CN113375879B - 一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，包括弱反射点阵列光纤、传感光纤、解调模块、综合分析模块；弱反射点阵列光纤、传感光纤传感得到的信息通过解调模块解调后与综合分析模块相连；弱反射点阵列光纤铺设于被测管道的内壁或者外壁；传感光纤通过遇水膨胀材料铺设封装于被测管道的外壁；所述解调模块包括温度解调子模块、湿度解调子模块、振动解调子模块、声波定位子模块和信号解调光开关；弱反射点阵列光纤与声波定位子模块相连；传感光纤与信号解调光开关相连，信号解调光开关用于分时切换温度解调子模块、湿度解调子模块、振动解调子模块。本发明可实现大范围的管道多参量实时监测，定位精度高，抗干扰性强。

Description

一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统。

背景技术

自来水管道在城市管网系统中占有极其重要的地位，管道泄漏不仅会造成水资源的浪费，还会严重影响到城市交通、卫生和居民的生活。目前，城镇供水管道网的泄漏造成我国每年巨大的经济损失以及饮用水浪费。因此，急需有一套能准确定位管道泄漏的监控系统。

在一种现有的应用于居民生活区的管道测漏监控系统中，通过设置多套流量计来计算管道流量的大小，并依据管道内流体动力学和管道网络拓扑结构来推测管道泄漏点位置。然而，这套系统的缺点在于泄漏定位精度低，一般为百米量级，导致了后续的管道维修工程量巨大，需要对数百米范围内停水并通过通氦气等昂贵检测手段进一步精确定位泄漏点位置。此外，流量计价格昂贵而使用寿命仅仅只有2至3年，维护和更换成本高。

另外一种现有的基于分布式光纤传感系统（DAS）的管道测漏监控系统，其主要原理可以简述为：当有声学或振动事件发生时，频率会改变当下位置光纤纤芯的折射率，从而影响光纤传输过程中的瑞利散射大小和方向，通过检测是否有异常的反射信号来判断管道内部是否发生了泄漏。但该技术对于泄漏点的定位，主要是根据管道网络的拓扑结构和流体力学等参量，应用算法来实现对泄漏点的定位，算法的优劣将直接影响解调定位的精度，目前该技术实现的最高精度定位在几十米的量级。此外，通过该技术实现的光纤水听器依据定位精度的不同，产业化的产品价格在20万到100万之间，价格昂贵。而且，由于解调到的信号的信噪比低，环境中许多因素的振动或声学信号，都将直接影响管道泄漏定位的精度。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明提供多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，多传感器信息融合可以定位供水管道网泄漏点的位置，也可以用于探测并定位输油管道中的泄漏点，探测精度达米级；根据应用居民生活区实际情况，使用光开关进行时分复用，一个设备可监测上百路供水管道的泄漏情况，最长的一路可达十公里数量级，同时具备多参量的实时监测以此来提高系统的抗干扰性。

一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，包括弱反射点阵列光纤、传感光纤、解调模块、综合分析模块；所述的弱反射点阵列光纤、传感光纤传感得到的信息通过解调模块解调后与综合分析模块相连，从而监控被测管道，定位泄漏点；所述的弱反射点阵列光纤铺设于被测管道的内壁或者外壁，用于传感声波；所述的传感光纤通过遇水膨胀材料铺设封装于被测管道的外壁，用于传感温度、湿度和振动；所述解调模块包括温度解调子模块、湿度解调子模块、振动解调子模块、声波定位子模块和信号解调光开关； 所述的弱反射点阵列光纤与声波定位子模块相连；所述的传感光纤与信号解调光开关相连，信号解调光开关用于分时切换温度解调子模块、湿度解调子模块、振动解调子模块。

所述的传感光纤为普通标准单模光纤，使用遇水膨胀材料进行封装。

所述的遇水膨胀材料包括膨胀土防水毯（GCL）、聚氨酯遇水膨胀胶或腻子型遇水膨胀止水条。

所述遇水膨胀材料将被测管道外的湿度信号转换成光纤应变信息；所述湿度解调子模块，包括一台光时域反射仪（OTDR），泄漏点附近的光纤应变后折射率变化，导致该点瑞利散射增强，对应在光时域反射曲线产生突变的位置即为泄漏点的位置，通过接收到的瑞利散射光的时延判断探测点位置，通过散射光的强度反映探测点光纤应变。

所述温度解调子模块发出的光经过传感光纤携带温度信号返回至温度解调子模块中的信号接收器，最终通过接收到的拉曼散射光的时延判断探测点位置，通过反斯托克斯拉曼光的强度计算传感光纤沿线温度的变化。

