CN114088308B - 一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法 - Google Patents

Abstract

一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，先在弱光栅阵列传感光缆的内部间隔、等距离的依次设置多个振动传感器，振动传感器采用啁啾光栅制成，再将弱光栅阵列传感光缆沿平行于管道轴线方向铺设在待测管道上方，然后将弱光栅阵列传感光缆的尾端经光纤光栅解调仪与计算机进行信号连接，再在管道无泄漏情况下，获取每个振动传感器的时、频域信息进行记录，以组成数据库，然后将每个振动传感器的实时的时、频域信息与数据库中记录的时、频域信息进行信息比对，以进行泄漏判断，若判定振动传感器对应的监测点发生泄漏，则定位该振动传感器的具体位置，再进行排查检修。本设计不仅监测精度较高，而且实施难度也较易。

Description

一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法

技术领域

本发明涉及一种输运管道拾振检漏方法，属于管道泄漏检测技术领域，尤其一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法。

背景技术

管道运输是五大运输方式之一，用于液体和气体物资的长距离输送，主要包括运输石油、天然气等介质，对国家发展起着举足轻重的作用。因此，安全是管道运输的生命。管道泄漏是影响管道安全的主要因素，管道的腐蚀穿孔、突发性的自然灾害(如地震、滑坡、河流冲刷)以及人为破坏等都会造成管道泄漏乃至破裂，直接威胁到长输管道的安全运行。

近年来，管道泄漏的事故时有发生，严重影响企业正常生产运行，同时造成了巨大经济损失及资源浪费，仅长庆油田每年经济损失就高达数千万元。此外，管道泄漏容易引发火灾、爆炸等安全事故和重大环境污染事故。因此，解决管道泄漏检测以及定位问题已成为当前管道研究的热点问题。

现有用于管道泄漏检测技术基本上以分布式光纤振动传感技术为主。振动信号是由于管道泄漏引起的周围泄漏物质与管道泄漏处摩擦而产生的，通过对振动信号的有效分析可以判定管道是否发生泄漏，然而传统的分布式光纤振动传感技术基于瑞利反射检测原理，信噪比极低，很容易产生误报。为此，现有技术中也存在降低误报，提升精确度的处理方法，但都需要大量的管道泄漏数据作为训练样本，若样本数量不够，会导致测量结果准确性大大降低，容易引起误判，使得实际上不易实施。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的难以兼顾实施难度、监测精度的缺陷与问题，提供一种监测精度较高、实施难度也较易的基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，包括依次进行的传感光缆铺设工艺、数据库设置工艺、信号分析工艺；

所述传感光缆铺设工艺包括：先在弱光栅阵列传感光缆的内部间隔、等距离的依次设置多个振动传感器，该振动传感器采用啁啾光栅制成，再将弱光栅阵列传感光缆沿平行于管道轴线方向铺设在待测管道上方，然后将弱光栅阵列传感光缆的尾端与光纤光栅解调仪的一端进行信号连接，光纤光栅解调仪的另一端与计算机进行信号连接，并在计算机上连接有一个终端显示器；

所述数据库设置工艺包括：在管道无泄漏情况下，获取每个振动传感器的时、频域信息进行记录，以组成数据库；所述时、频域信息是指：

先获取振动传感器上预定时长的时域信号曲线f0(x)作为基准，再对该时域信号曲线进行傅里叶变换以得到频域信号曲线，该频域信号曲线上所显示的最高的频率分量为H0，该最高的频率分量所对应的横坐标，即频率，就为f0，然后根据时域信号曲线f0(x)计算时域幅度平均值Ma，以及f0(x)对应的频域信号包络线面积Sa，再根据Ma设置时域幅度阈值M0，根据H0设置频域幅度阈值H1，根据Sa设置面积阈值S0，此外，设置防盗挖振动频率范围阈值为(f1，f2)；

所述信号分析工艺包括：将每个振动传感器的实时的时、频域信息与数据库中记录的时、频域信息进行信息比对，以进行泄漏判断，若判定振动传感器对应的监测点发生泄漏，则定位该振动传感器的具体位置，再进行排查检修。

