CN1164886C - 基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法。在油气管线附近与油气管线并行铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测；在光纤的两端，也就是油气管线的输入端和输出端，各设置一套光功率检测模块，并和计算机连接，利用计算机对数据进行分析和融合，获得管线周围的压力变化和振动信号的特征，当管线中的油气发生泄漏或在管线附近有机械施工和人为破坏等事件发生时，产生的应力或冲击力将改变光纤的特性和损耗，通过对光纤背向散射光功率和光纤输出光功率的测量，对损耗大小和频谱的分析，发现并准确定位油气管线泄漏和外部可能对管线造成破坏的事件，提高油气管线的监测水平。
Description
一、所属技术领域
本发明属于信号检测和分析技术领域，涉及一种在线监测方法，特别涉及一种基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法。
二、背景技术
目前，用于油气管线泄漏的监测方法很多，主要是通过对输入端和输出端的流量、压力等参数的检测来判断油气管线是否发生泄漏及其位置。比如当油气管道发生泄漏时，由于管道内外的压力差，泄漏部位的压力迅速下降，会产生一个分别向上下游传播的瞬态负压波，根据负压波的传播速度和到达两端的时间差来确定泄漏的位置，根据两端的流量计来确定泄漏量。由于瞬态负压波传播的损耗特别大，传播距离有限，加上压力传感器和流量计本身的灵敏度有限，这种方法只适合于类似管道破裂等大量泄漏的情形，而且存在定位精度低，不能预报泄漏隐患的缺点。正因如此，出现了在油气管线上打孔盗窃油气的现象，由于盗窃的量小，时间长，即使在管线的两端使用高灵敏度的压力传感器和流量计也不能有效监测到的难题。
三、发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提出一种基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术思路是，在油气管线铺设时，在管线附近与管线并行铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，拾取管线周围的压力和振动信号。光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射和菲涅尔反射会出现背向散射光和能量损耗，通过对背向散射光和光纤输出光功率的大小和频谱的测量，获得光纤上各点损耗的特征。当管线中的油气发生泄漏或在管线附近有机械施工和人为破坏时，产生的应力或冲击力将改变光纤的特性和损耗。在光脉冲的输入端，通过对光纤背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位功能；沿光纤向前传播的光脉冲在光纤的另一端输出，通过对输出光功率的测量，完成光纤总损耗动态变化的测量和故障类型判断的功能。由于油气管线发生泄漏、管线附近的机械施工和人为破坏等事件使光纤产生的损耗具有不同的频谱特征，通过对数据进行分析和融合，迅速判断并准确定位油气泄漏等事件的发生。
本发明采用的技术方案是：基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在油气管线附近与油气管线并行铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测；
2)在光纤的两端，也就是油气管线的输入端和输出端，设置一背向散射光检测模块和一光纤输出光功率检测模块；
在光纤一端的光脉冲输入端，设置光脉冲发生器和光纤耦合器，光纤上各点因瑞利散射或菲涅尔反射而产生的背向散射光沿光纤返回到输入端，背向散射光检测模块通过对背向散射光的测量，完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位；沿光纤向前传播的光脉冲在光纤的另一端输出，光纤输出光功率检测模块通过对光纤输出光功率的测量，完成光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型的判定；
3)通过对背向散射光和光纤输出光功率的测量，获得光纤上各点损耗的特征；利用计算机对数据进行分析和融合，获得管线周围的压力变化和振动信号的特征，判断并准确定位油气管线泄漏等事件的发生。
本发明的其他一些特点是，所述背向散射光检测模块和光纤输出光功率检测模块可以集成在一个系统中，也可以是分离的，通过数据通信网络相连。
所述光纤要对压力变化和振动信号敏感，可以是单模光纤，也可以是多模光纤；光纤既可以作为传感器使用，也可以作为数据通信链路使用，用于背向散射光检测模块和光纤输出光功率检测模块与计算机之间的数据通信，也可以作为油气管线其它控制设备之间的数据通信链路使用。
所述背向散射光检测模块包括光功率探测、放大、低通滤波、信号采集和数字信号处理等单元；
所述输出光功率检测模块同样包括光功率探测、放大、低通滤波、信号采集和数字信号处理等单元；
光脉冲发生器发出的具有一定宽度和功率的光脉冲经光纤耦合器注入光纤，在光纤中传输，光纤上各点的背向散射光返回到输入端，经光纤耦合器到背向散射光检测模块的光功率探测器，转换成电信号，经放大、滤波、模数转换和数字信号处理后，结果送给计算机数据分析系统；同时，光脉冲继续向前传播，在光纤的另一端输出到输出光功率检测模块的光功率探测器，转换成电信号，经放大、滤波、模数转换和数字信号处理后，结果也送给计算机；计算机数据分析系统通过对两路信号进行数据分析和融合，获得光纤上各点损耗的静态和动态分布特征。
