干涉型分布式光纤管道泄漏实时监测方法及装置.pdf

本发明公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中的光纤组成一个光纤微振动传感器。当管道发生泄漏时会产生泄漏噪声，通过光纤微振动传感器可以实时地监测出管道周围的微小振动和应力变化，并且能够迅速、准确地确定管道泄漏的位置。该装置包括由分布式光纤微振动传感器、引导光纤及微振动检测器等构成。该监测技术不仅可以检测出管道泄漏的发生，还可以检测出管道周围所发生的可能造成管道泄漏的事件，并能发出预报警和准确定位。该检测技术可以实时监测管道沿线泄漏情况，具有很高的灵敏度和定位精度，而且抗干扰能力较强，运行可靠。

1.  一种基于干涉原理的分布式光纤流体管道泄漏实时监测的方法，其特征在于包括以下过程：将一束光通过分布式光纤微振动传感器一端的耦合器按功率1∶1分为两束光分别进入分布式光纤微振动传感器中两条单膜传感光纤，光沿两条单膜传感光纤传播到分布式光纤微振动传感器的另一端，在传感器另一端的耦合器汇合产生干涉光信号；同样道理，两束光分别在单膜传感光纤的传输过程中，当分布式光纤微振动传感器中的两条单膜传感光纤受到包括管道泄漏噪声、管道周围施工、人为破坏如：打孔盗油以及自然灾害如：地震、洪水、泥石流以及山体滑坡等等外界信号扰动时，会造成输出的干涉光信号发生变化，实时的检测干涉光信号的变化，则可以检测出光纤微振动传感器沿途所发生事件产生的微振动信号，从而实现了管道泄漏监测乃至可能造成管道破坏的外界事件的实时监测。

2.  一种实现按权利要求1所述的基于干涉原理的分布式光纤管道泄漏实时监测的装置，该装置包括由分布式光纤微振动传感器、引导光纤及微振动检测器等构成，其特征在于：微振动检测器由半导体激光二极管光源、光隔离器、两个光电检测器和两个信号处理器构成，每个信号处理器分别包括：由信号放大、滤波和信号采集构成。

3.  按权利要求2所述的一种基于干涉原理的分布式光纤管道泄漏实时监测的装置，实现完成分布式光纤微振动传感器与微振动检测器之间的光波和干涉光信号传输的引导光纤，其特征在于：引导光缆中包含两条引导光纤，其中的一条引导光纤与分布式光纤微振动传感器一端的耦合器连接，另一条引导光纤与分布式光纤微振动传感器中的引导光纤的一端连接，而分布式光纤微振动传感器中的引导光纤的另一端与分布式光纤微振动传感器中另一段的耦合器连接。

干涉型分布式光纤管道泄漏实时监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种流体管道泄漏在线实时监测、定位方法以及监测装置，尤其是涉及一种基于干涉原理的分布式光纤传感技术，属于管道监测技术领域。
背景技术
管道运输作为一种安全、经济的运输方法已经在世界各地得到了广泛的应用。随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展，作为管道监控核心的泄漏检测技术一直受到各国科技工作的重视。
目前国内外已有多种管道泄漏检测技术和方法，但大多数的管道泄漏在线监测技术主要是基于管内流体介质的流失所造成的管道各运行参数的变化来检测管道泄漏的，如通过监测管道输入端和输出端的压力、流量等管道运行参数的变化，可以判断出管道是否发生泄漏，同时也可以确定管道泄漏发生的位置。中国发明专利申请号96121000.1、99107241.3以及中国实用新型专利申请号02235420.4等对该类技术领域的内容已经作了很详细的叙述。由于该类技术受管内流体介质的特性、管道运行状况、管道的工艺流程以及检测仪表的灵敏度和精度等因素的影响，所以该类检测技术只能检测出较大的突发性管道泄漏，而且定位精度受以上因素影响较大。另外该类技术只能检测到已经发生的管道泄漏事件，不能对管道附近施工、人为破坏以及自然灾害等可能造成管道泄漏的事件进行预报警。
