CN114234056A - 一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法，包括管理模块、光传感模块、信号处理模块、监控模块以及预警网络终端，其中，光传感模块包括：激光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器、带通滤波器、空分复用模块以及拉曼放大模块；其中，激光源与第一光纤耦合器连接；第一光纤耦合器与声光调制器连接；声光调制器与光纤放大器连接；光纤放大器与带通滤波器连接；带通滤波器与空分复用模块连接；空分复用模块与拉曼放大模块连接。本发明提供的一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法，采用空分复用技术和双端一阶拉曼放大技术，在保证长距离传输、实时监测的条件下，提高信噪比、降低误报率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法。
背景技术
目前经济的高速发展使得社会对水油气等能源资源的需求急剧增长，管道运输由于高效、经济、可适应性强的特点而成为重要的水、油、气能源运输方式。输水管道一旦遭到恶意挖掘、打孔或者地质灾害所致管道破裂损坏等入侵事件，将会被破坏甚至导致环境污染和经济损失。为了维护管道沿线安全，防止人为破坏或环境破坏，需要对水管管道工作状态进行实时在线监测，并对具有威胁性的入侵事件进行及时、准确地预先报警。因此，管道安全监测技术对维护管道运输具有重要作用，且具有社会和经济意义。
基于相位敏感光时域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纤传感系统具有结构简单、检测距离长、可同时对多个扰动进行定位、分辨率高、定位精度准确等优点，应用在供水管道泄漏监测上可以实时检测和定位泄露位置，且对管道不会产生任何破坏或影响其正常运行。分布式光纤声传感(distributed acoustic sensing,DAS)基于Φ-OTDR技术，通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式声音或振动等信号的检测，不仅可以利用相位、幅值大小提供声音或振动事件强度信息，还利用线性定量测量值来实现对声音时间相位和频率信息的获取。
但目前分布式光纤声传感系统对于声音等极微弱的振动信号反应不灵敏，再加上输水管道传送距离长，管道网络交错纵横，又因为穿过城市，管道周边的噪声复杂多样，依照现在的DAS系统，长距离、高信噪比、高准确率的实时在线监测很难完美实现，这是如今亟需改善和优化的地方。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法，用以解决现有技术中长距离管道监测中信噪比、准确率低的问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，包括管理模块、光传感模块、信号处理模块、监控模块以及预警网络终端，光传感模块包括：激光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器、带通滤波器、空分复用模块以及拉曼放大模块；
其中，激光源与第一光纤耦合器连接；第一光纤耦合器与声光调制器连接；声光调制器与光纤放大器连接；光纤放大器与带通滤波器连接；带通滤波器与空分复用模块连接；空分复用模块与拉曼放大模块连接。
优选的，空分复用模块包括：第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、光纤环形器、光子灯笼以及双平衡光电探测器；
其中，第二光纤耦合器与带通滤波器以及光纤环形器连接；光纤环形器还与光子灯笼以及第四光纤耦合器连接；第四光纤耦合器与第三光纤耦合器以及双平衡光电探测器连接；第三光纤耦合器还与第一光纤耦合器连接。
优选的，拉曼放大模块包括：第一波分复用器、第二波分复用器以及传感光纤；
其中，第一波分复用器与传感光纤一端以及光子灯笼连接；传感光纤另一端与第二波分复用器连接。
优选的，光纤放大器为掺铒光纤放大器。
优选的，光纤环形器用于在单根光纤上进行双向光信号传输，光纤环形器具有三个端口，其中，第一端口作为输入端口，第三端口作为输出端口，第二端口既能作为输入端口又能作为输出端口。
优选的，信号处理模块与双平衡光电探测器电连接，信号处理模块用于接收检测的电信号，并对电信号进行处理与分析。
优选的，监控模块与信号处理模块电连接，用于接收信号处理模块处理后的电信号，与样本库进行对比，当发现管道出现泄漏时，发出预警信号。