所述振动解调子模块发出的光经过传感光纤携带振动信号返回至振动解调子模块中的信号接收器，最终通过解调由振动产生的相位差，通过分析相位差的频谱判断振动源的位置。

所述声波定位子模块包括一台光时域反射仪，弱反射点阵列光纤的光时域反射曲线是由一系列反射峰组成的周期性信号，每个反射峰对应一个弱反射点，泄漏时的声波使附近的弱反射点折射率变化，瑞利散射增强，即曲线中相应的反射峰升高，由此判断泄漏点的位置。

所述的弱反射点阵列光纤是一种在光纤纤芯上加工有阵列式弱反射点的单模光纤，通过设计弱反射点阵列的周期来控制空间分辨率。

所述的弱反射点阵列光纤为光纤纤芯和光纤包层组成的单模光纤，光纤纤芯上设有多个弱反射点组成的阵列，相邻弱反射点之间的间距固定且相等。

本发明的有益效果：本发明提供一种基于分布式光纤传感技术的多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，弱反射点阵列光纤探测声波的空间分辨率高，但受环境影响大，周围环境中的噪声会影响其探测的准确性，而传感光纤探测管外温湿度环境以及振动情况受环境影响小，两种光纤探测的信号相互补充，定位精度高，抗干扰性和可靠性高。本发明也可以扩展用于探测并定位输油管道中的泄漏点。

附图说明

图1为本发明实施的一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统的结构示意图。

图2为本发明实施的一种准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器的结构示意图。

图3为本发明实施的一种全自动化微纳加工准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器装置的结构示意图。

图中，被测管道1、弱反射点阵列光纤2、传感光纤3、遇水膨胀材料4、解调模块5、信号解调光开关6、声波定位子模块7、温度解调子模块8、湿度解调子模块9、振动解调子模块10、综合分析模块11、单模光纤12、光纤纤芯13、光纤包层14、弱反射点15、微纳加工设备16、单片机17、光纤全自动化绕线机18。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，图1为本发明一实施方式的一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统的结构示意图。

如图1所示，该系统包括被测管道1、位于被测管道1外壁的传感光纤3、位于被测管道1外壁的弱反射点阵列光纤2、解调模块5和综合分析模块11。其中，所述被测管道1下方外壁粘有一层遇水膨胀材料4；所述解调模块5包括声波定位子模块7、温度解调子模块8、湿度解调子模块9、振动解调子模块10和信号解调光开关6，其中，所述信号解调光开关6用于分时切换温度解调子模块8、湿度解调子模块9和振动解调子模块10；所述传感光纤3用于温度探测、湿度探测和振动探测；所述弱反射点光纤2用于探测被测管道1中各个指定位置的声波信号。综合分析模块11用于接收解调模块5输出的被测管道1中各个指定位置的温度、湿度、振动和声波信号并分析判断被测管道1中是否有泄漏以及准确定位发生泄漏的位置。

具体地，传感光纤3使用遇水膨胀材料4进行封装，在本实例的一种实现方式中，可以是将一定厚度的遇水膨胀材料4粘在被测管道1的下方外壁，再将传感光纤3固定在遇水膨胀材料4上。被测管道1泄漏的水会导致该处的遇水膨胀材料4体积变大，从而使该处的传感光纤3产生弯曲应变，由此遇水膨胀材料4将所述被测管道1外的湿度信号转换成光纤应变信息。此处湿度并非指空气湿度，而是指遇水膨胀材料体积变化而反映出的含水量。

所述声波定位子模块7可以为一个光时域反射仪（OTDR），准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器2由声波定位子模块7完成对光纤中每个弱反射点的精准定位。OTDR定位反射点位置的原理可以简述为：d=(c*t)/2(IOR)，其中d是反射点距OTDR的距离，c是光在真空中的传播速度，t是从发射信号到返回信号所用的时间，IOR是传感器光纤的折射率，可由光纤厂商得知，由于弱反射点阵列是由固定周期的弱反射点排布而成，所以OTDR会解调出时域上一系列具有周期性的反射峰。

所述湿度解调子模块9包括一个光时域反射仪，其发出的脉冲探测光经过传感光纤3后，携带应变信息即湿度信息的信号光返回至光时域反射仪被分析和处理。光纤的应变在光时域反射曲线上会表现为一个明显的突变，该突变的位置即为泄漏点的位置。

所述温度解调子模块8发出的脉冲探测光经过传感光纤3后，其后向散射光返回并被温度解调子模块中信号接收器接收并分析。在本实施例中，温度监测模块可以是基于分布式拉曼散射测温技术的模块。温度会影响介质的拉曼散射强度，基于接收到拉曼散射光的强度信息和时间信息可以解调出光纤沿线的温度分布情况，