另外一种检测方法是通过在输送管道内安放一个管内检测器，使其沿着管道行走，检测管道内壁腐蚀、缺陷以及焊缝等情况，该类检测方法主要基于漏磁通、超声波和涡流检测技术。此类检测方法可以获得较详细的管道质量情况，但检测费用较高，无法做到实时监测。
近年来，随着光纤技术的不断发展，光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测。中国发明专利申请号02145502.3采用OTDR技术应用于油气管道泄漏检测，OTDR技术是光时域反射(Optical Time Domain Reflectometer)技术的简称，它是通过检测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的故障点，主要应用于光缆的故障、光纤的长度、光纤的损耗以及光纤接头损耗等检测。
其应用于管道泄漏检测主要工作原理为：在管道附近沿管道并排铺设一条或几条光纤，当光纤附近产生应力扰动时，将改变光纤的特性和损耗，使用OTDR技术可以检测出该损耗点并定位。由于该管道泄漏检测技术采用的是光脉冲，为了保证测试的连续性，每次只能允许光纤中有一个光脉冲传播，对该脉冲在沿途各点的连续散射和反射信号进行测试，为了保证每个测试点的准确性，还要对每个测试点进行多次测试并进行平均。因而该技术只能检测静态损耗和变化缓慢的扰动。所以该技术受以上条件的限制不能实现管道泄漏的实时监测。
发明内容
针对现有的管道泄漏技术存在的问题，本发明提供一种基于干涉原理的分布式光纤流体管道泄漏实时监测系统。该方法具有很高的泄漏检测灵敏度和泄漏定位精度，监测系统容易实现，而且运行可靠。
本发明是通过下述技术方案加以实现：
一种基于干涉原理的分布式光纤流体管道泄漏实时监测的方法，其特征在于包括以下过程：将一束光通过分布式光纤微振动传感器一端的耦合器按功率1∶1分为两束光分别进入分布式光纤微振动传感器中两条单膜传感光纤，光沿两条单膜传感光纤传播到分布式光纤微振动传感器的另一端，在传感器另一端的耦合器汇合产生干涉光信号。同样道理，两束光分别在单膜传感光纤的传输过程中，当分布式光纤微振动传感器中的两条单膜传感光纤受到包括管道泄漏噪声、管道周围施工、人为破坏(如：打孔盗油)以及自然灾害(如：地震、洪水、泥石流以及山体滑坡等)等外界信号扰动时，会造成输出的干涉光信号发生变化，实时的检测干涉光信号的变化，则可以检测出光纤微振动传感器沿途所发生事件产生的微振动信号。从而实现了管道泄漏监测乃至可能造成管道破坏的外界事件的实时监测。
在上述实时监测过程中，实现对管道泄漏点及外界事件破坏点位置的定位方法，其特征在于包括以下过程：通过分布式光纤微振动传感器两端的耦合器向传感器中的两条单膜传感光纤同时输入两束逆向光，则经过分布式光纤微振动传感器两端的两个耦合器会分别产生两个干涉光信号。如果分布式光纤微振动传感器沿途发生管道泄漏、管道周围施工、人为破坏等事件时，将会分别引起分布式光纤传感器两端的干涉光信号发生变化。在分布式传感光纤中传播的两束逆向光受同一事件影响后，由于传播到两端的检测器所进行的路程不同，因此两个检测信号之间会产生时间差。根据分布式光纤微振动传感器两端检测到同一事件所引起的干涉光信号变化的时间差，就可以确定管道泄漏及可能造成管道破坏的外界事件发生点的位置。
实现完成上述的管道泄漏实时监测的装置，该装置包括由分布式光纤微振动传感器、引导光纤及微振动检测器等构成，其特征在于：微振动检测器由半导体激光二极管光源、光隔离器、两个光电检测器和两个信号处理器构成。其中两个信号处理器分别对两个光电检测器检测信号进行信号处理。其包括：信号放大、滤波和信号采集功能。
