CN1908505B - 分布式光纤输油气管线警戒传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感油气管线报警技术领域。为提供一种分布式光纤油气管线警戒传感系统，本发明采用的技术方案是：高相干长度可调激光器发出的相干光经过传感光纤进入光环行器的输入端a，由进入光环行器第一输出端b输出到光纤光栅反射镜陈例和低反射率光纤光栅反射镜，然后返回光环行器，由光环行器的第二输出端c输出到光电二极管，光电二极管的信号经由放大器放大后由快速傅立叶变换器边带滤波器和频谱分析仪分析出所需要的信息，最终由计算机控制系统和预报警显示和预警。本发明主要用于制造结构简单、定位准确、监测距离长、几乎不需维护、有大的监测范围、高的灵敏度和可以预先设置分辨率的分布式光纤油气管线警戒传感系统。

Description

分布式光纤输油气管线警戒传感系统

技术领域

本发明属于光纤传感、油气管线报警技术领域，尤其涉及分布式光纤油气管线警戒传感系统。

背景技术

光纤和光纤光栅传感器是近几年高速发展的新型传感器，光纤和光纤光栅传感器可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势：如防爆，抗电磁干扰，抗腐蚀，抗震动，耐高温，体积小，重量轻，灵活方便，特别能在恶劣环境下使用。

分布式光纤传感器除了以上上述的优点外，它能够测量传感光纤所在的任何一点的信号，目前市场广泛应用的有光时域反射仪(OTDR)、光频域反射仪(OFDR)和各种干涉仪，例如M-Z干涉仪等。分布式光纤传感器属于强度检测，它们共同存在的问题是易受光源起伏、光纤弯曲、器件老化等影响它们的测量精度和可靠性。

光纤光栅传感器克服上述易受光源起伏、光纤弯曲、器件老化等影响问题，它属于波长编码，不受光源起伏、光纤弯曲、器件老化等影响，由此有很高的可靠性、稳定性和重复性。由于光纤光栅传感系统是准分布式的，它的不足是它只能测量光纤光栅传感器所在的地方。一般的光纤光栅传感检测系统是波长编码，如日本专利11-061524每一个光纤光栅具有不同的中心波长，由此可以测量的数量是有限的。也有用同一波长的如武汉理工大学发表的一篇文章，由于每一个光纤光栅传感器要求有较高的反射率，被检测的数量也是有限的。

分布式光纤传感检测系统光时域反射仪(OTDR)、光频域反射仪(OFDR)的信号来自光纤中对温度和压力敏感的拉曼(Raman)和布里渊(Brillouin)散射，信号小，为了提高信噪比，需要经过多次测量取平均，并且这两种散射对震动敏感性低。M-Z干涉检测系统敏感性高，但稳定性差，对被检测物体定位困难。

中石油管道公司描述了对检测输油气管线的一种负压设备；输油气管线的泄漏和盗油，会使得泄漏地段输油气管线两端的压力产生变化，可以发现泄漏和泄漏的地点。这种装置可以发现油气已经大量泄漏时的情况，而不能够预报即将发生盗油的事件。

输油气管道打孔盗油第一步需要把管道周围的泥土挖开，挖土过程就会有震动，第二步是对输油气管道打孔，这又会产生震动。

到目前为止，国内外市场上尚无一种切实可行的输油气管线警戒传感系统

总之，习知技术存在的问题有：一是分布式光纤传感系统光时域反射仪(OTDR)、光频域反射仪(OFDR)由于对震动敏感低不适合输油气管线警戒传感系统中在线检测；二是M-Z干涉仪误报率高，定位困难，实际应用有距离，三是输油气管线报警的负压检测不能对所发事件进行预警。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对油气管线的警戒要求，提供一种分布式光纤油气管线警戒传感系统，该系统结构简单、定位准确、监测距离长、集感知和信号传输于一体，可与通信光缆同步铺设等，几乎不需维护。还有大的监测范围，高的灵敏度和可以预先设置分辨率等邮电。本发明采用的技术方案是：一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，由高相干长度可调激光器、传感光纤、光环行器、高反射率光纤光栅反射镜、低反射率光纤光栅反射镜、光电二极管、放大器、快速傅立叶变换器、边带滤波器、频谱分析仪、计算机控制系统和预报警组成，高相干长度可调激光器发出的相干光经过传感光纤进入光环行器的输入端a，由进入光环行器第一输出端b输出到高反射率光纤光栅反射镜和低反射率光纤光栅反射镜，然后返回光环行器，由光环行器的第二输出端c输出到光电二极管，光电二极管的信号经由放大器放大后由快速傅立叶变换器、边带滤波器和频谱分析仪分析出所需要的信息，最终由计算机控制系统和预报警显示和预警。

