纤声波传感技术和小波降噪算法应用于输气管道泄漏的检测，空间分辨率由探测光信号的扫频范围决定而与光脉冲持续时间无关，从而解决了传统技术中空间分辨率与探测距离之间的矛盾，能够实现米级高空间分辨率、高灵敏度与长传感距离，同时去除环境噪声的影响，显著提升了对微弱泄漏信号的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器应用领域的技术，具体涉及一种基于分布式光纤传感技术的油气管道泄漏监测系统，实现油气管道泄漏的实时监测和定位。
背景技术
现如今管道泄漏的实时和精准检测均通过光纤分布式声波传感器(DAS)实现，其中较为常用的基于相位敏感型光时域反射仪管道监测技术存在以下几个缺点：的空间分辨率与传感距离之间存在矛盾关系：探测光脉冲的持续时间越短则其空间分辨率越高，但这将导致脉冲能量的下降，瑞利散射光的信噪比降低，传感距离和测量灵敏度都会恶化；2)由瑞利散射光之间的干涉作用引起的相干衰落噪声会影响传感器的检测能力，在基于的DAS系统中，各种解决方法在去除相干衰落噪声的同时都会伴随着其他性能(如，频率响应、空间分辨率)的降低。
发明内容
本发明针对现有基于的DAS方案无法满足在高空间分辨率和高灵敏度的条件下的长距离监测的不足，提出一种基于光纤的油气管道泄漏监测系统，将高性能分布式光纤声波传感技术和小波降噪算法应用于输气管道泄漏的检测，空间分辨率由探测光信号的扫频范围决定而与光脉冲持续时间无关，从而解决了传统技术中空间分辨率与探测距离之间的矛盾，能够实现米级高空间分辨率、高灵敏度与长传感距离，同时去除环境噪声的影响，显著提升了对微弱泄漏信号的检测灵敏度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于光纤的油气管道泄漏监测系统，包括：基于时间门控光频域反射仪(TGD-OFDR)的DAS系统、信号处理器以及待测光纤，其中：待测光纤设置于DAS系统的输入端，信号处理器设置于DAS系统的输出端。
所述的待测光纤与管道隔着泥土并行排列以获得管道的状态信息。
所述的DAS系统包括：窄线宽激光器以及并联于其输出端的探测光路和本地光路，其中：本地光路的两端分别与窄线宽激光器和信号处理器相连，探测光路由声光调制器、用于增强光功率的掺铒光纤放大器和环形器的第一端口依次连接组成，环形器的第二端口和第三端口分别与待测光纤和信号处理器相连。
所述的声光调制器上进一步设有信号发射器，探测光被声光调制器调制形成线性扫频光脉冲并注入到待测光纤中。
所述的信号处理器包括：依次相连的平衡光电探测器、数据采集卡和信号处理器，其中：平衡光电探测器的输入端与探测光路和本地光路的输出端相连。
本发明涉及一种基于上述系统的油气管道泄漏监测方法，通过将窄线宽激光调制形成线性扫频光脉冲，通过掺铒光纤放大器进一步增强光功率后注入到待测光纤中，传输产生的后向瑞利散射信号与本地的窄线宽激光发生拍频，通过将拍频后的光信号转化为电信号并解调后实现对管道泄漏的定位。
所述的解调是指：利用旋转矢量平均算法处理以消除相干衰落噪声的影响，然后进行相位空间差分运算消除激光光源相位噪声的影响，得到差分相位信息，差分相位发生显著变化的位置即为油气管道泄露或者外界入侵破坏的位置，实现对管道泄漏的定位。
为了实时获得光纤沿线各位置处的瑞利散射信号，优选采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)对数据采集卡输出的数据流进行实时匹配滤波、旋转矢量平均算法和相位差分运算，以实时监测光纤各位置处的差分相位信息。
为进一步提高检测精确度，对上述解调得到的待测光纤各位置的差分相位信息使用高通滤波器滤除低频漂移，该高通滤波器的截止频率优选为100Hz。
为降低环境噪声带来的影响，对经过高通滤波的差分相位信息进行小波降噪处理，对于含噪声的信号进行小波分解，得到的高频系数中既有有用信号也有噪声，由于噪声的系数比较小而有用信号的小波系数较大，通过选择合适的阈值，对每分解层的高频分量进行阈值处理，去除噪声比例高的小波系数，保留由信号控制的小波系数，最后再由这些小波系数重构得到去噪后的信号。
附图说明
图1为实施例提供的基于高性能分布式光纤声波传感器的油气管道泄漏监测系统的示意图；
图2为模拟实验的施工现场示意图；
图3为加压0.2MPa时2560条相位轨迹示意图；
图4为加压0.05MPa时2560条相位轨迹示意图；
图中：1为窄线宽激光器、2为光纤耦合器、3为声光调制器、4为信号发生器、5为掺铒光纤放大器、6为环形器、7为光纤耦合器、8为平衡光电探测器、9为数据采集卡、10为信号处理器、11为待测光纤。
具体实施方式