所述光纤两端的检测模块可以同时工作，也可以独立工作。背向散射光检测模块主要完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位功能；光纤输出光功率检测模块主要完成光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型判定的功能。对光纤上动态损耗的测量，背向散射光检测模块和光纤输出光功率检测模块的灵敏度达到0.01dB。
所述激光脉冲发生器可以是激光二极管。
所述背向散射光检测模块可以是一台OTDR(Optical Time DomainReflectmeter)，利用OTDR提供的通信接口GPIB、RS232或OTDR上提供的网络接口与计算机通信；也可以使用OTDR卡直接安装在计算机中。OTDR的工作状态受计算机控制。
所述背向散射光检测模块中的数据采集和数字信号处理单元具有中央处理单元，它可以和计算机进行通信，从计算机接收指令，受计算机控制，将数据和工作状态传送给计算机。
所述光纤可以是一直向前的，也可以是折回的；当折回时，去和回来的光纤可以在同一物理地点感应到同一信号，但它们在光纤上的位置是不同的，信号到达光纤输出检测模块的时间也不相同，后边的信号和前边的信号具有相同的频谱，但强度是两次作用叠加的结果。
所述激光脉冲发生器产生的光脉冲的宽度、能量和频率是可控的，光纤输出光功率检测模块的采样触发信号可以是光脉冲，也可以是计算机设定的采样频率。
本发明通过对背向散射光功率的测量来获得光纤上各点损耗的动态变化和完成损耗的定位功能，同时在光纤的输出端检测光功率的变化获得损耗的频谱特征，由于油气管线发生泄漏、管线附近的机械施工和人为破坏等事件使光纤产生的损耗具有不同的特征，通过对数据进行分析和融合，迅速判断并准确定位油气泄漏等事件的发生。当信号具有某种特征时，还可以启动报警装置。
四、附图说明
图1是本发明的第一实施例的系统框图；
图2是本发明的第二实施例的系统框图；
图3是本发明的光功率检测的电路原理图。
五、具体实施方式
下面结合附图和发明人依技术方案所完成的实施例，对本发明的原理作进一步的详细描述，本发明不限于这些实施例。
本发明的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，包括以下步骤：
1)在油气管线附近与油气管线并行铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测；
2)在光纤的两端，也就是油气管线的输入端和输出端，设置一背向散射光检测模块3和一光纤输出光功率检测模块4；
在光纤的一端，即光脉冲的输入端，设置光脉冲发生器1和光纤耦合器2，光纤上各点因瑞利散射或菲涅尔反射而产生的背向散射光沿光纤返回到输入端，通过对光纤背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位功能；沿光纤向前传播的光脉冲在光纤的另一端输出，通过对输出光功率的测量，完成光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型判定；
3)通过对背向散射光和光纤输出光功率的大小和频谱的测量，获得光纤上各点损耗的特征；并和计算机连接，利用计算机对数据进行分析和融合，获得管线周围的压力变化和振动信号的特征，判断并准确定位油气管线泄漏等事件的发生。
本发明的分布式光纤传感器，主要包括激光脉冲发生器、光纤耦合器、传感光纤、光功率探测器、信号放大器、低通滤波器、模数转换和数字信号处理、数据分析和融合、泄漏的判断和定位、报警等。其特征是激光脉冲发生器发出的具有一定宽度和功率的光脉冲经光纤耦合器注入光纤，在光纤中传输，光纤上各点的背向散射光返回到输入端，经光纤耦合器输入到光探测器，转换成电信号，放大、滤波后进行数据采集和数字信号处理，结果送给计算机。同时，光脉冲继续向前传播，在另一端输出到光探测器，转换成电信号，放大、滤波后进行数据采集和数字信号处理，结果也送给计算机。计算机通过对两路信号进行数据分析和融合，获得光纤上各点损耗的静态和动态分布特征。由于油气管线发生泄漏、管线附近的机械施工和人为破坏等事件使光纤产生的损耗具有不同的频谱特征，通过对损耗的分析，迅速判断并准确定位油气泄漏等事件的发生。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是它包括两套光功率信号的检测模块。一个是用于光纤背向散射光的检测，称为背向散射光检测模块；另一个是用于检测沿光纤向前传播的光脉冲在光纤另一端的光功率输出，称为光纤输出光功率检测模块。这两个模块可以集成在一个系统中，也可以是分离的，可以通过数据通信网络相连。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光纤作为传感器使用，同时也可以作为数据通信链路使用，用于两套光功率信号检测模块与计算机之间的数据通信，或用于油气管线上其它控制设备之间的数据通信。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光功率检测包括光电探测器、放大器、低通滤波器、模数转换器和数字信号处理器(微处理器)。光电探测器的输入端接光纤的输出，将光功率转换成电信号输出到放大器；信号经放大器放大并消除(部分)直流分量后输出到低通滤波器；低通滤波器的输出端接到模数转换器；数字信号处理器对模数转换器输出的数据进行FFT变换后送到计算机进行数据分析和融合。