CN110702212A - 固定震源装置和φ-otdr传感系统结合的油气管道光纤标定方法 - Google Patents
固定震源装置和φ-otdr传感系统结合的油气管道光纤标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种固定震源装置和Φ‑OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，包括：在设置有探测光缆的管道沿线，每隔一定距离设置一个基准点，在基准点上方，使用固定震源装置进行有规律的锤击，制造激励信号，通过Φ‑OTDR传感系统对各个基准点处的激励信号进行探测，并计算出各基准点对应的光缆长度，将其与管道里程进行匹配；以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直于管道的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号，通过Φ‑OTDR传感系统对激励信号进行探测，计算得到基准点对应的光缆深度，得到光缆的最终位置。本发明方法能快速、准确的定位光缆位置，完成管道和光缆位置的匹配标定工作，提高管道光纤监测系统建设效率、降低建设成本。
Description
技术领域
本发明涉及油气管道光纤标定技术领域，尤其涉及一种固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法。
背景技术
管道运输具有高效和经济的特点，我国长输油气管道总长度累计已达数万公里，管道在运行中若有损坏，不仅影响国家的能源供应，还可能造成严重事故，统计资料表明，第三方破坏是油气管道失效的主要因素之一，为保障油气管道的运行安全，需要对管道沿线的威胁事件进行及时预警。
目前，常用的管道安全预警技术主要包括光纤传感和地震波检测，由于地震波检测技术使用和维护成本较高，只适用于重点管段的监测，因此，以管道同沟敷设光缆作为振动传感器的光纤传感类管道安全预警技术是目前的主要发展趋势。
针对油气管道光纤监测系统的应用，已经出台了公共安全标准，而管道和光纤位置的匹配标定工作，则是保证管道光纤监测系统报警定位精度的必要工作。在此之前，还没有成熟的技术可以探测到非金属铠装光缆的具体位置，因此管道和光纤位置的匹配标定工作难度较大。
在油气管道运输行业，管道建设期会同沟铺设光缆，用于场站通信。由于管道施工资料的缺失、以及管道改线等因素，导致随管道同沟铺设的光缆位置无法获取。近几年，光纤传感技术在油气管道安全监测领域开始发展应用，为保证光纤监测系统报警定位精度，在油气管道光纤监测预警系统建设初期，需要对管道和光纤的相对位置进行标定匹配工作，而传统的技术和方法不能完成管道和光纤的标定匹配工作。
现有技术针对管道和光缆位置的匹配标定工作，没有专用的振动信号激发装置，且没有规范的测试流程，无法保证振动测试信号的稳定，会导致每次测试的信号强度有变化，因此不能保证最强振动点的确认，影响定位精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种固定震源装置，该装置包括筒盖、重锤、刻度筒以及托盘；其中：
刻度筒为中空的柱形圆筒，其底部安装在托盘上，使刻度筒能垂直立于水平面上；重锤一端设置有挂钩，挂钩上固定有无弹性的绳子；筒盖的中心位置设置有小孔，重锤的绳子穿过该小孔；将重锤置于刻度筒中，筒盖安装在刻度筒的顶部，提拉绳子使重锤至某个刻度线处；松开绳子，使重锤自由落体砸在托盘上，产生固定振动信号。
进一步地，本发明的刻度筒上设置有透明刻度窗，透明刻度窗上设置有刻度。
进一步地，本发明的重锤直径小于刻度筒的内径。
本发明提供一种固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，该方法包括以下步骤：
管道里程和光缆长度匹配：
在设置有探测光缆的管道沿线，每隔一定距离设置一个基准点，在基准点上方，使用固定震源装置进行有规律的锤击，制造激励信号，通过Φ-OTDR传感系统对各个基准点处的激励信号进行探测，并计算出各基准点对应的光缆长度，将其与管道里程进行匹配；