优选的，管理模块与激光源以及监控模块连接，用于控制激光源进行监测，并发送样本库信息给监控模块。
优选的，预警网络终端与监控模块连接，用于接收预警信号，并根据预警信号发出报警，显示管道泄漏位置。
第二方面，本发明还提供了一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测方法，采用如上述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测装置，执行下列步骤：
第一光纤耦合器将激光源的光信号分为本振光和探测光；
探测光经过声光调制器、光纤放大器以及带通滤波器后进入空分复用模块进行管道泄漏检测，再通过拉曼放大模块得到后向瑞利散射光；
本振光进入空分复用模块，与后向瑞利散射光耦合，得到检测光；
检测光通过双平衡光电探测器转换为电信号；
监控模块根据电信号判断管道的封闭性。
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法，将光源分成探测光和本振光，通过探测光监测管道的密闭性，然后将其放大，再与本振光进行耦合，判断管道的泄漏情况以及位置，并发出警报，在保证长距离传输、实时监测的条件下，提高了信噪比、降低了误报率，整个系统性能得到了改善、变得更加简单可靠，能够很好地适用于管道泄漏的监测。
附图说明
图1为本发明提供的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统的一实施例的系统框架图；
图2为本发明提供的光传感模块的一实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的分布式光纤声波传感管道泄漏监测方法的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明提供了一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法，以下分别进行说明。
请参阅图1，图2，图1为本发明提供的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统的一实施例的系统框架图，图2为本发明提供的光传感模块的一实施例的结构示意图。本发明的一个具体实施例，公开了一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，包括管理模块100、光传感模块200、信号处理模块300、监控模块400以及预警网络终端500，光传感模块200包括：激光源210、第一光纤耦合器220、声光调制器230、光纤放大器240、带通滤波器250、空分复用模块260以及拉曼放大模块270；
其中，激光源与第一光纤耦合器连接；第一光纤耦合器与声光调制器连接；声光调制器与光纤放大器连接；光纤放大器与带通滤波器连接；带通滤波器与空分复用模块连接；空分复用模块与拉曼放大模块连接。
在上述实施例中，激光源提供初始光源，第一光纤耦合器将初始光源分成探测光和本振光，探测光经过声光调制器、光纤放大器、带通滤波器之后再进入分复用模块以及拉曼放大模块对管道的密闭性进行检测，然后再与本振光进行耦合。通过对比耦合后的光信号以及样本库可以判断管道的密闭性，从而实现对管道泄漏的检测。
与现有技术相比，本实施例提供的一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统与方法，将光源分成探测光和本振光，通过探测光监测管道的密闭性，然后将其放大，再与本振光进行耦合，判断管道的泄漏情况以及位置，并发出警报，在保证长距离传输、实时监测的条件下，提高了信噪比、降低了误报率，整个系统性能得到了改善、变得更加简单可靠，能够很好地适用于管道泄漏的监测。
在本发明的一些实施例中，空分复用模块包括：第二光纤耦合器261、第三光纤耦合器262、第四光纤耦合器263、光纤环形器264、光子灯笼265以及双平衡光电探测器266；
其中，第二光纤耦合器与带通滤波器以及光纤环形器连接；光纤环形器还与光子灯笼以及第四光纤耦合器连接；第四光纤耦合器与第三光纤耦合器以及双平衡光电探测器连接；第三光纤耦合器还与第一光纤耦合器连接。
在上述实施例中，在少模光纤中使用空间复用模式的多个探头可以显著降低光纤长度和时间尺度上的衰落概率，提高Φ-OTDR的衰落抑制性能，并且能够依据需求复用和解复用不同的空间模式，便于操作，避免了复杂的频率或相位调制。
