CN203940239U - 管道光纤安全监测预警系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种油气管道安全监测预警系统。主要包括光源模块100、检测模块101、数据处理及控制模块102和传感模块103。光源模块100向传感模块103注入脉冲光，检测模块101检测传感光纤中的后向瑞利散射光，数据处理及控制模块102采集和处理数据，并且经通讯光纤a向中继放大装置a发射中继控制信号。传感模块103通过传感光纤拾取管道周围的振动信号，通讯光纤传输中继控制信号。本实用新型背景噪声的影响小，实现管道沿线多点振动信号的检测、识别、判断以及定位功能，具有很高的检测灵敏度、定位精度和不同事件识别准确率。
Description
技术领域
本实用新型是一种油气管道安全监测预警系统，尤其是涉及一种基于相干瑞利（Ф-OTDR）原理的分布式光纤传感技术，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术
管道运输作为一种安全、经济的运输方式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，因管道沿线第三方破坏、自然灾害等因素造成的管道安全事故时有发生，严重影响了管道的安全运行。为了维护管道的安全运行，减少危害管道安全事件的发生，管道安全运行与维护技术受到各国科技人员的高度关注。管道安全监测预警技术可以在管道遭到破坏前报警和定位，为阻止威胁管道安全事件的发生、减少财产损失和环境污染起着重要的作用。
目前，国内外已有多种利用管道同沟敷设的光缆监测管道沿线威胁事件的技术和方法，但这类技术主要基于传统的OTDR或光纤干涉仪原理研发的管道光纤安全监测预警技术。中国发明专利申请号02145502.3将传统OTDR技术应用于油气管道泄漏监测。OTDR技术是光时域反射（Optical Time DomainReflectometer）技术的简称，传统的OTDR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。因而该技术只能检测静态损耗和变化缓慢的扰动，不能实现管道沿线威胁事件振动信号的实时监测。
中国发明专利申请号200410020046.6，200610072879.6，200610113044.0，200720169440.5等采用多条光纤基于光纤干涉仪原理构成分布式光纤振动传感器监测管道沿线的振动信号，由于管道沿线环境比较复杂，背景噪声影响较强，分布较广，因而该类技术对管道沿线多点振动信号的检测、识别、判断以及定位比较困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计一种基于相干瑞利（Ф-OTDR）原理、采用脉冲光对管道沿线进行分段监测、背景噪声的影响小、实现管道沿线多点振动信号的检测、识别、判断以及定位功能、具有很高的检测灵敏度、定位精度和不同事件识别准确率的管道光纤安全监测预警系统。
管道光纤安全监测预警系统的原理是：当脉冲光在单模光纤中传输时，由于制备光纤的材料中存在杂质微粒，或者由于光纤本身密度的不均匀性就会使光纤在微观上存在折射率不同的微小区域，每个小区域成为散射中心，向四面八方发出同频率的次波，这些次波无固定相位关系，是一个随机的过程。如果光源的相干长度足够长，则这些背向瑞利散射光将相互叠加，形成相长或相消干涉，并形成干涉图样。在光源的相干长度Lc的范围内，在管道同沟敷设光纤埋设区域的外界环境不变的情况下，探测背向瑞利散射的强度分布，得到的强度分布图样是固定不变的，即背向瑞利散射光强满足一定的统计规律。而当外界环境改变时，将会对所在区域内的光纤产生一定的影响，从而改变光纤内瑞利散射的光强，按照统计规律，此时得到的背向瑞利散射光的相干图样也会发生相应的变化。通过分析这些变化，即可检测到光纤沿线的振动情况，从而实现对管道沿线一定范围的监控。
