CN111911815B - 一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统，该发明利用沿输水管道内壁或外部敷设的光缆形成两套光纤干涉仪，通过两种不同的光纤干涉技术相结合实现对管道安全事件的定位和事件类型的识别。沿管道内壁或外壁铺设的光缆同时作为传感单元和信号传输单元，当威胁管道安全的事件发生时，其产生的扰动信号会耦合进入传感光缆，光缆中传播的探测光因此携带了事件调制信息，利用光纤干涉技术，可以解调出事件信息。其中，脉冲型光纤干涉仪主要用于事件的定位，而连续型光纤干涉仪则主要用于事件类型和等级的识别。本方法可以实现输水管道全线的完全覆盖，监测威胁管道安全的事件、区分事件类型并给予精准的事件定位。

Description

一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统

技术领域

本发明涉及输水管道安全预警领域，尤其涉及一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统。

背景技术

供水管线尤其是长距离调水管线常被称为生命线工程，是保证居民和工业用水的关键。这些管线常需要穿越山岭、河流、公路、田野、建筑物等复杂地形，威胁管线安全的事件众多且监控难度大，常见事件包括外部施工作业、地形沉降塌方、管道泄漏、管道结构内部毁损、管道爆管等。因此，输水管道的监控，尤其是整条管线全覆盖的监控和安全预警其意义重大。

在该领域，传统监控方法包括人工巡线和在关键位置布控点监控式传感器，缺点十分明显，成本高昂的同时由于覆盖范围有限导致漏报率极高，无法对管道全线形成有效的监控网，不能及时有效发现威胁管道安全的险兆事件从而避免更大的事件风险，保证管道安全。

新兴的基于分布式光纤的传感技术为上述问题的解决提供了可能性，尤其是利用相干光时域反射技术实现的传感系统，可以有效的捕获光缆沿线的扰动并准确定位事件发生的位置。该技术通过在光缆中发射短脉冲并检测脉冲前向传播过程中产生的后向散射信号实现传感，需要在接收到光缆末端形成的散射信号后才可发射下一脉冲。脉冲的发射频率限制了系统的频率响应能力，通常仅有数百赫兹到一千赫兹这个级别，在这个极窄的频率范围内，系统无法有效区分事件的类型(事件的频率范围通常分布在及几十Hz到几十KHz)，而如上文所述，威胁管道安全的事件类型众多，且各事件又可进一步细分为不同严重等级，无法有效区分事件类型产生的直接影响是系统误报率高。实际应用中，绝大多数情况下高误报率将直接导致系统无法使用，其提供的预警信息不具备参考价值。

该领域急需一种能够满足长距离全覆盖、事件响应能力好、能有效区分事件类型、定位精准的安全预警技术。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统，本发明结合两种光纤干涉技术，实现对威胁供水管道安全事件的精准定位和类型识别，改善现有技术中的不足和问题，详见下文描述：

一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统，所述系统包括：脉冲型光纤干涉仪，还包括：连续型光纤干涉仪，

所述连续型光纤干涉仪与脉冲型光纤干涉仪处于同步工作状态；

所述系统利用一条传感光缆同时获取扰动位置信息和扰动的全部特征信息，所述脉冲型光纤干涉仪用于锁定事件及位置，所述连续型光纤干涉仪用于还原事件信号、分析事件类型，最终形成包含事件类型和事件位置的有效预警信息；

所述脉冲型光纤干涉仪包括：由超窄线宽激光器发射连续光经调制器调制为短脉冲光；短脉冲光经由放大器放大，然后进入第一光纤耦合器的一臂，从另一侧经过光纤熔接盒后注入到传感光缆中，在传感光缆正向传播的过程中会在沿途的各点形成背向传播的瑞利散射光；管道安全事件发生时，产生的第一扰动信号将对传播在传感光缆中的背向瑞利散射光产生相位调制；背向瑞利散射光经由光纤熔接盒后到达第一光纤耦合器，从第一光纤耦合器的另一臂射出，最终在到达第一光电探测器时产生干涉；