需要说明的是，第二光纤耦合器分为多个通路(可依据实际情况设定，以便于支持使用多种空间模式)，本公开实施例选择LP01、LP11a和LP11b模式的三模光纤耦合器。可以理解的是，第三光纤耦合器应该与第二光纤耦合器的通路数量对应，本实施例中第三光纤耦合器也采用LP01、LP11a和LP11b模式的三模光纤耦合器。在实际使用过程中还可以将光束分为多路，本实施例以三路进行说明。
在本发明的一些实施例中，拉曼放大模块包括：第一波分复用器271、第二波分复用器272以及传感光纤273；
其中，第一波分复用器与传感光纤一端以及光子灯笼连接；传感光纤另一端与第二波分复用器连接。
在上述实施例中，通过拉曼放大模块可以稳定准确解调外界信号，能够有效避免信号光噪声大导致的信噪比等系统性能降低的问题。光子灯笼提供单分量多路复用器/多路解复用器，用于使用少模光纤(FMF)进行模式分割多路复用。
需要说明的是，本实施例将空分复用技术和拉曼放大技术结合起来应用于管道泄漏监测的DAS系统，弥补了DAS系统对声音等极微弱振动信号反应不灵敏的缺陷。
在本发明的一些实施例中，光纤放大器为掺铒光纤放大器。
在上述实施例中，光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大，具体掺杂的稀土元素有多种，例如掺镨光纤放大器、掺铌光纤放大器，本方案选用常用的掺铒光纤放大器。
在本发明的一些实施例中，光纤环形器用于在单根光纤上进行双向光信号传输，光纤环形器具有三个端口，其中，第一端口作为输入端口，第三端口作为输出端口，第二端口既能作为输入端口又能作为输出端口。
在上述实施例中，光纤环形器是一种使电磁波单向环形传输的器件，具有多端口，本实施例采用的光纤环形器的第一、第二、第三端口分别为a、b、c端口，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，a端口连接第二光纤耦合器，b端口连接光子灯笼，c端口连接第四光纤耦合器。
在本发明的一些实施例中，信号处理模块与双平衡光电探测器电连接，信号处理模块用于接收检测的电信号，并对电信号进行处理与分析。
在上述实施例中，信号处理模块接收双平衡光电探测器将检测光转换为的电信号，将电信号进行降噪处理，并进行合理分析，可以做到准确识别扰动信号特征，对扰动信号产生位置进行精确定位。
在本发明的一些实施例中，监控模块与信号处理模块电连接，用于接收信号处理模块处理后的电信号，与样本库进行对比，当发现管道出现泄漏时，发出预警信号。
在上述实施例中，监控模块还接收管理模块发送的实时状态数据，并将实时状态信息和预警信号发送给预警网络终端，实现对管道泄漏情况的监测。
在本发明的一些实施例中，管理模块与激光源以及监控模块连接，用于控制激光源进行监测，并发送样本库信息给监控模块。
在上述实施例中，管理模块还负责协调和控制其他各模块的工作，管理模块控制光传感模块进行管道监测，并协同其他模块对监测的信号进行处理分析，判断管道是否发生泄漏。
在本发明的一些实施例中，预警网络终端与监控模块连接，用于接收预警信号，并根据预警信号发出报警，显示管道泄漏位置。
在上述实施例中，预警网络终端会对报警信号迅速做出反应，并发出报警，相关工作人员根据预警信号进行处理，以防止管道泄漏造成的危害。
请参阅图3，图3为本发明提供的分布式光纤声波传感管道泄漏监测方法的一实施例的流程示意图，本发明同时还提供了一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测方法，采用如上述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测装置，执行下列步骤：
S301、第一光纤耦合器将激光源的光信号分为本振光和探测光；
S302、探测光经过声光调制器、光纤放大器以及带通滤波器后进入空分复用模块进行管道泄漏检测，再通过拉曼放大模块得到后向瑞利散射光；
S303、本振光进入空分复用模块，与后向瑞利散射光耦合，得到检测光；
S304、检测光通过双平衡光电探测器转换为电信号；
S305、监控模块根据电信号判断管道的封闭性。
在步骤S301中，激光源发出激光进行检测，经过第一光纤耦合器被分成了本振光和探测光，探测光用于对管道进行检测，之后与本振光对比判断检测结果。
在步骤S302中，探测光经过声光调制器加强激光束的强度，再经过光纤放大器进行放大，再由带通滤波器进行筛选，然后通过空分复用模块分成多路光束对不同的管道进行探索，探索后的探测光再由拉曼放大模块得到后向瑞利散射光。
在步骤S303中，本振光进入空分复用模块后同样被分成了多路光束，与探测光分成的数量相同，便于与进行管道监测返回后的后向瑞利散射光进行对比。
在步骤S304中，直接分析光信号难以判断出管道的泄漏情况，通过双平衡光电探测器可以将光信号转换成电信号，从而便于了解管道的密闭性。