实现完成分布式光纤微振动传感器与微振动检测器之间的光波和干涉光信号传输的引导光纤，其特征在于：引导光缆中包含两条引导光纤，其中的一条引导光纤与分布式光纤微振动传感器一端地耦合器连接，另一条引导光纤与分布式光纤微振动传感器中的引导光纤的一端连接，而分布式光纤微振动传感器中的引导光纤的另一端与分布式光纤微振动传感器中另一段的耦合器连接。
所述的传感光纤和引导光纤均为单膜光纤。
本发明的优点在于：
本监测系统采用了分布式光纤检测技术，避免了管内流体介质的特性、管道运行状况、管道的工艺流程以及检测仪表的灵敏度和精度等因素的限制，提高了检测灵敏度和泄漏定位精度。干涉型分布式光纤微振动传感器反应灵敏，反应速度快，具有很宽的响应带宽，完全满足了各种测试信号的要求，从而可以实现管道泄漏分布式光纤真正的实时监测。由于引导光纤将敏感的传感器与外界隔离，很好的解决了受外界干扰的问题，因此抗干扰能力较强。监测系统中所采用的各种光电元器件均采用现有的各种元器件的工业品，可以在正常的工业环境中安全、可靠的工作，而且工程造价非常低廉，很容易实现。另外，本监测系统所采用的干涉型分布式光纤微振动传感器具有电绝缘性好、本质安全可靠、耐腐蚀等特点，这使它在石油化工等强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀等环境中具有更广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的系统组成图，监测系统包括：1为传感光缆、2a和2b为耦合器、3为引导光缆、4为微振动检测器。
图2是本发明的测试系统工作原理框图，主要包括：1a、1b为传感光缆1中包含了两条传感光纤、1c为传感光缆1中的一条引导光纤、3a和3b为引导光缆3中包含两条引导光纤、4为微振动检测器。其中微振动检测器4中包括：5为半导体激光二极管、7为光隔离器、6a和6b为信号传输光纤、8、10a和10b为耦合器、9a、9b、9c和9d为信号传输光纤、11a和11b为光电检测器、12a和12b为信号调理模块、13a和13b为A/D转换模块、14为计算机。
图3是本发明的定位方式示意图。
图4是本发明用于定位所测试的检测信号电压-时间关系曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1所示为基于干涉原理的分布式光纤流体管道泄漏实时监测系统的组成框图，该监测系统包括：传感光缆1、传感光缆两端的耦合器2a和2b、引导光缆3以及微振动检测器4。
其中在管道附近沿管道铺设的传感光缆1和耦合器2a和2b组成了高灵敏度的分布式光纤微振动传感器，主要用于检测沿线的泄漏噪声以及在管道附近所发生的可能造成管道泄漏的应力变化。引导光缆3为传输光纤主要用于传播光波和检测信号。微振动检测器主要用于向干涉型分布式光纤微振动传感器中发射光波，同时检测传感器传出的检测信号，通过光电检测器将光信号转变为电信号，并进行信号处理，然后进行数据采集并将数据送入计算机中进行数字信号处理和进行数据分析。
图2所示为本发明的测试系统工作原理框图，将进一步说明该检测系统的工作原理以及各部分的详细组成情况。首先微振动检测器4中的光源5为半导体激光二极管，发出的模拟光波通过单膜光纤6a、隔离器7和单膜光纤6b，进入耦合器8，按功率1∶1分为两路光波分别通过单膜光纤9a和9b进入耦合器10a和10b。其中一路光波从耦合器10a出来通过引导光纤3a进入耦合器2a再按功率1∶1分为两路光波分别进入传感器光缆中的两条传感光纤1a和1b中传播，在耦合器2b中汇合通过引导光纤1c和3b进入耦合器10b，再由耦合器10b出来经过单膜光纤9d进入光电检测器11b将光信号转为电信号。