上式中，T表示待测温度，表示已知的起始温度，h为普朗克常数，k为波尔兹常量，/>分别为光纤在温度为/>和T时反斯托克斯光子数，/>分别为光纤在温度为/>和T时斯托克斯光子数，上式表示光纤中某点的温度可以通过其产生拉曼散射的斯托克斯光光子数与反斯托克斯光光子数的比值计算得出。脉冲探测光经过光纤中任意位置时都会产生拉曼散射，不同位置的拉曼散射光被信号接收器接收的时间不同，温度解调子模块通过接收到的拉曼散射光（包括斯托克斯光和反斯托克斯光）的时延判断产生该拉曼散射光的位置；通过接收到的反斯托克斯光子数与斯托克斯光子数的比值/>可以计算出该点的温度，从而得到整根光纤上任意位置的温度分布情况。

所述振动解调子模块10发出的探测光经过所述传感光纤3后，携带振动信息的信号光返回至振动解调子模块中的信号接收器被分析和处理。在本实施例中，振动解调子模块可以是基于分布式Sagnac干涉振动检测技术的模块。光纤上某点受到的振动会改变经过此处光的传输相位，不同时间经过振动点的两束光在光路中形成Sagnac干涉， 通过无源零差解调法解调由振动产生的相位差，相位差的频谱中包含振动源位置的信息，通过对相位差频谱的周期性分析可以判断振动源的位置，如下式：

(2)

式中值是解调出来的相位差时域信号，n为光纤纤芯折射率，c为光速，/>为泄漏点的位置，/>指频率为/>的振动信号的调制强度，由于振动源是一个宽带信号，所以其相位差频谱曲线中存在一系列极小值点，如下式：

（k = 1,2,3…） (3)

通过相位差频谱上各极小值点可以计算得到泄漏点的位置。

请参阅图2，图2为本发明一实施方式的一种准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器的结构示意图。

如图2所示，准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器包括一根单模光纤12，单模光纤由光纤纤芯13和光纤包层14组成，光纤纤芯13上设有n个弱反射点15组成的阵列，相邻弱反射点之间的间距固定且通常相等。

其中，单模光纤可以是商用的单模光纤，可以是掺杂的单模光纤，也可以是未掺的纯石英单模光纤，可以是大光纤纤芯直径的单模光纤，也可以是小光纤纤芯直径的单模光纤。在本实施例的一种实现方式中，所述单模光纤为未掺的纯石英光纤，芯径直径等于10微米，包层直径等于125微米。需要说明的是，在图1所示的准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器中，单模光纤中的弱反射点阵列是加工后形成的。

具体地，可采用飞秒激光直写技术在单模光纤的纤芯上写入弱反射点，也可以采用准分子激光等方法将弱反射点写入到单模光纤的纤芯上。

多个具有相同间距的阵列式弱反射点在单模光纤中对应位置处提高了瑞利散射的信噪比。具体地，可以通过设计激光直写每个弱反射点的所采用的激光功率来控制其反射率，还可以通过设计弱反射点阵列的周期大小来控制该器件探测的空间分辨率。需要注意的是，弱反射点对不同波长的瑞利散射的反射率是不一样的，在本实施例中，选用的光源为1550 nm的单波长光源。

特别地，在本实施例中，准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器的空间分辨率为2米，将该传感器应用于高精度的供水管道网络泄漏监测，当管道发生泄漏时，会产生一定频率的声波信号，该信号会影响弱反射点瑞利散射的大小，又因为弱反射点在光纤中是以一定周期的阵列式的排布，因此当声学事件发生时，该传感器能较为精确的定位出泄漏点的位置。需要注意的是，该定位的精确性完全由弱反射点阵列的空间分辨率所决定。进一步，由于管道通常埋于地底3米左右，为了避免或减少地上振动声信号或是其他形式的声学信号对器件的影响，本实施例中，该准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器的光纤将由抗腐蚀材料封装，固定于管道外壁。需要说明的是，该准分布式光纤传感器的总长度要与单根管道的长度一致，以保证监测的可靠性且可节省额外成本。

当管道发生泄漏，产生的声学信号将会影响光纤中弱反射点的瑞利散射，从而由OTDR解调出来的对应位置的弱反射点的反射峰峰值将会发生变化，从而精准定位泄漏点在该弱反射点2米范围内。在本实施例的其他实现方式中，也可以采用光频域反射技术（OFDR）或相位光时域反射技术（Phi-OTDR）来提高解调的分辨率。

