CN203115505U - 光纤水下长输管道泄漏检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤水下长输管道泄漏检测装置，其包括:光纤感测系统、信号解调系统和信号处理与分析系统；所述光纤感测系统包括:低同调长度高功率光源、光环形器，第一偶合器、延迟光纤，相位调制器，第二偶合器，感测光纤和法拉第旋转镜；所述信号解调系统包括:光电探测器，混频模块、低通滤波模块、微分交叉相乘模块、减法器、积分器和信号发生器；所述信号处理与分析系统包括由A/D采集，USB传输和计算机依次连接；本实用新型采用直线型干涉型分布式光纤感测架构，整个传感部分由一根铺设在管壁火层中的光纤构成，可适应水下复杂环境中长输管道的检测。

Description

光纤水下长输管道泄漏检测装置

技术领域

本实用新型涉及管道泄漏检测领域，尤其是涉及一种光纤水下长输管道泄漏检测装置。

背景技术

传统的检测地下管道漏水的方法是以声一电转换为基础，这使得灵敏度、深度和距离都受到很大限制。

管道输送具有保质、安全、经济、无污染、管理方便、可靠性高等优点，国内外已普遍采用长输管道输送石油与天然气。随着海上油气田的开发，对于水下长输管道的健康监测受到了高度的关注，水下长输管道运行的检测技术也在不断发展。

分布式光纤传感是近年来发展起来的一项新技术，具有长距离连续监测、抗电磁干扰性好、使用寿命长等优点，能够取代传统的单点式传感器阵列，用于长输管道检测系统中。中国实用新型专利中请02145502.3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，采用光时域反射技术进行油气管线泄漏检测，通过检测光纤中产生的瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的故障点，此种采用后向散射技术得到的检测信号能量一般都较弱，而且需要足够长时间的光信号才能获得较高的信噪比，在对水下长距离管线检测时，由于水体对于声、光等信号的吸收性强，使得光纤信号会发生极大地损耗，从}fu无法得到有效的检测信号，因此，此种方法不适用于对水下长输管道的实时监测。

中国实用新型专利中请200610072879.6基于分布式光纤声学传感技术进行管道泄漏检测，采用改进型直线式Sagnac干涉仪作为感测光纤架构，利用管道泄漏时对感测光纤产生的应力应变，使光纤中的光波被调制，从而引起输出干涉光的相位发生改变，进而判断有无泄漏发生并定位。此种检测方法仅通过泄漏场对光纤信号进行调制，而无外加调制信号，使得在水下长输管道铺设环境复杂，外界噪声干扰多的情况下，不便于信号处理时从噪声影响严重的信号中提取有效的检测信号，屏蔽外界干扰，从}fu导致后级信号处理过程复杂，影响系统的定位精度。

综上所述，为了避免上述情形，一种新的，灵活、实用的检测系统的发明是势在必行的。

实用新型内容

本实用新型的目的是：为了解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为：本实用新型的目的在于克服了以上所述的缺陷，提供了一种基于相位生成载波解调的

光纤水下长输管道泄漏检测装置，本实用新型的基于Mach-Zehnde:和Sagnac混合干涉型分布式光纤感测架构的结构简单，便于在水下复杂情况下的长输管道上进行布放，采用相位生成载波进行信号解调，通过在有效信号频带外加入大幅度的高频相位调制信号，使被测信号位于调制信号的边带，把外界的噪声干扰转化为对调制信号的影响，从}fu提高装置的信噪比，目‘装置的检测灵敏度高、光信号损耗小、定位精度高、能够实现水下管道的长距离实时监测。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案，

一种光纤水下长输管道泄漏检测装置，它包括:光纤感测系统、信号解调系统和信号处理与分析系统;其中，所述光纤感测系统包括:低同调长度高功率光源、光环形器,第一偶合器、延迟光纤,相位调制器,第二偶合器,感测光纤和法拉第旋转镜;所述信号解调系统包括:光电探测器,混频模块、低通滤波模块、微分交叉相乘模块、减法器、积分器和信号发生器;所述信号处理与分析系统包括由A/D采集,USB传输和计算机依次连接。

所述低同调长度高功率光源通过第一单模光纤与光环行器的一个端口连接，光环行器同侧的另一个端口通过第二单模光纤与光电探测器连接，光环行器异侧的端口通过第二单模光纤与第一偶合器的一个端口连接，第一偶合器异侧的两个端口分别通过延迟光纤和相位调制器与第二偶合器一侧的两个端口连接，第二偶合器异侧的一个端口通过感测光纤与法拉第旋转镜连接;混频模块分别与光电探测器和信号发生器相连，混频模块、低通滤波模块、微分交叉相乘模块、减法器和积分器依次相连，积分器与A/D采集相连，A/D采集、USB传输和计算机依次相连。所述的光纤感测系统中的低同调长度高功率光源,第一单模光纤,第二单模光纤、光环形器,第二单模光纤,第一偶合器、延迟光纤,第二偶合器、法拉第旋转镜,相位调制器，信号解调系统，信号处理与分析系统中的A/D采集,USB传输都置于密闭容器中，并布放在水下;所述感测光纤布放在长输管道的火层中。