所述M0＝(1.1—1.3)*Ma，所述H1＝(1.1—1.3)*H0，所述S0＝(1.1—1.3)*Sa。

所述M0＝1.2*Ma，所述H1＝1.2*H0，所述S0＝1.2*Sa。

所述预定时长为5秒、10秒、20秒、30秒、40秒、60秒中的任意一种。

所述进行信息比对，以进行泄漏判断包括以下步骤：

步骤1：先根据振动传感器的时域信号曲线f0(x)，实时获取时域信号滑动平均值M，再判断M>M0，若是，则跳转至步骤2；若否，解除此处信号的可疑性；

步骤2：判断M>M0是否持续3秒以上，若是，则将该点列为疑似泄漏点，跳转至步骤3；若否，则将其列为偶然因素或交通因素的影响，解除此处信号的可疑性；

步骤3：先根据疑似点上振动传感器实时采集到的在预定时长内的数据绘制出时域信号曲线，再与数据库中相应振动传感器在预定时长内的时域信号曲线f0(x)进行自相关，以得到自相关系数R；

步骤4：判断|R|<设定值，该设定值为0.8-1，若是，则跳转至步骤5；若否，则跳转至步骤6；

步骤5：判断频域中是否f0、H0基本不变，f0和H0的变化幅度绝对值在0—0.1之间，且多出一系列在(f1，f2)范围之间的若干频率值，若是，则将其列为防盗挖因素造成的影响，通知相关人员排查检修；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤6：判断f0是否小于设定频率，若是，则跳转至步骤7；若否，则解除此处信号的可疑性；

步骤7：实时获取频域最大幅度值Hm；

步骤8：判断Hm<H1，若是，则跳转至步骤9；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤9：实时获取频域信号的包络线面积S；

步骤10：判断S<S0，若是，则解除此处信号的可疑性；若否，则判定该点发生泄漏。

所述步骤3中，所述进行自相关，以得到自相关系数R依据下述公式进行：

其中，x(t)代表的是时域信号曲线，t是横轴，表示时间，τ代表的是横轴上的自变量时间。

所述步骤4中，所述设定值取0.8。

所述步骤6中，所述设定频率为10Hz。

所述数据库设置工艺中，所述预定时长为5秒。

所述传感光缆铺设工艺中，所述等距离是指3米。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法中，先沿平行于管道轴线方向，在待测管道上方铺设弱光栅阵列传感光缆(其内部间隔、等距离的依次设置多个振动传感器，该振动传感器采用啁啾光栅制成)，再将弱光栅阵列传感光缆依次与光纤光栅解调仪、计算机进行信号连接，再在管道无泄漏情况下，获取每个振动传感器的时、频域信息进行记录，以组成数据库，随后在实际应用时，将每个振动传感器的实时的时、频域信息与数据库中记录的时、频域信息进行信息比对，以进行泄漏判断，比对的数据包括时域幅度阈值M0、频域幅度阈值H1、面积阈值S0，以及防盗挖振动频率范围阈值为(f1，f2)，由上可见，不仅避免采集大量的管道泄漏数据作为训练样本，降低了实施难度，而且在铺设时，也较为容易实现，进一步降低了实施难度，此外，在进行信息比对以进行泄漏判断时，不仅紧扣本振动传感器的特点，进行时、频域的多种判断，而且设置了多重判断步骤，步步递进，最大程度上提高判断步骤。因此，本发明不仅监测精度较高，而且实施难度也较易。

2、本发明一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法中，优选M0＝(1.1—1.3)*Ma，所述H1＝(1.1—1.3)*H0，所述S0＝(1.1—1.3)*Sa；进一步优选M0＝1.2*Ma，所述H1＝1.2*H0，所述S0＝1.2*Sa，其原因在于当管道发生泄漏时，时域曲线的幅度值、频域曲线的幅度值，以及频域曲线与X、Y轴的包络面积会发生一定幅度的上升，因而，特设一定的数值范围会更加合理、准确。因此，本发明的监测精度较高。

3、本发明一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法中，一根弱光栅阵列传感光缆的内部，间隔、等距离的依次设置多个振动传感器，在后续应用时，无论是数据库设置工艺中，还是信号分析工艺中，监测的对象都是所有振动传感器一起的时、频域信息，如果多点同时发生泄漏，则多点对应的传感器的异常信息都会同时上传至终端显示器，同时被监测到。因此，本发明能够实现多点高精度的监测。

附图说明

图1是本发明中感光缆铺设工艺对应的结构示意图。

图2是本发明中数据库设置工艺、信号分析工艺对应的逻辑流程图。

图中：振动传感器1、弱光栅阵列传感光缆2、光纤光栅解调仪3、计算机4、终端显示器5。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1与图2，一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，包括依次进行的传感光缆铺设工艺、数据库设置工艺、信号分析工艺；

