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1、(10)申请公布号 CN 103206615 A(43)申请公布日 2013.07.17CN103206615A*CN103206615A*(21)申请号 201310098086.1(22)申请日 2013.03.26F17D 5/02(2006.01)(71)申请人中国地质调查局水文地质环境地质调查中心地址 071051 河北省保定市七一中路1305号(72)发明人殷跃平 曹修定 王晨辉 孟庆佳杨凯 李鹏(54) 发明名称一种油气管线光纤变形监测系统(57) 摘要本发明提供了一种油气管线光纤变形监测系统，数据控制模块用于控制光脉冲发射模块向耦合器发送脉冲信号，并将接收的数字信号进行累加后发。
2、送给数据处理模块；耦合器用于将光纤因油气管线周围土壤变形而产生的相位变化信号和预定频率的脉冲信号耦合后发送给光信号接收模块；光信号接收模块用于将耦合后的信号发送给模数转换模块转换成数字信号并发送给数据控制模块；数据处理模块用于向数据控制模块发送控制累加次数的控制命令，并接收的累加后的数字信号与存储的数据进行对比，以确定油气管线是否发生泄露。本发明具有较长的监测距离及较低的成本，并且系统的结构也较简单，能够对管道较小的变形实现检测，具有较高的准确性和可靠性。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页。
3、 附图2页(10)申请公布号 CN 103206615 ACN 103206615 A1/1页21.一种油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，包括：埋置在油气管线周围土壤中的光纤、耦合器、光信号接收模块、模数转换模块、光脉冲发射模块、数据控制模块和数据处理模块；所述数据控制模块用于控制所述光脉冲发射模块向所述耦合器发送预定频率的脉冲信号，并将接收的数字信号按所述数据处理模块的要求进行累加后发送给所述数据处理模块；所述耦合器用于将所述光纤因油气管线周围土壤变形而产生的相位变化信号和所述预定频率的脉冲信号耦合后发送给光信号接收模块；所述光信号接收模块用于将所述耦合后的信号发送给所述模数转换模块转换。
4、成数字信号并发送给数据控制模块；所述数据处理模块用于向所述数据控制模块发送控制累加次数的控制命令，并接收的累加后的数字信号与存储的数据进行对比，以确定所述油气管线是否发生泄露。2.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述光信号接收模块包括光电探测器、前置放大电路、差动放大电路和调零电路；所述光电探测器的信号输入端与耦合器的信号输出端连接，所述光电探测器的信号输出端与所述前置放大电路的信号输入端连接，所述前置放大电路的信号输出端与所述差动放大电路的信号输入端连接，所述差动放大电路的信号输出端与所述调零电路的信号输入端连接，所述调零电路的信号输出端与所述数据控制模块的信号输入。
5、端连接。3.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述数据控制模块和所述数据处理模块通过并口完成数据交换。4.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述系统还包括显示模块，用于显示所述数据处理模块的操作结果。5.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述系统还包括输入模块，用于向所述数据处理模块输入操作指令及更改参数设置。6.根据权利要求5所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述系统还包括参数设置模块，用于将所述数据控制模块发送的光信号接收参数发送给所述光信号接收模块。7.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在。