同时另一路光波从耦合器10b出来通过引导光纤3b和1c进入耦合器2b再按功率1∶1分为两路光波分别进入传感器光缆中的两条传感光纤1a和1b中传播，在耦合器2a中汇合通过引导光纤3a进入耦合器10a，再由耦合器10a出来经过单膜光纤9c进入光电检测器11a将光信号转为电信号。信号调理模块12a和12b对来自光电检测器11a和11b电信号分别进行放大和滤波，然后通过A/D转化模块13a和13b将模拟电信号转化为数字信号送入计算机14中进行数字信号处理和分析，从而可以获得干涉型分布式光纤微振动传感器的测试结果。在计算机中进一步对两路信号进行分析和判断，可以获得分布式光纤传感器沿线各点的振动的分布特征。当流体管道有泄漏、管道附近的施工和人为破坏等事件发生时，监测系统所检测的信号具有特殊的频谱特征，通过对信号的分析和对两个特征信号检测的时件差的计算，可以迅速发出报警并能对事件的发生地点进行准确的定位。
另外，在图2所示的测试系统中，引导光缆3中的引导光纤3a和3b的作用是完成分布式光纤微振动传感器与微振动检测器之间的光波和干涉光信号传输。因此引导光缆对外界的干扰信号不敏感。而反应敏感的分布式光纤微振动传感器随管道埋入地下或铺设在管道沟中，这样可以有效的减少外界干扰信号对检测系统的干扰。另外，在传感光缆1中所包含的一条引导光纤1c不仅具有光波和干涉光信号的传输功能，还提供了两个检测信号间的一个附加时延，这个时延有助于识别和判断泄漏事件发生的位置。
图3所示为本发明的定位方式示意图，其用于定位传感器所检测的扰动事件位置的基本原理。当光纤中传播方向相逆的两束光波受同一事件影响时，该事件的影响因两束光波传播路程的不同而使两检测端对同一事件的检测会产生时间差，该技术主要依赖于分布式光纤微振动传感器两端对同一事件检测的时间差的检测。如图3所示，D为分布式传感光纤发生扰动的位置，A为传感光缆的起始点，B为传感光缆的末端。其中A点到D点两点间的光纤长度为dx，从A点到B点两点间的光纤长度为L，L的长度是已知的，D点到B点两点间的光纤长度为L-dx。其中光波在光纤的传播速度为v，两检测器11a和11b检测同一事件发生的起始时间分别为t₁和t₂，因此时间差为：Δt＝t₂-t₁。通过下面的公式可以计算出发生事件的位置D到检测端A的距离dx为：
dx = L - v ( Δt - L v ) 2 - - - ( 1 ) ]]>
公式(1)中的光波在光纤的传播速度v是由c/n决定的，其中c是光在真空中的速度(3×10⁸m/s)，n是光纤的折射率。式中L/v为光波在引导光纤1c中传输所需的时间。
同理可知，发生事件的位置D到检测末端B的距离的距离L-dx为：
L - dx = L + v ( Δt - L v ) 2 - - - ( 2 ) ]]>
由于光在光纤中的传播速度比较稳定，因此如果将时间差检测到，就可以精确计算出事件发生的位置。在此应该注意的是引导光纤的长度和传感光纤的长度在系统安装前可以通过实际测量获得，或者通过OTDR测量获得。因而，一旦知道了光纤的长度和时间差，使用公式(1)和(2)就可以获得精确的事件发生位置。
图4所示是通过计算机高速采集的两个检测器检测到的同一事件信号的电压-时间关系曲线。其中图中所示15是光电检测器11a所检测到的电压-时间关系曲线，16是光电检测器11b所检测到的电压-时间关系曲线。t₁是光电检测器11a检测到的事件发生的起始点时间，t₂是光电检测器11b检测到同一事件的起始点时间。
在如图2和图3所示的分布式光纤监测、定位系统中，用于试验的测试光纤总长为4623m。在光纤传感器一端的附近施加一个管道泄漏噪声，两个测试信号的时间差如图4所示。从图4所示的11a和11b两个光电检测器输出的测试信号的电压-时间曲线特征可以准确的获得两个测试点的时间差。对两个泄漏噪声测试信号发生变化的瞬间进行分析，利用定位公式(1)和(2)可以计算出事件发生的位置。