所述传感光缆铺设工艺包括：先在弱光栅阵列传感光缆2的内部间隔、等距离的依次设置多个振动传感器1，该振动传感器1采用啁啾光栅制成，再将弱光栅阵列传感光缆2沿平行于管道轴线方向铺设在待测管道上方，然后将弱光栅阵列传感光缆2的尾端与光纤光栅解调仪3的一端进行信号连接，光纤光栅解调仪3的另一端与计算机4进行信号连接，并在计算机4上连接有一个终端显示器5；

所述数据库设置工艺包括：在管道无泄漏情况下，获取每个振动传感器1的时、频域信息进行记录，以组成数据库；所述时、频域信息是指：

先获取振动传感器1上预定时长的时域信号曲线f0(x)作为基准，再对该时域信号曲线进行傅里叶变换以得到频域信号曲线，该频域信号曲线上所显示的最高的频率分量为H0，该最高的频率分量所对应的横坐标，即频率，就为f0，然后根据时域信号曲线f0(x)计算时域幅度平均值Ma，以及f0(x)对应的频域信号包络线面积Sa，再根据Ma设置时域幅度阈值M0，根据H0设置频域幅度阈值H1，根据Sa设置面积阈值S0，此外，设置防盗挖振动频率范围阈值为(f1，f2)；

所述信号分析工艺包括：将每个振动传感器1的实时的时、频域信息与数据库中记录的时、频域信息进行信息比对，以进行泄漏判断，若判定振动传感器1对应的监测点发生泄漏，则定位该振动传感器1的具体位置，再进行排查检修。

所述M0＝(1.1—1.3)*Ma，所述H1＝(1.1—1.3)*H0，所述S0＝(1.1—1.3)*Sa。

所述M0＝1.2*Ma，所述H1＝1.2*H0，所述S0＝1.2*Sa。

所述预定时长为5秒、10秒、20秒、30秒、40秒、60秒中的任意一种。

所述进行信息比对，以进行泄漏判断包括以下步骤：

步骤1：先根据振动传感器1的时域信号曲线f0(x)，实时获取时域信号滑动平均值M，再判断M>M0，若是，则跳转至步骤2；若否，解除此处信号的可疑性；

步骤2：判断M>M0是否持续3秒以上，若是，则将该点列为疑似泄漏点，跳转至步骤3；若否，则将其列为偶然因素或交通因素的影响，解除此处信号的可疑性；

步骤3：先根据疑似点上振动传感器1实时采集到的在预定时长内的数据绘制出时域信号曲线，再与数据库中相应振动传感器1在预定时长内的时域信号曲线f0(x)进行自相关，以得到自相关系数R；

步骤4：判断|R|<设定值，该设定值为0.8-1，若是，则跳转至步骤5；若否，则跳转至步骤6；

步骤5：判断频域中是否f0、H0基本不变，f0和H0的变化幅度绝对值在0—0.1之间，且多出一系列在(f1，f2)范围之间的若干频率值，若是，则将其列为防盗挖因素造成的影响，通知相关人员排查检修；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤6：判断f0是否小于设定频率，若是，则跳转至步骤7；若否，则解除此处信号的可疑性；

步骤7：实时获取频域最大幅度值Hm；

步骤8：判断Hm<H1，若是，则跳转至步骤9；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤9：实时获取频域信号的包络线面积S；

步骤10：判断S<S0，若是，则解除此处信号的可疑性；若否，则判定该点发生泄漏。

所述步骤3中，所述进行自相关，以得到自相关系数R依据下述公式进行：

其中，x(t)代表的是时域信号曲线，t是横轴，表示时间，τ代表的是横轴上的自变量时间。

所述步骤4中，所述设定值取0.8。

所述步骤6中，所述设定频率为10Hz。

所述数据库设置工艺中，所述预定时长为5秒。

所述传感光缆铺设工艺中，所述等距离是指3米。

本发明的原理说明如下：

本发明中各个零部件的作用如下：

光纤光栅解调仪3：对采集到的振动传感器1的实时信息进行解调得到对应的振动信号。

计算机4：通过网线与光纤光栅解调仪3相连，将从解调仪3上采集到的振动信号分析处理得到每个振动传感器1的时频域信息。

终端显示器5：与计算机4连接，实时显示经计算机4处理后的所有振动传感器1的时频域信息，并实时显示报警信息。

本发明中设置防盗挖振动频率范围阈值为(f1，f2)：防盗挖事件发生时，会产生一定范围内的频率值，这些频率一般与固有频率有一定差异，通过这些频率值可以设定一个范围，为此，本发明根据管道固有频率以及防盗挖事件的振动频率，设置系统频率范围阈值(f1，f2)，其中，f1略小于防盗挖事件产生的频率最小值，f2略大于防盗挖事件产生的频率最大值。