6、于，所述系统还包括复位模块，用于将所述数据处理模块复位。8.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述系统还包括存储器模块，用于将所述数据处理模块的操作结果存储。9.根据权利要求1所述的油气管线光纤变形监测系统，其特征在于，所述系统还包括串口模块，用于与所述数据处理模块连接的串口设备完成数据交换。权 利 要 求 书CN 103206615 A1/5页3一种油气管线光纤变形监测系统技术领域0001 本发明涉及一种油气管线光纤变形监测系统，属于油气管线监测技术领域。背景技术0002 随着社会的进步和经济的不断发展，全社会对能源的消费量也是越来越大，能源的供给问题成为全世界关注的。
7、焦点，能源供给问题同样关乎到全社会的稳定和经济的发展，而在现有的能源中，油气又占据了能源消耗的大部分。0003 油气主要的运输途径是通过管道来完成的，油气管道的特点是运输量大、管道直径粗、运输距离远，运输过程比较连续、稳定，而且运费比较低。与此同时，油气管道的安全运输问题也凸显出来，随着油气管道的使用年限的增长，油气管道自身因素会导致油气管道腐蚀，还有人为对油气管道的破坏，偷气盗油现象也频发不出，一些长距离的油气运输管道，其沿途不可避免的要经过一些沙漠、沼泽、河流等野外环境比较恶劣的区域，这些区域都是易发地质灾害区，必然会对油气运输管道造成一定的破坏，轻者导致油气管道轻微变形，严重的会导致油气。
8、管道的泄漏，这些事故一旦发生，不仅对油气管道造成损害，还造成重大的经济损失。另外，油气管道运输的物质大多是易燃、易爆品，这样的泄漏事故必然会对人的生命财产造成严重的危害。目前对油气管线的监测主要有声波监测法和负压波检测法。0004 声信号检测主要指的是当油气管线在收到外界破坏的过程中，例如受到外界的敲击、挖掘、打孔等动作时，这些外界的受力不可避免的要发生出声音，而这些声音就会通过地层、油气管线和油气管线内的物质传播出去，声信号检测发就是通过对声音信号的采集，对声音信号进行分析判断，从而对油气管线进行监测，确定油气管线在哪里出现了破坏或者泄漏。声信号检测法主要针对的是外界破坏对油气管线的振动信号。
9、的传播方式做分析，通过数字信号的检测原理来对油气管线发生变形的信号特征进行提取和分析，油气管线在发生变形时，产生的振动声音信号主要有两部分，一部分是流体波，在管道内物质中传播，另一部分是壳体波，在管道壁上进行传播。两种波的传输距离和损耗和所处的管道材料有很大的关系，因此需要在管道内放置不同的传感器来检测这两种波的传播信号，有效的对这两种信号进行采集，最后同将采集回来的流体波和壳体波信号进行相关分析，从而对油气管线到底发生什么故障做精确的判断。但该方法需要在油气管线内分别安置声音传感器或振动传感器进行联测才能满足检测需求，而且在管道内声信号的传播受到管道介质参数的影响，因此检测距离比较短，在进行。
10、长距离检测时就需要安装多个传感器，系统的复杂度增加，不易实现。0005 负压波检测法指的是当油气管线发生泄漏时，管道内的内外压使管道内的物质迅速的流失，由于产生了泄漏，泄露部位的物质损失就会使得临近部位的流体密度减小，从而导致压力降低，并且管道内的物质会以一定的速度向管道上下扩散，需要在管道的两端分别安装压力传感器，从而在管道的两端在不同的时刻捕获压力传感器信号，从而判断管道内是否发生了泄漏，可以根据这种负压波传输到管道两端的时间差和负压波的速度来判断说 明 书CN 103206615 A2/5页4是管道内的哪个部位发生了泄漏。负压波检测法对于一些大的管道变形十分有效，但是在检测管道微小变形有。
11、很大的局限性。发明内容0006 本发明为解决现有的油气管线监测技术中存在的监测距离较短、系统的复杂度较高以及难以监测管道的微小变形的问题，进而提供了一种油气管线光纤变形监测系统。为此，本发明提供了如下的技术方案：0007 一种油气管线光纤变形监测系统，包括：埋置在油气管线周围土壤中的光纤、耦合器、光信号接收模块、模数转换模块、光脉冲发射模块、数据控制模块和数据处理模块；0008 所述数据控制模块用于控制所述光脉冲发射模块向所述耦合器发送预定频率的脉冲信号，并将接收的数字信号按所述数据处理模块的要求进行累加后发送给所述数据处理模块；0009 所述耦合器用于将所述光纤因油气管线周围土壤变形而产生的。
12、相位变化信号和所述预定频率的脉冲信号耦合后发送给光信号接收模块；0010 所述光信号接收模块用于将所述耦合后的信号发送给所述模数转换模块转换成数字信号并发送给数据控制模块；0011 所述数据处理模块用于向所述数据控制模块发送控制累加次数的控制命令，并接收的累加后的数字信号与存储的数据进行对比，以确定所述油气管线是否发生泄露。0012 本发明通过采用光纤实现对油气管线的全程监测，具有较长的监测距离及较低的成本，并且系统的结构也较简单，能够对管道较小的变形实现检测，具有较高的准确性和可靠性。附图说明0013 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，。