本实施例如图1和图2所示，管道泄漏模拟实验为：在一个长度为12m、直径为32mm的金属管道上钻出一个直径为4.2mm的小孔作为泄漏孔，管道的一端密封，另一端通过传输管连接到气压罐上。在管道的周围填充泥土直至将管道掩盖，以此模拟埋地管道。填充一定厚度的泥土后，将50m的铠装待测光纤铺设在泥土上，如图2所示，再在光缆上继续填充泥土将光缆全部覆盖。铠装光缆经过约950m的传输光缆后连接到DAS解调仪。每次实验先改变气压罐上的压强参数，向管道输送不同压强的气体，来模拟管道泄漏的强弱。
如图1所示，所述的信号发生器4产生脉冲持续时间为2μs、脉冲间隔为250μs的扫频脉冲序列来驱动声光调制器3，其扫频范围为100-200MHz。
所述的窄线宽激光器1发出的光波被光纤耦合器分别进入探测光路和本地光路，其中探测光路中通过声光调制器3调制形成线性扫频光脉冲，通过掺铒光纤放大器5进一步增强光功率后注入到待测光纤11中，该线性扫频光脉冲在待测光纤中传输产生的后向瑞利散射信号与本地光路中的光波发生拍频，通过平衡光电探测器8转换成光电流信号，通过数字采集卡9经模数转换后得到数据流，然后通过信号处理器中的匹配滤波器进行脉冲压缩以获得光纤上各位置处的瑞利散射信号，利用旋转矢量平均算法处理以消除相干衰落噪声的影响，然后进行相位空间差分运算消除激光光源相位噪声的影响，得到相位差分信息，差分相位发生显著变化的位置即为油气管道泄露或者外界入侵破坏的位置，实现对管道泄漏的定位。
为进一步提高检测精确度，解调得到的待测光纤各位置的差分相位信息使用高通滤波器滤除低频漂移，该高通滤波器的截止频率优选为100Hz。
为降低环境噪声带来的影响，对经过高通滤波的差分相位信息进行小波降噪处理，对于含噪声的信号进行小波分解，采用Haar小波进行6层分解，选择软阈值处理方式对每分解层的高频分量进行阈值处理，再由这些小波系数重构得到去噪后的信号。
本实施例中每次实验采集连续的2560组数据，本实施例先将气压罐上的参数调到0.2MPa，通过上述方法解调和降噪处理后得到如图3所示的2560条相位轨迹图，如图可见在空间位置975m处有泄漏。
当进一步地降低气压到0.05MPa，并经上述方法解调和降噪处理后得到如图4所示的2560条相位轨迹图，如图可见在975m处检测到有泄漏发生。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种基于光纤的油气管道泄漏监测系统，其特征在于，包括：基于时间门控光频域反射仪的光纤分布式声波传感器系统、信号处理器以及待测光纤，其中：待测光纤设置于光纤分布式声波传感器系统的输入端，信号处理器设置于光纤分布式声波传感器系统的输出端；
所述的光纤分布式声波传感器系统包括：窄线宽激光器以及并联于其输出端的探测光路和本地光路，其中：本地光路的两端分别与窄线宽激光器和信号处理器相连，探测光路由声光调制器、用于增强光功率的掺铒光纤放大器和环形器的第一端口依次连接组成，环形器的第二端口和第三端口分别与待测光纤和信号处理器相连。
2.根据权利要求1所述的油气管道泄漏监测系统，其特征是，所述的声光调制器上进一步设有信号发射器，探测光被声光调制器调制形成线性扫频光脉冲并注入到待测光纤中。
3.根据权利要求1所述的油气管道泄漏监测系统，其特征是，所述的所述的信号处理器包括：依次相连的平衡光电探测器、数据采集卡和信号处理器，其中：平衡光电探测器的输入端与探测光路和本地光路的输出端相连。
4.一种基于上述任一权利要求所述系统的油气管道泄漏监测方法，其特征在于，通过将窄线宽激光调制形成线性扫频光脉冲，通过掺铒光纤放大器进一步增强光功率后注入到待测光纤中，传输产生的后向瑞利散射信号与本地的窄线宽激光发生拍频，通过将拍频后的光信号转化为电信号并解调后实现对管道泄漏的定位。
5.根据权利要求4所述的油气管道泄漏监测方法，其特征是，所述的解调是指：利用旋转矢量平均算法处理以消除相干衰落噪声的影响，然后进行相位空间差分运算消除激光光源相位噪声的影响，得到差分相位信息，差分相位发生显著变化的位置即为油气管道泄露或者外界入侵破坏的位置，实现对管道泄漏的定位。
6.根据权利要求4所述的油气管道泄漏监测方法，其特征是，采用现场可编程逻辑门阵列对数据采集卡输出的数据流进行实时匹配滤波、旋转矢量平均算法和差分相位运算，以实时监测光纤各位置处的差分相位信息。
7.根据权利要求4所述的油气管道泄漏监测方法，其特征是，对解调得到的待测光纤各位置的差分相位信息使用高通滤波器滤除低频漂移。
8.根据权利要求7所述的油气管道泄漏监测方法，其特征是，所述的高通滤波器的截止频率为100 Hz。
9.根据权利要求4所述的油气管道泄漏监测方法，其特征是，采用小波降噪技术进行重构去噪以降低环境噪声带来的影响。
10.根据权利要求9所述的油气管道泄漏监测方法，其特征是，采用Haar小波进行6层分解，选择软阈值处理方式对每分解层的高频分量进行阈值处理，再由这些小波系数重构得到去噪后的信号。
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