本发明中预定时长为5秒、10秒、20秒、30秒、40秒、60秒中任意一种，优选为5秒。

本发明中的“判断频域中是否f0、H0基本不变……若否，则判定该点发生泄漏”中：“若否”是指f0、H0基本不变。

本发明中限定等距离是3米的原因在于：本发明中振动传感器1的解调精度最大为3米，该传感器可以测量3米范围内的振动信息。

本发明中的振动传感器1采用啁啾光栅制成，其原因在于：啁啾光栅带宽较宽，能够保证两个光栅反射回来的光更好地形成干涉，具有较强的环境抗干扰性。

实施例1：

参见图1与图2，一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，包括依次进行的传感光缆铺设工艺、数据库设置工艺、信号分析工艺；

所述传感光缆铺设工艺包括：先在弱光栅阵列传感光缆2的内部间隔、等距离的依次设置多个振动传感器1，该振动传感器1采用啁啾光栅制成，再将弱光栅阵列传感光缆2沿平行于管道轴线方向铺设在待测管道上方，然后将弱光栅阵列传感光缆2的尾端与光纤光栅解调仪3的一端进行信号连接，光纤光栅解调仪3的另一端与计算机4进行信号连接，并在计算机4上连接有一个终端显示器5；

所述数据库设置工艺包括：在管道无泄漏情况下，获取每个振动传感器1的时、频域信息进行记录，以组成数据库；所述时、频域信息是指：

先获取振动传感器1上预定时长的时域信号曲线f0(x)作为基准，再对该时域信号曲线进行傅里叶变换以得到频域信号曲线，该频域信号曲线上所显示的最高的频率分量为H0，该最高的频率分量所对应的横坐标，即频率，就为f0，然后根据时域信号曲线f0(x)计算时域幅度平均值Ma，以及f0(x)对应的频域信号包络线面积Sa，再根据Ma设置时域幅度阈值M0，根据H0设置频域幅度阈值H1，根据Sa设置面积阈值S0，此外，设置防盗挖振动频率范围阈值为(f1，f2)；

所述信号分析工艺包括：将每个振动传感器1的实时的时、频域信息与数据库中记录的时、频域信息进行信息比对，以进行泄漏判断，若判定振动传感器1对应的监测点发生泄漏，则定位该振动传感器1的具体位置，再进行排查检修。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

优选M0＝(1.1—1.3)*Ma，所述H1＝(1.1—1.3)*H0，所述S0＝(1.1—1.3)*Sa。进一步优选M0＝1.2*Ma，所述H1＝1.2*H0，所述S0＝1.2*Sa。

实施例3：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

优选预定时长为5秒、10秒、20秒、30秒、40秒、60秒中的任意一种。

实施例4：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述进行信息比对，以进行泄漏判断包括以下步骤：

步骤1：先根据振动传感器1的时域信号曲线f0(x)，实时获取时域信号滑动平均值M，再判断M>M0，若是，则跳转至步骤2；若否，解除此处信号的可疑性；

步骤2：判断M>M0是否持续3秒以上，若是，则将该点列为疑似泄漏点，跳转至步骤3；若否，则将其列为偶然因素或交通因素的影响，解除此处信号的可疑性；

步骤3：先根据疑似点上振动传感器1实时采集到的在预定时长内的数据绘制出时域信号曲线，再与数据库中相应振动传感器1在预定时长内的时域信号曲线f0(x)进行自相关，以得到自相关系数R；

步骤4：判断|R|<设定值，该设定值为0.8-1，若是，则跳转至步骤5；若否，则跳转至步骤6；

步骤5：判断频域中是否f0、H0基本不变，f0和H0的变化幅度绝对值在0—0.1之间，且多出一系列在(f1，f2)范围之间的若干频率值，若是，则将其列为防盗挖因素造成的影响，通知相关人员排查检修；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤6：判断f0是否小于设定频率(优选为10Hz)，若是，则跳转至步骤7；若否，则解除此处信号的可疑性；

步骤7：实时获取频域最大幅度值Hm；

步骤8：判断Hm<H1，若是，则跳转至步骤9；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤9：实时获取频域信号的包络线面积S；