13、显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。0014 图1是本发明的具体实施方式提供的油气管线光纤变形监测系统的结构示意图；0015 图2是本发明的具体实施方式提供的光信号接收模块的结构示意图；0016 图3是本发明的具体实施方式提供的油气管线光纤变形监测系统的工作流程示意图。具体实施方式0017 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创。
14、造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0018 本发明的具体实施方式提供了一种油气管线光纤变形监测系统，如图1所示，包括：埋置在油气管线周围土壤中的光纤、耦合器、光信号接收模块、模数转换模块、光脉冲发说 明 书CN 103206615 A3/5页5射模块、数据控制模块和数据处理模块；0019 所述数据控制模块用于控制所述光脉冲发射模块向所述耦合器发送预定频率的脉冲信号，并将接收的数字信号按所述数据处理模块的要求进行累加后发送给所述数据处理模块；0020 所述耦合器用于将所述光纤因油气管线周围土壤变形而产生的相位变化信号和所述预定频率的脉冲信号耦合后发送给光信号接收模块；。
15、0021 所述光信号接收模块用于将所述耦合后的信号发送给所述模数转换模块转换成数字信号并发送给数据控制模块；0022 所述数据处理模块用于向所述数据控制模块发送控制累加次数的控制命令，并接收的累加后的数字信号与存储的数据进行对比，以确定所述油气管线是否发生泄露。0023 本具体实施方式针对目前油气管线监测技术的局限性，提出了将光纤技术与嵌入式系统结合在一起的油气管线光纤变形监测系统，实现了基于嵌入式系统的油气管线光纤变形监测预警系统。其中，光纤变形的工作原理是利用光纤材料的光敏特点，可以在光纤芯内形成反射或者是透射的反射镜或滤波器，通过反射或透射光就在光纤芯内的传播路径发生变化，因此光纤是一种。
16、非常好的信号传输介质。除此之外，当光纤所处的环境温度或者是应变发生变化时将会影响光纤的折射率周期，就会导致光纤的反射或透射波长发生变化。0024 具体的，本具体实施方式提供的油气管线光纤变形监测系统将光纤埋置于管道沿途的土壤中，当管道发生变形或泄漏时，将会发生振动事件，这种振动事件就会由发生位置向四周传播开来，传播中的振动波会造成管道周围的土壤颗粒的振动，从而发生变形，由于埋置的光纤与土壤连接比较紧密，因此土壤颗粒的变形就会引起传感光纤的变形，这样就会导致光纤的伸缩或弯曲变形，因此会造成光纤发生物理长度或者是折射率发生变化，而最终影响光纤传播的相位变化，这种相位变化可以通过在光纤检测端安装的探。
17、测器对相位信号进行识别，通过对探测信号的进行相关的解调处理，可以对光纤周围发生的振动事件进行识别和分析，从而达到对油气管线的监测预警。0025 本具体实施方式提供的油气管线光纤变形监测系统的信号采集和调理主要的任务是对光脉冲信号进行发射、接受回波信号以及光电转换和对模拟电信号的放大和模数转换。图1中的光脉冲发射模块是由数据控制模块(可采用FPGA)来控制的，光脉冲发射模块需要产生一个可调的脉冲信号来调整光源，考虑到被测光纤的中心波长在1520nm1570nm之间，所以选择中心波长为1550nm、带宽大于60nm的宽带光源，这里选择FPGA控制激光二极管来产生光脉冲信号。光源是由半导体二极管构成。
18、，具有输出功率大、体积小、寿命长的优点。如图2所示，光信号接收模块主要包括光电探测器、前置放大电路、差动放大电路和调零电路，光电探测器的信号输入端与耦合器的信号输出端连接，光电探测器的信号输出端与前置放大电路的信号输入端连接，前置放大电路的信号输出端与差动放大电路的信号输入端连接，差动放大电路的信号输出端与调零电路的信号输入端连接，调零电路的信号输出端与数据控制模块的信号输入端连接。因为光脉冲信号经过光纤反射后回来的信号还是光信号，FPGA无法进行检测，因此需要一个光电转换器将光信号转化为电信号，光电探测器就是负责接收光纤信号对其进行光电转换；因为发射回来的光电信号比较弱，光电转换后的信号也比。