相较于现有的技术，本实施例提供的准分布式光纤弱反射点阵列声波传感系统通过声波对光纤中瑞利散射的调制，便于直接通过OTDR解调定位出管道中发生泄漏的位置；由于光纤中加工有弱反射点，能有效提高光纤中瑞利散射的信噪比，同时，由于弱反射点具有2米空间分辨率的特性，便于直接定位到管道发生泄漏的位置。

请参阅图3，图3为本发明一实施方式的一种全自动化微纳加工准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器装置的结构示意图。

如图3所示，准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器的全自动化微纳加工装置包括微纳加工设备16、单片机17和光纤全自动化绕线机18。其中，微纳加工设备可以是飞秒激光微纳加工设备，也可以是其他的微纳加工设备，只需能够在光纤纤芯上加工出弱反射点即可。在本实施例中，所用到的微纳加工设备为飞秒激光微纳加工系统。光纤全自动绕线机设备通过单片机建立和飞秒激光微纳加工设备的通信，以此来实现光纤绕线机在匀速的缠绕光纤的过程中，飞秒激光微纳加工设备能周期性的进行弱反射点的加工，通过设置飞秒激光加工功率和绕线机绕线速度来实现不同反射率的弱反射点和不同空间分辨率的准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器。

特别地，本实施例中选用的微纳加工系统为飞秒激光微纳加工系统，为了避免加工弱反射点会给光纤引入额外的传输损耗，因此要求飞秒激光具有较低的重复频率，本实施例中飞秒激光选用的重复频率为1kHz，中心波长为800nm，且为了保证不引入额外传输损耗的同时保证弱反射点具有较高反射率，调节飞秒激光加工功率为150uW。通过该套设备能实现任意长度的准分布式光纤弱反射点阵列声波传感器的全自动化生产。

以上所述实施例的各技术特征可以进行组合。为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，其特征在于，包括弱反射点阵列光纤、传感光纤、解调模块、综合分析模块；

所述的弱反射点阵列光纤、传感光纤传感得到的信息通过解调模块解调后与综合分析模块相连，从而监控被测管道，定位泄漏点；

所述的弱反射点阵列光纤铺设于被测管道的内壁或者外壁，用于传感声波；

所述的传感光纤通过遇水膨胀材料铺设封装于被测管道的外壁，用于传感温度、湿度和振动；

所述解调模块包括温度解调子模块、湿度解调子模块、振动解调子模块、声波定位子模块和信号解调光开关；

所述的弱反射点阵列光纤与声波定位子模块相连；

所述的传感光纤与信号解调光开关相连，信号解调光开关用于分时切换温度解调子模块、湿度解调子模块、振动解调子模块；

所述湿度解调子模块，包括一台光时域反射仪；所述遇水膨胀材料将被测管道外的湿度信号转换成光纤应变信息，泄漏点附近的光纤应变后折射率变化，导致泄漏点瑞利散射增强，因此对应在光时域反射曲线产生突变的位置即为泄漏点的位置；通过接收到的瑞利散射光的时延判断探测点位置，通过散射光的强度反映探测点光纤应变；

所述温度解调子模块发出的光经过传感光纤携带温度信号返回至温度解调子模块中的信号接收器，最终通过接收到的拉曼散射光的时延判断探测点位置，通过反斯托克斯拉曼光的强度计算传感光纤沿线温度的变化；

所述振动解调子模块发出的光经过传感光纤携带振动信号返回至振动解调子模块中的信号接收器，最终通过解调由振动产生的相位差，通过分析相位差的频谱判断振动源的位置；

所述声波定位子模块包括一台光时域反射仪，弱反射点阵列光纤的光时域反射曲线是由一系列反射峰组成的周期性信号，每个反射峰对应一个弱反射点，泄漏时的声波使附近的弱反射点折射率变化，瑞利散射增强，即曲线中相应的反射峰升高，由此判断泄漏点的位置。

2.根据权利要求1所述的多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，其特征在于，所述的传感光纤为普通标准单模光纤，使用遇水膨胀材料进行封装。

3.根据权利要求1所述的多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，其特征在于，所述的遇水膨胀材料包括膨胀土防水毯、聚氨酯遇水膨胀胶或腻子型遇水膨胀止水条。

4.根据权利要求1所述的多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，其特征在于，所述的弱反射点阵列光纤是一种在光纤纤芯上加工有阵列式弱反射点的单模光纤，通过设计弱反射点阵列的周期来控制空间分辨率。

5.根据权利要求1所述的多参量多模态高精度管道泄漏监控与定位系统，其特征在于，所述的弱反射点阵列光纤为光纤纤芯和光纤包层组成的单模光纤，光纤纤芯上设有多个弱反射点组成的阵列，相邻弱反射点之间的间距固定且相等。