其中，所述连续型光纤干涉仪包括：

由宽带激光器发射的连续光经由第二光纤耦合器一分为二，其中一路经过光纤参考臂后与另一路在第三光纤耦合器汇合，两路光先后从第三光纤耦合器的另一侧射出，经过光纤熔接盒然后注入到传感光缆；

传感光缆敷设在输水管道的外壁，传感光缆的尾端形成光纤环路；

当管道安全事件发生时，产生的第二扰动信号将对传播在传感光缆中两路光产生相位调制；

正反两路光将先后通过光纤尾端熔接盒、传感光缆、光纤熔接盒、第三光纤耦合器、光纤参考臂、第二光纤耦合器，最终在到达第二光电探测器时产生干涉，管道安全事件将反应为干涉信号的变化；

第二光电探测器探测到扰动信号进入控制及数据采集分析系统中，当脉冲型光纤干涉仪探测到事件并完成定位后，连续型光纤干涉仪将对事件发生前后的信号进行解调、信号处理、识别，获得安全事件类别和等级的准确判断。

进一步地，所述系统捕获了扰动信号的高频特征，还原了频谱特征。

进一步地，所述传感光缆沿管道内壁或外壁铺设，同时作为传感单元和信号传输单元。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明高度适合于输水管道安全预警的任务需求，可实现管道全线无死角的全覆盖，7*24小时监控管道安全，在管道安全事件刚要发生时第一时间发现并预警，有效抑制或控制事件的发生；

(2)本发明针对现有技术的频率响应范围小，无法有效还原事件信号，误报率极高的问题给出了解决方案，利用连续型光纤干涉技术，对事件进行高保真还原的同时提高了灵敏度，为后续开展模式识别、深度学习等人工智能信号处理算法提供了可能性；

(3)本发明结合脉冲型干涉技术确保了超高的定位精度；

(4)本发明使用光纤干涉技术，传感光缆无源、耐腐蚀，系统灵敏度高，是输水管道安全预警的可靠选择。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警使用的系统结构示意图；

其中，传感光缆采用管外敷设的方式。

图2为本发明所述的一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警方法的传感信号示意图；

其中，该信号类型为混凝土预应力管中预应力钢丝断裂时产生扰动信号，光纤干涉仪捕获时域信号。

图3为本发明所述的一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警使用的系统结构示意图；

其中，传感光缆采用管内敷设的方式。

图4为本发明所述的一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警方法的另一传感信号示意图。

其中，该信号类型为管道外人工挖掘作业产生扰动信号，光纤干涉仪捕获空域信号。

图5为本发明捕获了扰动信号的高频特征的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、控制及数据采集分析系统； 2、超窄线宽激光器；

3、调制器； 4、放大器；

5、第一光纤耦合器； 6、第一光电探测器；

7、宽带激光器； 8、第二光纤耦合器；

9、光纤参考臂； 10、第三光纤耦合器；

11、第二光电探测器； 12、光纤熔接盒；

13、传感光缆； 14、输水管道；

15、光纤尾端熔接盒。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

对于输水管道的安全预警，系统需要能够同时完成两种任务，定位事件的位置和还原事件的类型，缺一不可，没有精确的位置信息，无法人为干预事件从而减小或避免损失；不能还原事件类型，则系统的误报率会非常高，任何在管道附近正常的活动都会被系统误认为是安全事件，严重困扰管道运营方。本发明通过结合两种不同的光纤干涉技术，其中脉冲型光纤干涉仪用于事件的定位，而连续型光纤干涉仪主要用于事件类型的识别。

(一)脉冲型光纤干涉仪的监测事件位置：

第一步：如图1所示，脉冲型光纤干涉仪，由超窄线宽激光器2发射连续光经调制器3调制为短脉冲光；

第二步：短脉冲光经由放大器4放大，然后进入第一光纤耦合器5的一臂，从另一侧经过光纤熔接盒12然后注入到传感光缆13中，在传感光缆13正向传播的过程中会在沿途的各点形成背向传播的瑞利散射光；