其中，高反射率光纤光栅反射镜的反射率至少是低反射率光纤光栅反射镜反射率20倍以上，低反射率光纤光栅反射镜的反射率是0.5％。

低反射率光纤光栅反射镜在随管线铺设的光纤中设置有若干个，其数目根据管线的长短确定。

高相干光激光器的相干长度必须大于被测距离的2π倍，它的中心波长与光纤光栅反射镜和低反射率光纤光栅反射镜的中心波长相等。

边带滤波器是具有选择边带阶数功能的边带滤波器。

频谱分析仪为具有选择预定频率功能的频谱分析仪。

本发明可带来以下技术效果：

由于采用了高反射率光纤光栅反射镜、低反射率光纤光栅反射镜式结构，低反射率光纤光栅反射镜既是传感器又是反射镜，因而本发明灵敏度高，定位准确；

由于通过本发明的高反射率光纤光栅反射镜、低反射率光纤光栅反射镜和信号接收分析部分可预设分辨率，因而本发明可具有较长的监测距离和大的监测范围；

本发明的低反射率光纤光栅反射镜与通信光缆同步铺设、埋入地下，因而本发明几乎不需维护，安全性、隐蔽性好，很难被发觉破坏；

此外，本发明还具有结构简单，成本低的特点。

附图说明

图1管道防破坏泄漏预警检测系统整体结构图示意图。

图中，1高相干长度可调激光器、2传感光纤、3光环行器、4高反射率光纤光栅反射镜、5低反射率光纤光栅反射镜、6光电二极管、7放大器、8快速傅立叶变换器、9边带滤波器、10频谱分析仪、11计算机控制系统、12预报警，L0为光环行器3、高反射率光纤光栅反射镜4间距，L1为高反射率光纤光栅反射镜4与第一个低射率光纤光栅反射镜之间的距离，第一个低反射率光纤光栅反射镜和第二个低反射率光纤光栅反射镜的距离为L2，其余依此类推。

图2是宽带宽低反射率光纤光栅反射镜示意图。

图3是一段具有光纤光栅反射镜的分布式传感光纤光谱图。

图4无外界扰动时的光纤光栅反射镜光谱示意图。

图5是第三个光纤光栅反射镜处有扰动外界扰动时的光谱示意图：中间为主峰，两侧为边带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明。

本发明原理如图1所示。

1)、光源：频率扫描激光器，光(电)场为：E＝E₀exp(2πvt)

在测量时间内，其频率随时间线性变化：v＝v₀+αt

2)、传感光纤：

在随管线敷设的光纤中设置高反射率光纤光栅反射镜4和一系列的低反射率光纤光栅反射镜5，它们的间距分别为：高反射率光纤光栅反射镜4和光环行器3间距为L0，高反射率光纤光栅反射镜4和第一个低反射率光纤光栅反射镜的距离为L1，第一个低反射率光纤光栅反射镜和第二个低反射率光纤光栅反射镜的距离为L2，其余依此类推。

3)、激光外差：

以高反射率光纤光栅反射镜4与第一个低反射率光纤光栅反射镜反射的光(电)场E₀和E₁为例，它们在光敏二极管PD上产生的光电流为：

i₀₁＝k(E₀+E₁)*(E₀+E₁)

   ＝k[(E₀*E₀+E₁*E₁)+(E₀*E₁+E₀E₁*)]

        (直流项)      (差频项)

此光电流的交流成分为：

i_01AC＝E₀*E₁+E₀E₁*＝2|E₀||E₁|cos(ω₀₁t)

其中，ω₀₁＝2παΔt＝2πα(2nL₀/C)＝4παnL₀/C

同理，对其它低反射率光纤光栅反射镜的反射光，它们与高反射率光纤光栅反射镜4反射光的差频为：

ω₀₂＝ω₀₁+α(2nL₁/C)

ω₀₃＝ω₀₁+α[2n(L₁+L₂)/C]

ω₀₄＝ω₀₁+α[2n(L₁+L₂+L₃)/C]

本发明正是运用上述原理，使系统以其技术上的领先优势，弥补了声波监测误报率高，传输线路复杂以及电线传输等不利因素。而且较光纤马赫泽德(M-Z)干涉传感具有灵敏度高，定位更加准确的特点。