在步骤S305中，监控模块接收由信号处理模块处理后的电信号，并与样本库中的信号进行分析，实现了对管道的密闭性进行监控。
在上述实施例中，管理模块发出指令，控制光传感模块发出激光对管道进行监测，然后由信号处理模块对信号进行处理，再通过监控模块进行分析发出预警信号，最后由预警网络终端对管道泄漏作出反应，实现了既保证了长距离传输、信号放大、信噪比提高的要求，又提升了实时监测的快速性、准确性，降低了误报率，提高了定位精度，让整个DAS系统变得高效、可靠，性能大幅度提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，包括管理模块、光传感模块、信号处理模块、监控模块以及预警网络终端，所述光传感模块包括：激光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器、带通滤波器、空分复用模块以及拉曼放大模块；
其中，所述激光源与所述第一光纤耦合器连接；所述第一光纤耦合器与所述声光调制器连接；所述声光调制器与所述光纤放大器连接；所述光纤放大器与所述带通滤波器连接；所述带通滤波器与所述空分复用模块连接；所述空分复用模块与所述拉曼放大模块连接。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述空分复用模块包括：第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、光纤环形器、光子灯笼以及双平衡光电探测器；
其中，所述第二光纤耦合器与所述带通滤波器以及所述光纤环形器连接；所述光纤环形器还与所述光子灯笼以及所述第四光纤耦合器连接；所述第四光纤耦合器与所述第三光纤耦合器以及所述双平衡光电探测器连接；所述第三光纤耦合器还与所述第一光纤耦合器连接。
3.根据权利要求2所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述拉曼放大模块包括：第一波分复用器、第二波分复用器以及传感光纤；
其中，所述第一波分复用器与所述传感光纤一端以及所述光子灯笼连接；所述传感光纤另一端与所述第二波分复用器连接。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。
5.根据权利要求3所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述光纤环形器用于在单根光纤上进行双向光信号传输，所述光纤环形器具有三个端口，其中，第一端口作为输入端口，第三端口作为输出端口，第二端口既能作为输入端口又能作为输出端口。
6.根据权利要求2所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述信号处理模块与所述双平衡光电探测器电连接，所述信号处理模块用于接收检测的电信号，并对所述电信号进行处理与分析。
7.根据权利要求6所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述监控模块与所述信号处理模块电连接，用于接收所述信号处理模块处理后的电信号，与样本库进行对比，当发现管道出现泄漏时，发出预警信号。
8.根据权利要求7所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述管理模块与所述激光源以及所述监控模块连接，用于控制激光源进行监测，并发送样本库信息给所述监控模块。
9.根据权利要求7所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测系统，其特征在于，所述预警网络终端与所述监控模块连接，用于接收所述预警信号，并根据所述预警信号发出报警，显示管道泄漏位置。
10.一种分布式光纤声波传感管道泄漏监测方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的分布式光纤声波传感管道泄漏监测装置，执行下列步骤：
所述第一光纤耦合器将所述激光源的光信号分为本振光和探测光；
所述探测光经过所述声光调制器、光纤放大器以及带通滤波器后进入所述空分复用模块进行管道泄漏检测，再通过所述拉曼放大模块得到后向瑞利散射光；
所述本振光进入所述空分复用模块，与所述后向瑞利散射光耦合，得到检测光；
所述检测光通过所述双平衡光电探测器转换为电信号；
所述监控模块根据所述电信号判断管道的封闭性。
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