第三步：管道安全事件(如第三方施工、爆管、泄漏等)发生时，其产生的扰动(如振动)将影响附近的输水管道14和所附着的传感光缆13，其产生的第一扰动信号将对传播在传感光缆13中的背向瑞利散射光产生相位调制；

第四步：背向瑞利散射光经由光纤熔接盒12然后到达第一光纤耦合器5，从第一光纤耦合器5的另一臂(非入射臂)射出，最终在到达第一光电探测器6时产生干涉，管道安全事件将反应为干涉信号的变化；

第五步：第一光电探测器6探测到扰动信号进入控制及数据采集分析系统1中；

第六步：每一次脉冲，将获得传感光缆13各位置散射形成的一次信号(曲线)，多次发射探测脉冲，将获得多条散射曲线，通过从多条散射曲线上提取各位置的散射信号，将形成传感光缆13各位置的时域信号。该时域信号经过滤波算法处理，系统将能够监测到传感光缆13各点信号的变化，即安全事件产生的扰动；

第七步：对于超过系统阈值的扰动，通过计算探测到的扰动和短脉冲光发射的时间差，可以获得安全事件发生的准确位置。

其中，图2为脉冲型光纤干涉仪获得的事件定位信息信号，该信号类型为混凝土预应力管中预应力钢丝断裂时产生扰动信号，光纤干涉仪捕获时域信号。

具体实现时，本发明实施例对阈值的具体数值不做限制，根据实际应用中的需要进行设定，根据时间差获取安全事件发生的准确位置的具体步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

(二)连续型光纤干涉仪的监测事件类型：

本发明实施例对使用的连续型光纤干涉仪不做限制，可根据实际应用中的需要进行布置，本实施例为了方便说明，选取了基于Sagnac干涉技术的连续型光纤干涉仪。

第八步：参见图3，连续型光纤干涉仪与脉冲型光纤干涉仪处于同步工作状态，由宽带激光器7发射的连续光经由第二光纤耦合器8一分为二，其中一路经过光纤参考臂9后与另一路在第三光纤耦合器10汇合，由于其中一路经过参考臂，因而两路光之间存在相位差，将先后从光纤耦合器10的另一侧射出，经过光纤熔接盒12然后注入到传感光缆13；

第九步：传感光缆13敷设在输水管道14的内壁，传感光缆13的尾端通过熔接另一根纤芯或加装光纤反射镜等方式形成光纤环路；

本发明实施例对形成光纤环路的具体方式不做限制，根据实际应用中的需要进行布置。

第十步：上述(一)中所述的管道安全事件发生时，也将影响附近的输水管道14和所附着的传感光缆13，其产生的第二扰动信号将对传播在传感光缆13中两路光产生相位调制；

第十一步：正反两路光将先后通过光纤尾端熔接盒15、传感光缆13、光纤熔接盒12、第三光纤耦合器10、光纤参考臂9、第二光纤耦合器8，最终在到达第二光电探测器11时产生干涉，管道安全事件将反应为干涉信号的变化；

第十二步：第二光电探测器11探测到扰动信号进入控制及数据采集分析系统1中，当脉冲型光纤干涉仪探测到事件并完成定位后，连续型光纤干涉仪将对事件发生前后的信号进行解调、信号处理、识别，获得安全事件类别和等级的准确判断。

第十三步：当通过连续型光纤干涉仪确认事件为系统敏感类型后(如管道附近的第三方施工作业)，将综合两套干涉仪形成的事件的位置和事件类型信息，最终给出管道安全事件的完整评估。

其中，图4为连续型光纤干涉仪获得事件信号，该信号类型为管道外人工挖掘作业产生扰动信号，光纤干涉仪捕获空域信号。

需要说明的是，仅当通过本发明所述的结合两种干涉技术的方式才能良好实现供水管道的安全预警的需求：单纯使用脉冲型光纤干涉技术时，受限于系统的低频率响应能力无法有效还原事件信号，故而无法准确识别事件类型；单纯使用连续型光纤干涉仪时，该技术无法定位事件发生的位置，即便是一些演进版技术中使用的双连续型光纤干涉仪的方式，定位误差依然较大，无法满足安全预警对事件位置的需求。