管道和光缆的垂直距离标定：
以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直于管道的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号，通过Φ-OTDR传感系统对激励信号进行探测，计算得到基准点对应的光缆深度，得到光缆的最终位置。
进一步地，本发明的该方法中管道里程和光缆长度匹配的具体步骤为：
a、在管道沿线每隔一定距离设置一个标定点，在标定点附近，使用地下管线探测仪对管道具体位置进行探测，以探测位置作为基准点；
b、在基准点上方，使用固定震源装置，进行有规律的锤击地面，制造激励信号；
c、通过Φ-OTDR传感系统的振动探测单元获取光纤传感信号；
d、对光纤传感信号进行滤波，去除低频部分；
e、选取光纤传感信号和激励信号规律相同的探测单元，规律包括：激励数量、激励间隔时长；
f、对选取的探测单元激励信号进行能量计算；
g、选取最强能量的探测单元，计算出该探测单元处光缆的长度，即为锤击处光缆长度；
h、记录该处光缆长度，并与管道里程对应。
进一步地，本发明的该方法中进行滤波的方法为：
采用高通滤波的方式，其计算方式为：
将原始信号序列记为x(n)，设置FIR高通滤波器系数，所用FIR滤波器阶数N为33；
在时域，信号经过FIR高通滤波器的响应y(n)即激励x(n)跟系统单位抽样响应h(n)的卷积和，对于长度为N的FIR高通滤波器，h(n)看成一个长度为N点的固定窗口，而x(n)则看成一个队列穿过h(n)窗口，每走一步，位于窗口中的x(n)部分的点跟h(n)的对应点的值相乘再求和，所得结果构成此时高通滤波器的响应y(n)，x(n)队列每走一步就得到一个响应值y(n)，即y(n)是h(n)对位于其窗口中的x(n)的加权求和，所得到的y(n)序列，即去除低频部分的滤波信号。
进一步地，本发明的该方法中对选取的探测单元激励信号进行能量计算的方法为：
对于已经去除低频部分的滤波信号序列y(n)，按秒进行划分；
每秒信号能量计算公式：Ey＝∫|y(t)|2dt。
进一步地，本发明的该方法中管道和光缆的垂直距离标定的具体步骤为：
a、以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直管道方向的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号；
b、通过Φ-OTDR传感系统振动探测单元获取光纤传感信号；
c、选取管道里程和光缆长度匹配步骤中，得到的最强能量的探测单元；
d、对该探测单元的光纤传感信号进行滤波，去除低频部分；
e、计算该探测单元采集的激励信号能量；
f、选择能量最强的激励信号的地理位置作为光缆的最终位置。
进一步地，本发明的该方法中进行滤波的方法为：
采用高通滤波的方式，其计算方式为：
将原始信号序列记为x(n)，设置FIR高通滤波器系数，所用FIR滤波器阶数N为33；
在时域，信号经过FIR高通滤波器的响应y(n)即激励x(n)跟系统单位抽样响应h(n)的卷积和，对于长度为N的FIR高通滤波器，h(n)看成一个长度为N点的固定窗口，而x(n)则看成一个队列穿过h(n)窗口，每走一步，位于窗口中的x(n)部分的点跟h(n)的对应点的值相乘再求和，所得结果构成此时高通滤波器的响应y(n)，x(n)队列每走一步就得到一个响应值y(n)，即y(n)是h(n)对位于其窗口中的x(n)的加权求和，所得到的y(n)序列，即去除低频部分的滤波信号。
本发明产生的有益效果是：本发明的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，固定震源装置操作简单、方便携带，每次可以产生相同的振动信号，保证了信号源的的稳定，从而使光纤探测单元每次接收的激励信号能量具有了比较的基础，提高了光缆定位的精度；利用固定震源装置制造信号，结合Φ-OTDR传感系统对信号的分析，完成管道里程和光缆长度的匹配以及管道和光缆的垂直距离的标定，保证了光纤监测系统在管道安全监测领域的应用效果；本发明的方法可以快速、准确的定位光缆的位置，完成管道和光缆位置的匹配标定工作，提高管道光纤监测系统建设效率、降低建设成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的装置结构示意图；