本实用新型的原理如图1所示。埋地管道(1)周围敷设有通讯光缆，使用其中一芯作为传感光纤(2)，一芯作为通讯光纤(3)，传感光纤(2)沿途增加光纤中继放大装置(5)，通讯光纤(3）接检测装置(6)和数据及控制模块(7)；数据及控制模块(7)通过通讯光纤(3)传输中继放大装置(5)的中继控制信号，实现对中继放大的实时调节,中继放大装置能够对正向传输的脉冲光波和后向传输瑞利干涉光信号同时进行放大;使用探测到的前后曲线相除，滤掉背景噪声，提高定位精度。
埋地管道1周围的振动信号4作用在管道同沟敷设光缆中传感光纤2上，光纤的折射率、长度、芯径等会有微小变化，造成该处相位发生变化。检测装置6中光源采用高相干光源，传感光纤2中后向瑞利散射相互干涉，由于干涉作用，相位的变化最终引起瑞利散射光强度的变化。通过探测这种变化来监测管道周围的振动信号。数据处理控制装置7可以经通讯光纤3向中继放大装置5发出中继控制信号来调整中继放大倍数。
管道光纤安全监测预警系统原理框图如图2所示。主要包括光源模块100、检测模块101、数据处理及控制模块102和传感模块103。光源模块100向传感模块103注入脉冲光，检测模块101检测传感光纤中的后向瑞利散射光，数据处理及控制模块102采集和处理数据，并且经通讯光纤a向中继放大装置a发射中继控制信号。传感模块103通过传感光纤拾取管道周围的振动信号，通讯光纤传输中继控制信号。
激光器驱动及保护装置、窄线宽激光器、1×2光纤耦合器、光功率放大器、光纤滤波器、光脉冲调制器、光纤环形器依次串接，其中光脉冲调制器需要连接脉冲控制器，1×2光纤耦合器输出比为99:1，光强比为0.99一端接光纤滤波器，光强比为0.01一端与经过放大的反射信号一起进入3×3耦合器；光纤环形器的输出端依次串接前置放大器、光纤滤波器，经过滤波的反射信号和1×2耦合器的一端一起接入3×3耦合器，3×3耦合器的三个输出端依次输入光电探测器、信号调理器、数据采集装置、信号处理及控制装置；数据处理及控制装置输出经光通讯装置接通讯光纤a至中继放大装置a之后，依次通过通讯光纤b、通讯光纤c至中继放大装置b、中继放大装置c。激光器驱动及保护装置为窄线宽激光器提供驱动及光源保护，窄线宽激光器输出连续光波后经内部隔离器输出至1×2光纤耦合器，一端接入光功率放大器，经过放大的连续光波通过光纤滤波器后进入光脉冲调制器，脉冲调制器的调制占空比由脉冲控制器来调节，经过调制之后的光脉冲通过光纤环形器进入传感光纤a，光脉冲再依次经过中继放大装置a、中继放大装置b、中继放大装置c之后分别进入传感光纤b、传感光纤c、传感光纤d；反射回来的光信号经过光纤环形器之后进入前置放大器，经过放大之后的光信号依次经过光纤滤波器、3×3光纤耦合器、光纤光电探测器以及信号调理器之后进入数据采集装置，采集到的三路信号进入信号处理及控制装置处理；信号处理及控制装置对接收信号判断之后发出中继控制信号，该信号通过光通讯模块进入通讯光纤a之后实现对中继放大装置a放大倍数的控制，然后依次通过通讯光纤b、通讯光纤c实现对中继放大装置b、中继放大装置c放大倍数的控制。
其中，中继放大装置的结构如图3所示。该中继放大装置结构简单，仅用一个掺铒光纤放大器就可以对正向传输的脉冲光和反向传输的瑞利干涉信号同时放大，接有通讯光纤a和通讯光纤b的光通讯装置输出依次串接中继放大控制电路、功率放大器，功率放大器输出经过光纤滤波器接至传感光纤b。
光通讯装置接收信号处理及控制装置7发出的中继控制信号，中继放大控制电路控制功率放大器，放大之后的信号需要经过光纤滤波器之后进入传感光纤。
所述的光纤均为单模光纤。