步骤10：判断S<S0，若是，则解除此处信号的可疑性；若否，则判定该点发生泄漏。

实施例5：

基本内容同实施例4，不同之处在于：

所述步骤4中，所述设定值取0.8。

实施例6：

基本内容同实施例4，不同之处在于：

所述数据库设置工艺中，所述预定时长为5秒。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述输运管道拾振检漏方法包括依次进行的传感光缆铺设工艺、数据库设置工艺、信号分析工艺；

所述传感光缆铺设工艺包括：先在弱光栅阵列传感光缆（2）的内部间隔、等距离的依次设置多个振动传感器（1），该振动传感器（1）采用啁啾光栅制成，再将弱光栅阵列传感光缆（2）沿平行于管道轴线方向铺设在待测管道上方，然后将弱光栅阵列传感光缆（2）的尾端与光纤光栅解调仪（3）的一端进行信号连接，光纤光栅解调仪（3）的另一端与计算机（4）进行信号连接，并在计算机（4）上连接有一个终端显示器（5）；

所述数据库设置工艺包括：在管道无泄漏情况下，获取每个振动传感器（1）的时、频域信息进行记录，以组成数据库；所述时、频域信息是指：

先获取振动传感器（1）上预定时长的时域信号曲线f0(x)作为基准，再对该时域信号曲线进行傅里叶变换以得到频域信号曲线，该频域信号曲线上所显示的最高的频率分量为H0，该最高的频率分量所对应的横坐标，即频率，就为f0，然后根据时域信号曲线f0(x)计算时域幅度平均值Ma，以及f0(x)对应的频域信号包络线面积Sa，再根据Ma设置时域幅度阈值M0，根据H0设置频域幅度阈值H1，根据Sa设置面积阈值S0，此外，设置防盗挖振动频率范围阈值为（f1，f2）；

所述信号分析工艺包括：将每个振动传感器（1）的实时的时、频域信息与数据库中记录的时、频域信息进行信息比对，以进行泄漏判断，若判定振动传感器（1）对应的监测点发生泄漏，则定位该振动传感器（1）的具体位置，再进行排查检修；

所述进行信息比对，以进行泄漏判断包括以下步骤：

步骤1：先根据振动传感器（1）的时域信号曲线f0(x)，实时获取时域信号滑动平均值M，再判断M>M0，若是，则跳转至步骤2；若否，解除此处信号的可疑性；

步骤2：判断M>M0是否持续3秒以上，若是，则将该点列为疑似泄漏点，跳转至步骤3；若否，则将其列为偶然因素或交通因素的影响，解除此处信号的可疑性；

步骤3：先根据疑似点上振动传感器（1）实时采集到的在预定时长内的数据绘制出时域信号曲线，再与数据库中相应振动传感器（1）在预定时长内的时域信号曲线f0(x)进行自相关，以得到自相关系数R；

步骤4：判断|R|<设定值，该设定值为0.8-1，若是，则跳转至步骤5；若否，则跳转至步骤6；

步骤5：判断频域中是否f0、H0基本不变，f0和H0的变化幅度绝对值在0—0.1之间，且多出一系列在(f1，f2)范围之间的若干频率值，若是，则将其列为防盗挖因素造成的影响，通知相关人员排查检修；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤6：判断f0是否小于设定频率，若是，则跳转至步骤7；若否，则解除此处信号的可疑性；

步骤7：实时获取频域最大幅度值Hm；

步骤8：判断Hm<H1，若是，则跳转至步骤9；若否，则判定该点发生泄漏；

步骤9：实时获取频域信号的包络线面积S；

步骤10：判断S<S0，若是，则解除此处信号的可疑性；若否，则判定该点发生泄漏。

2.根据权利要求1所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：

所述M0=（1.1—1.3）*Ma，所述H1=（1.1—1.3）*H0，所述S0=（1.1—1.3）*Sa。

3.根据权利要求2所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：

所述M0=1.2*Ma，所述H1=1.2*H0，所述S0=1.2*Sa。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述预定时长为5秒、10秒、20秒、30秒、40秒、60秒中的任意一种。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述步骤3中，所述进行自相关，以得到自相关系数R依据下述公式进行：

，

其中，x(t)代表的是时域信号曲线，t是横轴，表示时间，

代表的是横轴上的自变量时间。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述步骤4中，所述设定值取0.8。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述步骤6中，所述设定频率为10 Hz。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述数据库设置工艺中，所述预定时长为5秒。

9.根据权利要求1、2或3所述的一种基于低反射啁啾光栅阵列的输运管道拾振检漏方法，其特征在于：所述传感光缆铺设工艺中，所述等距离是指3米。

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