图2是本发明实施例的管道里程和光缆长度的匹配示意图；
图3是本发明实施例的管道和光缆的垂直距离标定示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的固定震源装置，该装置包括筒盖1、重锤2、刻度筒3以及托盘4；其中：
刻度筒3为中空的柱形圆筒，其底部安装在托盘4上，使刻度筒3能垂直立于水平面上；重锤2一端设置有挂钩，挂钩上固定有无弹性的绳子；筒盖1的中心位置设置有小孔，重锤2的绳子穿过该小孔；将重锤2置于刻度筒3中，筒盖1安装在刻度筒3的顶部，提拉绳子使重锤2至某个刻度线处；松开绳子，使重锤2自由落体砸在托盘4上，产生固定振动信号。
刻度筒3上设置有透明刻度窗，透明刻度窗上设置有刻度。重锤2直径小于刻度筒3的内径。可根据现场情况，选择重锤起始刻度线。
本发明实施例的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，该方法包括以下步骤：
(1)管道里程和光缆长度匹配：
在设置有探测光缆的管道沿线，每隔一定距离设置一个基准点，在基准点上方，使用固定震源装置进行有规律的锤击，制造激励信号，通过Φ-OTDR传感系统对各个基准点处的激励信号进行探测，并计算出各基准点对应的光缆长度，将其与管道里程进行匹配；
在一个具体实施例中：
实际中光缆长度与管道里程并不一致，为了保证报警定位精度，需要对管道长度和光缆长度进行匹配，本发明实施例中按照每100米的间隔设置标定点，并在定向钻、管道弯头处进行增加标定点，完成光缆长度与管道里程匹配的解决方法。其具体步骤为：
a、在管道沿线每隔一定距离设置一个标定点，在标定点附近，使用地下管线探测仪RD8000对管道具体位置进行探测，以探测位置作为基准点；
b、在基准点上方，使用固定震源装置，进行有规律的锤击地面(连续锤击2组，每组5次，每组间隔时间大于5S)，制造激励信号；
c、通过Φ-OTDR传感系统的振动探测单元获取光纤传感信号；
d、对光纤传感信号进行滤波，去除低频部分；
高通滤波计算方式：
d1、将原始信号序列记为x(n)，FIR高通滤波器系数设置为：
[-8952,-2310,-63,3962,9147,14197,17357,16708,10576,-2011,-20974,-45008,-71661,-97677,-119543,-134118,860766,-134118,-119543,-97677,-71661,-45008,-20974,-2011,10576,16708,17357,14197,9147,3962,-63,-2310,-8952]，即，所用FIR滤波器阶数N为33；
d2、在时域，信号经过FIR系统的响应y(n)即激励x(n)跟系统单位抽样响应h(n)的卷积和，对于长度为N的FIR系统，h(n)可以看成一个长度为N点的固定窗口，而x(n)则看成一个队列穿过h(n)窗口，每走一步，位于窗口中的x(n)部分的点跟h(n)的对应点的值相乘(即加权)再求和，所得结果构成此时系统的响应y(n)，x(n)队列每走一步就得到一个响应值y(n)，即y(n)是h(n)对位于其窗口中的x(n)的加权求和，所得到的y(n)序列，即去除低频部分的滤波信号。
e、选取光纤传感信号和激励信号规律相同的探测单元，规律包括：激励数量、激励间隔时长；
f、对选取的探测单元激励信号进行能量计算；
信号能量计算方式：
f1、对于已经去除低频部分的滤波信号序列y(n)，按秒进行划分；
f2、每秒信号能量计算公式：Ey＝∫|y(t)|2dt。
g、选取最强能量的探测单元，计算出该探测单元处光缆的长度，即为锤击处光缆长度；
光缆长度计算方式：
g1、最强能量的探测单元序号为n，光缆长度L＝10*n，单位为m。
h、记录该处光缆长度，并与管道里程对应。
(2)管道和光缆的垂直距离标定：