本发明创造性的将两种光纤干涉技术结合在一起，扬长避短，充分利用两种技术独具优势，并且在光学传感系统上和监测控制系统上均实现了两种技术的有机结合：利用一条传感光缆同时获取扰动位置信息和扰动的全部特征信息，两套传感系统协同工作，先使用脉冲型光纤干涉仪锁定事件及位置，然后通过连续型光纤干涉仪还原事件信号、分析事件类型，最终形成包含事件类型和事件位置的有效预警信息。

实验对比

为比较本发明的优越性，故而设计实验对比传统基于相干光时域反射技术实现的预警系统和本发明所描述的利用两种光纤干涉技术实现的输水管道安全预警系统。两套系统同时布设在同一条实验管道上，管长20km，分别利用同一条光缆的不同纤芯以确保不引入其他变量，两套系统所处实验条件一致。实验共选取5km，10km，15km三个实验点，每个进行5次实验，采用附着在光缆上的压电陶瓷外加激励的方式模拟安全事件引起的扰动，用以测试系统的频响和信号还原能力。

通过对比实验，两套系统在事件的定位能力上表现没有明显差异，但对于事件的还原，即扰动信号的传感上存在显著差异，本发明显著优于传动技术，如图5所示，本发明捕获了扰动信号的高频特征，完全还原了频谱特征，而传统技术仅能捕获部分频谱特征，高频特征遗失，所采集到的信号已经发生了混叠，无法用于事件类型的区分和识别。

由此可知，本发明在输水管道的安全预警领域有较好应用效果，完美解决了过往技术和系统存在的不足。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所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 (3)

1.一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统，所述系统包括：脉冲型光纤干涉仪，其特征在于，还包括：连续型光纤干涉仪，

所述连续型光纤干涉仪与脉冲型光纤干涉仪处于同步工作状态；

所述系统利用一条传感光缆同时获取扰动位置信息和扰动的全部特征信息，所述脉冲型光纤干涉仪用于锁定事件及位置，所述连续型光纤干涉仪用于还原事件信号、分析事件类型，最终形成包含事件类型和事件位置的有效预警信息；

所述脉冲型光纤干涉仪包括：由超窄线宽激光器发射连续光经调制器调制为短脉冲光；短脉冲光经由放大器放大，然后进入第一光纤耦合器的一臂，从另一侧经过光纤熔接盒后注入到传感光缆中，在传感光缆正向传播的过程中会在沿途的各点形成背向传播的瑞利散射光；管道安全事件发生时，产生的第一扰动信号将对传播在传感光缆中的背向瑞利散射光产生相位调制；背向瑞利散射光经由光纤熔接盒后到达第一光纤耦合器，从第一光纤耦合器的另一臂射出，最终在到达第一光电探测器时产生干涉；

所述连续型光纤干涉仪包括：由宽带激光器发射的连续光经由第二光纤耦合器一分为二，其中一路经过光纤参考臂后与另一路在第三光纤耦合器汇合，两路光先后从第三光纤耦合器的另一侧射出，经过光纤熔接盒然后注入到传感光缆；

传感光缆敷设在输水管道的外壁，传感光缆的尾端形成光纤环路；

当管道安全事件发生时，产生的第二扰动信号将对传播在传感光缆中两路光产生相位调制；

正反两路光将先后通过光纤尾端熔接盒、传感光缆、光纤熔接盒、第三光纤耦合器、光纤参考臂、第二光纤耦合器，最终在到达第二光电探测器时产生干涉，管道安全事件将反应为干涉信号的变化；

第二光电探测器探测到扰动信号进入控制及数据采集分析系统中，当脉冲型光纤干涉仪探测到事件并完成定位后，连续型光纤干涉仪将对事件发生前后的信号进行解调、信号处理、识别，获得安全事件类别和等级的准确判断。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统，其特征在于，所述系统捕获了扰动信号的高频特征，还原了频谱特征。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的输水管道安全预警系统，其特征在于，所述传感光缆沿管道内壁或外壁铺设，同时作为传感单元和信号传输单元。

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