管道光纤安全监测预警系统的光电原理图如图4所示。光电原理图显示了各模块之间的连接方式。通过FC接口将光源模块与光纤环形器连接，经过FC接口与传感模块相连接；传感模块的后向瑞利散射光由单模光纤跳线进入检测模块，散射光信号经检测模块之后变为电信号通过BNC接口进入数据处理及控制模块，根据处理数据经通讯光纤相传感模块发射中继控制信号。
数据的处理主要由软件完成。软件部分进行数据的处理、判断是否有报警信息以及根据信号的强弱向中继放大装置5发出中继控制信号。
本实用新型的优点在于：
（1）本管道光纤安全监测预警方法定位原理利用探测到的曲线前后电压相除，相比传统的前后曲线相减能够更大的减小背景噪声的影响，具有更高的精度和更低的误报率；
（2）本管道光纤安全监测预警系统利用管道同沟敷设通讯光缆中的两根单模光纤构成了管道沿线振动传感器，在不加中继的情况下只需要一根单模光纤，节约了管道同沟敷设通讯光缆资源；
（3）本系统使用3×3耦合器解调原理，减小偏振衰落偏振影响，具有很高的灵敏度；
（4）本系统中继放大结构简单，仅需在传感光纤上串接一个可控、双向放大的光纤放大器就可以实现对正向传输的脉冲光和后向传输的相干瑞利散射光同时放大，并且可以根据后向散射光对中继放大倍数自动调整；
（5）该系统易于组网，可以实现复杂管网的安全监测；
（6）该系统所采用的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管道光纤安全监测预警方法原理图
图2管道光纤安全监测预警系统原理框图
图3中继放大装置原理框图
图4光电原理图
图5测试信号电压-时间关系曲线图
图6测试结果图
其中1-埋地管道 2-传感光纤
3-通讯光纤 4-振动事件
5-中继放大装置 6-检测装置
7-信号处理及控制装置 100-光源模块
101-检测模块 102-信号处理及控制模块
103-传感模块 8a-振动事件a
8b-振动事件b V1-检测曲线前一段时间内电压
V2-检测曲线后一段时间内电压 s0-振动事件定位曲线
l0-管道沿线光缆一点 t0-振动事件发生时间
具体实施方式
实施例.下面结合附图和具体实施方式对本系统作进一步详细说明：
本例的原理如图1所示。埋地管道1周围的振动信号4作用在管道同沟敷设光缆中传感光纤2上，光纤的折射率、长度、芯径等会有微小变化，造成该处相位发生变化。检测装置6中光源采用高相干光源，传感光纤2中后向瑞利散射相互干涉，由于干涉作用，相位的变化最终引起瑞利散射光强度的变化。通过探测这种变化来监测管道周围的振动信号。数据处理控制装置7可以根据探测信号的强弱经通讯光纤3向中继放大装置5发出中继控制信号来调整中继放大倍数。在数据处理控制装置7中可以对管道沿线不同地段设置不同的灵敏度。
管道光纤安全监测预警系统结构如图2所示：激光器驱动及保护装置驱动窄线宽激光器发出连续光波，光波首先经过激光器内部光纤隔离器，光纤隔离器可以有效的减少反射光对系统光源的危害，之后连续光波经过1×2光纤耦合器，耦合器光强比为0.99的一端经光功率放大器后进入光纤滤波器进行滤波处理，滤波器能够有效滤除放大过程中产生的噪声，经滤波后的连续光被光脉冲调制器调制成脉冲光，调制后的光脉冲占空比由脉冲控制器决定；脉冲光通过光纤环形器进入传感光纤a，依次经过中继放大装置a、中继放大装置b、中继放大装置c，放大后脉冲光进入传感光纤b、传感光纤c、传感光纤d，中继放大模块同时对脉冲光和反射回的干涉信号进行放大；反射回的干涉信号经光纤前置放大器放大之后通过光纤滤波器，滤波后的光信号与1×2光纤滤波器光强比为0.01的一端一同进入3×3光纤耦合器，3×3耦合器的三个输出端经光电探测器之后变为电信号，电信号经过信号调理器之后进入数据采集装置，采集到的数据在数据处理及控制装置进行后续处理、结果显示和判断之后发出中继控制信号，该信号分别经通讯光纤a、通讯光纤b、通讯光纤c传输至中继放大模块a、中继放大模块b、中继放大模块c，放大控制器根据该信号对光纤放大器进行调整以获得更好的反射信号，放大后的正向脉冲光需要经过滤波器之后再进入传感光纤。