以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直于管道的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号，通过Φ-OTDR传感系统对激励信号进行探测，计算得到基准点对应的光缆深度，得到光缆的最终位置。其具体步骤为：
a、以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直管道方向的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号；在本实施例中，优选参数为：在垂直管道方向±15m范围内，每隔1m进行一次信号激励；
b、通过Φ-OTDR传感系统振动探测单元获取光纤传感信号；
c、选取管道里程和光缆长度匹配步骤中，得到的最强能量的探测单元；
d、对该探测单元的光纤传感信号进行滤波，去除低频部分；
高通滤波计算方式：
d1、将原始信号序列记为x(n)，FIR高通滤波器系数设置为：
[-8952,-2310,-63,3962,9147,14197,17357,16708,10576,-2011,-20974,-45008,-71661,-97677,-119543,-134118,860766,-134118,-119543,-97677,-71661,-45008,-20974,-2011,10576,16708,17357,14197,9147,3962,-63,-2310,-8952]，即，所用FIR滤波器阶数N为33；
d2、在时域，信号经过FIR系统的响应y(n)即激励x(n)跟系统单位抽样响应h(n)的卷积和，对于长度为N的FIR系统，h(n)可以看成一个长度为N点的固定窗口，而x(n)则看成一个队列穿过h(n)窗口，每走一步，位于窗口中的x(n)部分的点跟h(n)的对应点的值相乘(即加权)再求和，所得结果构成此时系统的响应y(n)，x(n)队列每走一步就得到一个响应值y(n)，即y(n)是h(n)对位于其窗口中的x(n)的加权求和，所得到的y(n)序列，即去除低频部分的滤波信号。
e、计算该探测单元采集的激励信号能量；
信号能量计算方式：
e1、对于已经去除低频部分的滤波信号序列y(n)，按秒进行划分；
e2、每秒信号能量计算公式：Ey＝∫|y(t)|2dt。
f、选择能量最强的激励信号的地理位置作为光缆的最终位置。
本发明的方法具有以下优点：
(1)利用固定震源装置，每次可以产生相同的振动信号，保证了信号源的稳定，从而使光纤探测单元每次接收的激励信号能量具有了比较的基础，提高了光缆定位的精度；
(2)能完成管道和光缆的标定，确定了管道和光缆的距离，保证了光纤监测系统在管道安全监测领域的应用效果。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种固定震源装置，其特征在于，该装置包括筒盖(1)、重锤(2)、刻度筒(3)以及托盘(4)；其中：
刻度筒(3)为中空的柱形圆筒，其底部安装在托盘(4)上，使刻度筒(3)能垂直立于水平面上；重锤(2)一端设置有挂钩，挂钩上固定有无弹性的绳子；筒盖(1)的中心位置设置有小孔，重锤(2)的绳子穿过该小孔；将重锤(2)置于刻度筒(3)中，筒盖(1)安装在刻度筒(3)的顶部，提拉绳子使重锤(2)至某个刻度线处；松开绳子，使重锤(2)自由落体砸在托盘(4)上，产生固定振动信号。
2.根据权利要求1所述的固定震源装置，其特征在于，刻度筒(3)上设置有透明刻度窗，透明刻度窗上设置有刻度。
3.根据权利要求1所述的固定震源装置，其特征在于，重锤(2)直径小于刻度筒(3)的内径。
4.一种固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，采用权利要求1所述的固定震源装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
管道里程和光缆长度匹配：
在设置有探测光缆的管道沿线，每隔一定距离设置一个基准点，在基准点上方，使用固定震源装置进行有规律的锤击，制造激励信号，通过Φ-OTDR传感系统对各个基准点处的激励信号进行探测，并计算出各基准点对应的光缆长度，将其与管道里程进行匹配；
管道和光缆的垂直距离标定：