下面结合附图进一步说明本发明。

1.1系统组成

光纤传感器

1.2扰动及部位的鉴别：在随管线敷设的光纤中设置高反射率光纤光栅反射镜4和一系列的低反射率光纤光栅反射镜5，它们的间距分别为：高反射率光纤光栅反射镜4和光环行器3间距为L0，高反射率光纤光栅反射镜4和第一个低反射率光纤光栅反射镜的距离为L1，第一个低反射率光纤光栅反射镜和第二个低反射率光纤光栅反射镜的距离为L2，其余依此类推。

若外界有一个扰动，系统中光纤传播的反射光会有一个频率改变，经由监视装置，检测出其扰动类型和位置。其中扰动类型由频谱确定，位置由频率表征的反射镜确定。

扰动效应：

若第i个低反射率光纤光栅反射镜与第i+1个低反射率光纤光栅反射镜之间有一振动使得它们之间的长度在原来的L的基础上有一变化，i，j为正整数，则：

L_i，i+1＝L+ΔLsinΩt

则差频ω0i不改变，而所有的差频ω_0，j j＞i都将有一个附加的相位差

φ＝2πnΔLsinΩt/λ

以及与此相位差相应的附加频率：

Δω＝dφ/dt＝2πnΔLΩcosΩt/λ

其中Ω为扰动频率，ΔL为光纤所在环境振动(扰动)所引起的光纤伸长振动幅度。

5)、扰动部位的鉴别：

系统中有一个频率改变监视装置，如果差频ω₀₁到ω_0i都未改变，而ω_0j，当j＞i时有频率改变，则扰动产生于区间第i个低反射率光纤光栅反射镜与第i+1个低反射率光纤光栅反射镜之间。

6)、系统中，FFT为快速傅立叶变换硬件，用作信号的实时频谱分析。微机PC用作FFT的控制，光源的扫频控制，放大器的增益控制，信号的分析判断显示和报警信号的产生。

7)如前例，本发明可达到目的是把打孔盗油的事件的第一步，至多在第二步时就及时发现，以防止管道的破坏。

1.3系统组网和报警方案

本系统可以实现报警信号传输，现有的网络接口采用以太网接口，底层采用TCP/IP协议，报警信号数据协议可由用户决定。

监测系统本身具有报警显示。

本发明的具体实施由以下实施例及其附图详细给出。

1、按照设定的要求，把光纤光栅反射镜插入传感光纤中，并要求传感光纤的损耗小于0.6dB/km。

2、传感光纤为GYTA53和其他铠装光缆。

3、把传感光缆与输油气管道同时铺设。

4、设计并调试解调检测设备，此设备含有高相干长度激光器，光环行器，光电探测器，放大器，边带滤波器，快速傅立叶变换器，频谱分析仪，计算机组成。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何简单修改、等同变化和修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，其特征在于，由高相干长度可调激光器(1)、传感光纤(2)、光环行器(3)、高反射率光纤光栅反射镜(4)、低反射率光纤光栅反射镜(5)、光电二极管(6)、放大器(7)、快速傅立叶变换器(8)、边带滤波器(9)、频谱分析仪(10)、计算机控制系统(11)和预报警器(12)组成，高相干长度可调激光器(1)发出的相干光经过传感光纤(2)进入光环行器(3)的输入端a，由进入光环行器(3)第一输出端b输出到高反射率光纤光栅反射镜(4)和低反射率光纤光栅反射镜(5)，然后返回光环行器(3)，由光环行器(3)的第二输出端c输出到光电二极管(6)，光电二极管(6)的信号经由放大器(7)放大后由快速傅立叶变换器(8)、边带滤波器(9)和频谱分析仪(10)分析出所需要的信息，最终由计算机控制系统(11)和预报警器(12)显示和预警。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，其特征在于，高反射率光纤光栅反射镜(4)的反射率至少是低反射率光纤光栅反射镜(5)反射率20倍以上，低反射率光纤光栅反射镜(5)的反射率是0.5％。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，其特征在于，低反射率光纤光栅反射镜(5)在随管线铺设的光纤中设置有若干个，其数目根据管线的长短确定。

4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，其特征在于，高相干光激光器(1)的相干长度必须大于被测距离的2π倍，高相干光激光器(1)的中心波长与高光纤光栅反射镜(4)和低反射率光纤光栅反射镜(5)的中心波长相等。

5.根据权利要求1所述的一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，其特征在于，边带滤波器(9)是具有选择边带阶数功能的边带滤波器。

6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤输油气管线警戒传感系统，其特征在于，频谱分析仪(10)为具有选择预定频率功能的频谱分析仪。

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