本例中继放大装置结构如图3所示。光通讯模块接收数据处理及控制模块7发出的中继控制信号，放大控制电路根据该信号对光功率放大器进行调整，放大后的光信号通过光纤滤波器进行滤波。该装置中仅需一个掺铒光纤放大器就可以实现对脉冲光和瑞利干涉信号的同时放大，需要说明的是该系统可以根据实际需要监测的管道距离来确定需要的中继放大装置个数。
本例中光电原理图如图4所示。通过FC接口将光源模块与光纤环形器连接，经过FC接口与传感模块相连接；传感模块的后向瑞利散射光由单模光纤跳线进入检测模块，散射光信号经检测模块之后变为电信号通过BNC接口进入数据处理及控制模块，根据处理数据经通讯光纤相传感模块发射中继控制信号。
本例系统采集到的电压-时间原始曲线如图5所示，该曲线是实时采集的。由于注入光纤的光是高度相干的，因此采集到的曲线就是脉冲光在传感光纤内反射回来的瑞利散射光干涉的结果。
本例的事件定位结果如图6所示。该系统能够对不同位置的多个振动事件同时监测，多个事件最小分辨距离由系统的空间分辨率决定。图中振动事件8a与振动事件8b为根据上述定位原理得到的一时刻不同位置的振动事件，8a横轴对应时间t1、8b横轴对应时间t2，实用新型计算得出振动事件。
本例经试验，采用脉冲光对管道沿线进行分段监测，背景噪声的影响小，实现管道沿线多点振动信号的检测、识别、判断以及定位功能，具有很高的检测灵敏度、定位精度和不同事件识别准确率。
Claims (5)
1.一种管道光纤安全监测预警系统，其特征在于：管道光纤安全监测预警系统主要包括光源模块（100）、检测模块（101）、数据处理及控制模块（102）和传感模块（103）；电源模块（100）向传感模块（103）注入脉冲光，检测模块（101）检测传感光纤中的后向瑞利散射光，数据处理及控制模块（102）采集和处理数据，并且经通讯光纤a向中继放大装置a发射中继控制信号；传感模块（103）通过传感光纤拾取管道周围的振动信号，通讯光纤传输中继控制信号。
2.根据权利要求1所述的管道光纤安全监测预警系统，其特征在于管道光纤安全监测预警系统具体为：激光器驱动及保护装置、窄线宽激光器、1×2光纤耦合器、光功率放大器、光纤滤波器、光脉冲调制器、光纤环形器依次串接，光脉冲调制器需要连接脉冲控制器，1×2光纤耦合器输出比为99:1，光强比为0.99一端接光纤滤波器，光强比为0.01一端与经过放大的反射信号一起进入3×3耦合器；光纤环形器的输出端依次串接前置放大器、光纤滤波器，经过滤波的反射信号和1×2耦合器的一端一起接入3×3耦合器，3×3耦合器的三个输出端依次光电探测器、信号调理器、数据采集装置、信号处理及控制装置；数据处理及控制装置输出经光通讯装置接通讯光纤a至中继放大装置a之后，依次通过通讯光纤b、通讯光纤c,至中继放大装置b、中继放大装置c。
3.根据权利要求书1所述的管道光纤安全监测预警系统，其特征在于各模块之间连接的光电原理为:通过FC接口将光源模块与光纤环形器连接，经过FC接口与传感模块相连接；传感模块的后向瑞利散射光由单模光纤跳线进入检测模块，散射光信号经检测模块之后变为电信号通过BNC接口进入数据处理及控制模块，根据处理数据经通讯光纤相传感模块发射中继控制信号。
4.根据权利要求2所述的管道光纤安全监测预警系统，其特征在于所述中继放大装置的结构为：接有通讯光纤a和通讯光纤b的光通讯装置输出依次串接中继放大控制电路、功率放大器，功率放大器输出经过光纤滤波器接至传感光纤b。
5.根据权利要求书4所述的管道光纤安全监测预警系统，其特征在于：在传感光纤上串接一个双向放大的掺铒光纤放大器。
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