以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直于管道的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号，通过Φ-OTDR传感系统对激励信号进行探测，计算得到基准点对应的光缆深度，得到光缆的最终位置。
5.根据权利要求4所述的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，其特征在于，该方法中管道里程和光缆长度匹配的具体步骤为：
a、在管道沿线每隔一定距离设置一个标定点，在标定点附近，使用地下管线探测仪对管道具体位置进行探测，以探测位置作为基准点；
b、在基准点上方，使用固定震源装置，进行有规律的锤击地面，制造激励信号；
c、通过Φ-OTDR传感系统的振动探测单元获取光纤传感信号；
d、对光纤传感信号进行滤波，去除低频部分；
e、选取光纤传感信号和激励信号规律相同的探测单元，规律包括：激励数量、激励间隔时长；
f、对选取的探测单元激励信号进行能量计算；
g、选取最强能量的探测单元，计算出该探测单元处光缆的长度，即为锤击处光缆长度；
h、记录该处光缆长度，并与管道里程对应。
6.根据权利要求5所述的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，其特征在于，该方法中进行滤波的方法为：
采用高通滤波的方式，其计算方式为：
将原始信号序列记为x(n)，设置FIR高通滤波器系数，所用FIR滤波器阶数N为33；
在时域，信号经过FIR高通滤波器的响应y(n)即激励x(n)跟系统单位抽样响应h(n)的卷积和，对于长度为N的FIR高通滤波器，h(n)看成一个长度为N点的固定窗口，而x(n)则看成一个队列穿过h(n)窗口，每走一步，位于窗口中的x(n)部分的点跟h(n)的对应点的值相乘再求和，所得结果构成此时高通滤波器的响应y(n)，x(n)队列每走一步就得到一个响应值y(n)，即y(n)是h(n)对位于其窗口中的x(n)的加权求和，所得到的y(n)序列，即去除低频部分的滤波信号。
7.根据权利要求6所述的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，其特征在于，该方法中对选取的探测单元激励信号进行能量计算的方法为：
对于已经去除低频部分的滤波信号序列y(n)，按秒进行划分；
每秒信号能量计算公式：Ey＝∫|y(t)|2dt。
8.根据权利要求5所述的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，其特征在于，该方法中管道和光缆的垂直距离标定的具体步骤为：
a、以基准点为中心，采用固定震源装置，在垂直管道方向的一定高度上，每隔一定水平距离进行一次锤击，制造激励信号；
b、通过Φ-OTDR传感系统振动探测单元获取光纤传感信号；
c、选取管道里程和光缆长度匹配步骤中，得到的最强能量的探测单元；
d、对该探测单元的光纤传感信号进行滤波，去除低频部分；
e、计算该探测单元采集的激励信号能量；
f、选择能量最强的激励信号的地理位置作为光缆的最终位置。
9.根据权利要求8所述的固定震源装置和Φ-OTDR传感系统结合的油气管道光纤标定方法，其特征在于，该方法中进行滤波的方法为：
采用高通滤波的方式，其计算方式为：
将原始信号序列记为x(n)，设置FIR高通滤波器系数，所用FIR滤波器阶数N为33；
在时域，信号经过FIR高通滤波器的响应y(n)即激励x(n)跟系统单位抽样响应h(n)的卷积和，对于长度为N的FIR高通滤波器，h(n)看成一个长度为N点的固定窗口，而x(n)则看成一个队列穿过h(n)窗口，每走一步，位于窗口中的x(n)部分的点跟h(n)的对应点的值相乘再求和，所得结果构成此时高通滤波器的响应y(n)，x(n)队列每走一步就得到一个响应值y(n)，即y(n)是h(n)对位于其窗口中的x(n)的加权求和，所得到的y(n)序列，即去除低频部分的滤波信号。
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