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光纤两端的检测模块可以同时工作，也可以独立工作。背向散射光检测模块主要完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位功能，而光纤输出光功率检测模块主要完成光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型判断的功能。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光纤两端的检测模块同时工作，可以消除激光脉冲发生器产生的光脉冲功率不稳定带来的干扰，例如利用背向散射光检测模块采集输入光脉冲的功率对光纤输出检测模块采集的输出光功率数据进行归一化处理。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是可以将传感用光纤作为探测臂，另加一根光纤作为参考臂，光脉冲发生器发出的光脉冲分别送入两根光纤，在输出端同时检测两根光纤输出的光功率，可以消除激光脉冲发生器发出的光脉冲功率不稳定问题，对光纤输出检测模块采集的输出光功率数据进行归一化处理。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是背向散射光检测模块可以是一台OTDR(Optical Time Domain Reflectmeter)，利用OTDR提供的通信接口如GPIB、RS232或OTDR上提供的网络接口与计算机通信；也可以使用OTDR卡直接安装在计算机中。计算机可以控制OTDR的工作状态。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光功率检测模块中的数据采集和数字信号处理单元具有中央处理器，它可以和计算机进行通信，从计算机接收指令，受计算机控制，将数据和工作状态传送给计算机。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是计算机对从背向散射光检测模块和光纤输出检测模块获得的数据进行分析和融合，可以获得光纤上各点损耗的静态和动态分布，当损耗信号具有一定特征时，启动报警装置。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光纤可以是一直向前的，也可以是折回的。当折回时，去和回来的光纤在同一物理地点感应到同一信号，但它们在光纤上的位置是不同的，信号到达光纤输出光功率检测模块的时间也不相同，前后信号具有相同的频谱，但强度是两次作用叠加的结果。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是背向散射光检测模块和光纤输出检测模块的灵敏度达到0.01dB。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光纤要对压力变化和振动信号敏感，可以是单模光纤，也可以是多模光纤。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是激光脉冲发生器产生的光脉冲的宽度、能量和频率是可控的。光脉冲的宽度决定了背向散射光检测模块的定位精度，光脉冲的能量会影响系统的灵敏度。
上述分布式光纤传感器系统，其特征是光纤输出光功率检测模块的采样触发信号可以是光脉冲，也可以是计算机设定的采样频率(此时光脉冲发出的是稳定的光信号)。
参见图1，图1是本发明的第一实施例的系统框图；图1中计算机5发出一光脉冲控制指令，驱动激光脉冲发生器1产生具有一定宽度和功率的光脉冲经光纤耦合器2注入光纤，在光纤中向前传输，由于光纤内部的不均匀性将产生瑞利散射，光纤中的个别点如接头会产生菲涅尔反射，光纤上各点因瑞利散射或菲涅尔反射而产生的背向散射光沿光纤返回到输入端，经光纤耦合器输入到光探测器301，转换成电信号，经放大滤波模块302后进入信号采集数字信号处理模块303，将结果送给计算机5，称为背向散射光检测模块3。同时，光脉冲继续向前传播，在另一端输出到光探测器401，转换成电信号，经放大滤波模块402后进入数据采集和数字信号处理模块403，结果送给计算机5，称为光纤输出光功率检测模块4。计算机5通过对两路信号进行数据分析和融合，获得光纤上各点损耗的静态和动态分布特征。在本实施例中，两套检测模块被集成在一起，它们可以同时工作，也可以独立工作。可以利用背向散射光检测模块检测光脉冲发生器发出的光脉冲的光功率，对光纤输出光功率检测模块的测量数据进行归一化处理，消除光源的不稳定对测量结果的影响。在本实施例中，光纤是折回的，去和回来的光纤在同一物理地点感应到同一信号，但它们在光纤上的位置是不同的，信号到达光纤输出检测模块的时间也不相同，前后信号具有相同的频谱，但强度是两次作用叠加的结果。
图2是本发明的第二实施例的系统框图，它与图1的差别在于光纤是一直向前的，没有折回，因此背向散射光检测模块3和光纤输出光功率检测模块4不在同一物理位置，分别在光纤的两端，也就是分别被安放在油气管道的输入端和输出端，计算机5与背向散射光检测模块3在同一位置，它通过数据通信网与光纤输出检测模块4相连。
图3是本发明中的光电转换、放大、滤波电路原理图。D1将光纤耦合过来的光功率信号转换成光电流信号，再经过运算放大器A1组成的电流/电压转换电路，变成电压信号输出。由于在A2运算放大器的正极性端加了一定的偏置电压，所以当前一级的电压信号在A2放大时，可以消除部分直流分量，主要放大交流分量，其输出仍为电压信号。第三级运放电路组成了低通滤波器，截止频率由Rf3和Cf3决定，其输出为-5V到+5V之间的电压，经A/D变换后，输出16位的数字信号，再经FFT变换后，输出信号的频谱数据到计算机进行处理。