本实用新型的有益效果是：

采用直线型干涉型分布式光纤感测架构，整个传感部分由一根铺设在管壁火层中的光纤构成，可适应水下复杂环境中长输管道的检测。为了降低信号损耗，对光纤感测架构进行优化，减小光波信号在光纤传输过程中的损耗，将整个信号感测、解调、在水下模块内完成，减小检测信号在处理过程中的传输损耗。

利用相位生成载波解调检测信号，通过信号发生器，在有效信号频带外加入大幅度的高频相位调制信号，把外界的噪声干扰转化为对调制信号的影响，从而改善了装置的信噪比，提高了装置的定位精度，使装置能够满足水下长输管道小泄漏的实时、精确测量。

附图说明：

通过以下对本实用新型的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1本实用新型系统结构图;

图2本实用新型光路径一示意图;

图3本实用新型光路径二示意图;

光纤感测系统1、信号解调系统2、信号处理与分析系统3、低同调长度高功率光源4,第一单模光纤5,第二单模光纤6、光环行器7,第二单模光纤8,第一偶合器9、延迟光纤10,相位调制器11,第二偶合器12,感测光纤13、法拉第旋转镜14、光电探测器15,混频模块16、低通滤波模块17、微分交叉相乘模块18、减法器19、积分器20、信号发生器21,A/D采集22,USB传输23、计算机24。

具体实施方式：

下面结合附图中的实例对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型基于相位生成载波解调的光纤水下长输管道泄漏检测装置，包括:光纤感测系统1、信号解调系统2、信号处理与分析系统3;其中，光纤感测系统1包括低同调长度高功率光源4、光环形器7,第一偶合器9、延迟光纤10,相位调制器11,第二偶合器12,感测光纤13和法拉第旋转镜14;信号解调系统2包括:光电探测器15,混频模块16,低通滤波模块17、微分交叉相乘模块18、减法器19、积分器20和信号发生器21;信号处理与分析系统3主要由A/D采集22,USB传输23和计算机24依次连接组成;低同调长度高功率光源4通过第一单模光纤5与光环行器7的端口portl连接，光环行器7的端口port2通过第二单模光纤8与第一偶合器9的端口port4连接，第一偶合器9的端口ports通过延迟光纤10与第二偶合器12的端口port8连接，第二偶合器12的端口port?通过感测光纤13与法拉第旋转镜14连接，第一偶合器9的端口port6通过相位调制器11与第二偶合器12的端口port9连接，感测光纤13布放在长输管道P管壁的火层中，光环行器7的端口port3通过第二单模光纤6与光电探测器15连接，混频模块16分别与光电探测器15和信号发生器21相连，混频模块16、低通滤波模块17、微分交叉相乘模块18、减法器19、积分器20依次串联，A/D采集22与积分器20相连。

光纤感测系统1中第一偶合器9,第二偶合器12均为1X2偶合器(分光比为50:50)。光纤感测系统1中的低同调长度高功率光源4,第一单模光纤5,第二单模光纤6,光环形器7,第二单模光纤8,第一偶合器9、延迟光纤10,第二偶合器12、法拉第旋转镜14,相位调制器11，信号解调系统2，信号处理与分析系统3中的A/D采集22,USB传输23都置于密闭容器25中，并布放在水下，所以密闭容器25应耐腐蚀和抗电磁干扰。光纤感测系统1的感测光纤13布放在管壁火层中，此火层材料应能保护光纤不被损坏。

感测光纤13布放在长输管道P的火层中，长输管道P的最内层为耐压钢管，耐压钢管内表面涂有防腐涂料，耐压钢管外为一层由绝缘材料构成的绝缘层，绝缘层外为由聚乙烯材料构成的套管，聚乙烯套管外为混凝土层，在混凝土层中置入贯穿长输管道P始末的坚韧微管形成一个火层，感测光纤13置于该火层中，该火层具有防腐蚀，抗电磁干扰，保护光纤不受损害的功能。