19、较弱，必须经过放大电路才能将其加到模数转换模块上，前置放大电路负责将接收到的微弱的电流信号转化为电压信号；经过前置放大电路后的信号为差模信说 明 书CN 103206615 A4/5页6号，同时含有较多的工模信号，因此就需要差动放大电路消除共模信号，放大差模信号；考虑到集成电路制造厂家制造工艺的差异性，导致内部运放的差分对管不可能是标准对称，因此要对集成运放进行调零以弥补失调电压和失调电流带来的影响。模数转换模块负责将模拟的电信号转换为FPGA能够进行数据控制的数字信号，这里选用的模数模数转换器为24位的AD转换器ADS1256，具有采集速率高、精度准确、稳定性好的优点。0026 操作者可以通。
20、过人机交互界面将需要的光脉冲命令发送给FPGA，FPGA接收到命令后，控制光脉冲发射模块发射光脉冲到光纤内，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射或反射。其中一部分的散射和反射就会返回到油气管线光纤变形监测系统中，返回的有用信息由油气管线光纤变形监测系统的探测器来测量，并作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。当模数转换模块将采集的模拟信号转化为数字信号后，就要将数字信号输送到FPGA内。由于在发射回来的光脉冲信号中存在大量的噪声信号，因此就需要FPGA来对数字信号。
21、进行处理，提高光纤信号的信噪比，根据噪声功率分布的随机性原理，并且累加次数越多，数字信号的信噪比越好，得出来的光纤信号及越纯洁。因此通过数据处理模块(可采用ARM)来控制累加次数，FPGA来完成硬件上的累加，最后通过FPGA和ARM之间的并口将数据从FPGA传递给ARM。ARM是整个油气光纤变形监测系统的核心，接收FPGA传递过来的数据并通过存储器模块对数据进行存储来实现数据分析和处理。相应的ARM可选择ARM920T主功能芯片S3C2440A，并在此基础上引入嵌入式的Linux操作系统，以嵌入式图形用户界面Qt作为整个系统的人机交互界面，实现了数据的高速分析和处理、存储，并且人机交互界面非常。
22、直观、友好。0027 优选的，本具体实施方式提供的油气管线光纤变形监测系统可通过显示模块显示数据处理模块的操作结果，通过输入模块向数据处理模块输入操作指令及更改参数设置，通过参数设置模块将数据控制模块发送的光信号接收参数发送给光信号接收模块，通过复位模块将数据处理模块复位。通过串口模块与数据处理模块连接的串口设备完成数据交换。0028 本具体实施方式提供的油气管线光纤变形监测系统的整体工作流程如图3所示，数据采集任务负责实时采集从光纤的回波信号；数据处理任务负责对采集数据进行数据分析和处理；液晶显示任务负责提供良好的人机交互界面，油气管线光纤变形监测系统的整个人机交互界面都是由液晶显示来完成；。
23、串口通信任务负责与上位机进行数据传输，必要时可以通过PC机来完成相应的数据分析。0029 采用本具体实施方式提供的技术方案，在信号采集和调理模块的选择上有意识的提高光纤回波信号的接收信噪比、采样频率和取样精度，目的是增大光纤反射的动态范围和距离分辨率，同时运用FPGA和ARM通过并口通讯实现了数据交换，提高了数据存储量和工作效率，有效减少硬件电路之间的噪声干扰，同时选取容量大、性能可靠的器件，在一定程度上提高了光纤的动态范围。在软件设计上引入了嵌入式Linux操作系统，充分发挥FPGA和ARM的高速处理能力，有效提高主控程序的多任务执行力，高速数据采集、处理，以及提供良好的人机交互界面，实现了。
24、真正实时地油气管线在线监测，可以有效地对油气管线变形做出预警和判断，根据人机交互界面显示出来的具体位置来标定在哪个地方出现了变形以尽快处理事故。说 明 书CN 103206615 A5/5页70030 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实施例揭露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。说 明 书CN 103206615 A1/2页8图1图2说 明 书 附 图CN 103206615 A2/2页9图3说 明 书 附 图CN 103206615 A。