本发明的最大特点是提供了一种利用光纤作为传感器对油气管线进行实时监测的方法。这种方法的第一个优点是利用光纤的特性可以实现远距离分布式检测；第二个优点是利用光电信号实现实时性，测试速度快；第三个优点是不仅可以测量静态特性，而且可以测量动态特性；第四个优点是由于使用了光纤和光信号，可以在危险环境下使用；第五个优点是由于油气管线发生泄漏、管线附近的机械施工和人为破坏等事件使光纤产生的损耗具有不同的特征，通过对数据进行分析和融合，迅速判断并准确定位油气泄漏等事件的发生，启动报警装置。第六个优点是整套系统体积小，安全可靠，安装方便。
Claims (10)
1.一种基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在油气管线附近与油气管线并行铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测；
2)在光纤的两端，也就是油气管线的输入端和输出端，设置一背向散射光检测模块[3]和一光纤输出光功率检测模块[4]；
在光纤一端的光脉冲输入端，设置光脉冲发生器[1]和光纤耦合器[2]，光纤上各点因瑞利散射或菲涅尔反射而产生的背向散射光沿光纤返回到输入端，背向散射光检测模块[3]通过对背向散射光的测量，完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位；沿光纤向前传播的光脉冲在光纤的另一端输出，光纤输出光功率检测模块[4]通过对光纤输出光功率的测量，完成光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型的判定；
3)通过对背向散射光和光纤输出光功率的测量，获得光纤上各点损耗的特征；利用计算机对数据进行分析和融合，获得管线周围的压力变化和振动信号的特征，判断并准确定位油气管线泄漏等事件的发生。
2.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，所述光纤可以是单模光纤，也可以是多模光纤；光纤既可以作为传感器使用，也可以作为数据通信链路使用。
3.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于：
所述背向散射光检测模块[3]包括光功率探测器[301]、信号放大、滤波器[302]、信号采集和数字信号处理[303]单元；
所述输出光功率检测模块[4]同样包括光功率探测器[401]、信号放大、滤波器[402]、信号采集和数字信号处理[403]单元；
光脉冲发生器[1]发出的具有一定宽度和功率的光脉冲经光纤耦合器[2]注入光纤，在光纤中传输，光纤上各点的背向散射光返回到输入端，经光纤耦合器[2]输入到背向散射光检测模块[3]的光功率探测器[301]，转换成电信号，经信号放大、滤波器[302]、信号采集和数字信号处理单元[303]进行放大、滤波和数字信号处理后，结果送给计算机数据分析系统[5]；同时，光脉冲继续向前传播，在另一端输出到输出光功率检测模块[4]的光功率探测器[401]，转换成电信号，经信号放大、滤波器[402]、信号采集和数字信号处理单元[403]进行放大、滤波和数字信号处理后，结果也送给计算机数据分析系统[5]；计算机数据分析系统[5]通过对两路信号进行数据分析和融合，获得光纤上各点损耗的静态和动态分布特征。
4.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，所述背向散射光检测模块[3]和光纤输出光功率检测模块[4]可以集成在一个系统中，也可以是分离的，通过数据通信网络相连。
5.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，所述光纤两端的检测模块可以同时工作，也可以独立工作，对光纤上动态损耗的测量，背向散射光检测模块[3]和光纤输出检测模块[4]的灵敏度为0.01dB。
6.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，所述激光脉冲发生器[1]可以是激光二极管。
7.如权利要求4所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，所述背向散射光检测模块[3]可以是一台OTDR(OpticalTime Domain Reflectmeter)，利用OTDR提供的通信接口GPIB、RS232或OTDR上提供的网络接口与计算机通信；也可以使用OTDR卡直接安装在计算机中，由计算机控制OTDR的工作状态。
8.如权利要求3所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，背向散射光检测模块[3]中的数据采集和数字信号处理单元[303]具有中央处理单元，它可以和计算机进行通信。
9.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，所述光纤可以是一直向前的，也可以是折回的。
10.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，其特征在于，光脉冲发生器[1]的脉冲宽度、能量和频率是可控的，光纤输出光功率检测模块[4]的采样触发信号可以是光脉冲，也可以是计算机设定的采样频率。
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