本实用新型的工作原理:光纤感测系统1采用直线型Sagnac干涉型分布式光纤感测架构，整个传感部分由一根铺设在管壁火层中的光纤构成，可适应水下复杂环境中长输管道的检测，检测时由低同调长度高功率光源4发出的光通过第一单模光纤5进入光环行器7,从光环行器7的端口port2射出后通过第二单模光纤8进入第一偶合器9,第一偶合器9输出的光功率按50:50分成两路(形成两个光路径)，其中，具体参见图2,路径一光从第一偶合器9的端口ports输出，经过延迟光纤10从第二偶合器12的端口port8输入，然后从第二偶合器12的端口port?输出，经过感测光纤13进入法拉第旋转镜14，被法拉第旋转镜14反射后的光再通过感测光纤13进入第二偶合器12的端口port?，然后从第二偶合器12的端口port9输出的光经过相位调制器H调制后进入第一偶合器9的端口port6部分光从第二偶合器12的端口port8输出，经过延迟光纤10后进入第一偶合器9的端口ports,此束光与路径一、二的光不满足零光程差条件，所以没有干涉现象，因此不作考虑)，与路径二的光在第一偶合器9中发生干涉后，通过第二单模光纤8进入光环行器7，从光环行器7的端口port3输出的光经第二单模光纤6进入光电探测器150

具体参见图3,路径二的光从第一偶合器9的端口port6输出，经过相位调制器H调制后进入第二偶合器12的端口port9，然后从第二偶合器12的端口port?输出，通过感测光纤13进入法拉第旋转镜14，被法拉第旋转镜14反射后的光再通过感测光纤13进入第二偶合器12的端口port?，然后从第二偶合器12的端口port8输出，经过延迟光纤10进入第一偶合器9的端口ports(部分光从第二偶合器12的端口port9输出，经过相位调制器H后进入第一偶合器9的端口port6，此束光与路径一、二的光不满足零光程差条件，所以没有干涉现象，因此不作考虑)，与路径一的光在第一偶合器9中发生干涉，干涉信号通过第二单模光纤8进入光环行器7，从光环行器7的端口port3输出的光经第二单模光纤6进入光电探测器15，光电探测器15将感测光信号转化为电信号，然后将信号输入混频模块16，将感测电信号分别乘上一倍频信号和二倍频信号，形成两个信号，混频后的两个信号通过低通滤波模块17分别进行滤波，滤除信号中的高频分量(包括部分外界环境噪声干扰)，然后利用微分交叉相乘模块18对两个滤波后的信号先分别微分，然后交叉相乘，经过减法器19对两信号进行减法运算，然后对经过减法运算的信号通过积分器20进行积分，接着将积分后的信号利用A/D采集22进行模数转换，通过USB传输23至计算机24对该信号进行快速傅里叶变换，即可通过变换后的信号频谱的零点频率实现对泄漏点的检测与定位。

该装置的管道泄漏检测与解调原理是:当管道沿线某处发生泄漏时，泄漏流体与泄漏孔壁的摩擦会在管壁上产生应力波，此应力波会对铺设在管壁特殊火层中的感测光纤产生扰动，通过感测光纤13的应力应变效应对光纤中传输的光信号相位进行调制，延迟线圈10的存在使沿两个光路径传输的光波通过泄漏点S的时间不同，泄漏场对两条光路径的光波的相位调制也不同，两束光产生相位差满足零光程差条件，所以在偶合时发生干涉。(没有泄漏时，沿两条光路径传输的光没有相位差，不发生干涉)通过信号解调系统2，利用相位生成载波解调电路对感测光信号解调，通过信号发生器21，在有效信号频带外加入大幅度的高频相位调制信号，把外界的噪声对感测信号的干扰转化为对调制信号的影响，改善了装置的信噪比，再通过A/D采集22将解调后的信号通过USB传输23输入到计算机24,从而使监控中心能够实时获取管道检测信息。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种光纤水下长输管道泄漏检测装置，其特征在于，它包括:光纤感测系统、信号解调系统和信号处理与分析系统;其中，所述光纤感测系统包括:低同调长度高功率光源、光环形器,第一偶合器、延迟光纤,相位调制器,第二偶合器,感测光纤和法拉第旋转镜;所述信号解调系统包括:光电探测器,混频模块、低通滤波模块、微分交叉相乘模块、减法器、积分器和信号发生器;所述信号处理与分析系统包括由A/D采集,USB传输和计算机依次连接。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于:所述低同调长度高功率光源通过第一单模光纤与光环行器的一个端口连接，光环行器同侧的另一个端口通过第二单模光纤与光电探测器连接，光环行器异侧的端口通过第二单模光纤与第一偶合器的一个端口连接，第一偶合器异侧的两个端口分别通过延迟光纤和相位调制器与第二偶合器一侧的两个端口连接，第二偶合器异侧的一个端口通过感测光纤与法拉第旋转镜连接;混频模块分别与光电探测器和信号发生器相连，混频模块、低通滤波模块、微分交叉相乘模块、减法器和积分器依次相连，积分器与A/D采集相连，A/D采集、USB传输和计算机依次相连。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于:所述的光纤感测系统中的低同调长度高功率光源,第一单模光纤,第二单模光纤、光环形器,第二单模光纤,第一偶合器、延迟光纤,第二偶合器、法拉第旋转镜,相位调制器，信号解调系统，信号处理与分析系统中的A/D采集,USB传输都置于密闭容器中，并布放在水下;所述感测光纤布放在长输管道的火层中。

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