基于φ-OTDR的分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

引言

近年來(lái),我國(guó)油氣消耗大幅度增加,對(duì)低成本、高安全性油氣管道運(yùn)輸?shù)男枨笈c日俱增。但隨著管道運(yùn)輸?shù)膹V泛應(yīng)用,各類管道泄漏事故層出不窮,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)、能源損失,環(huán)境污染以及人員傷亡,因此油氣輸送管道的泄漏監(jiān)測(cè)及泄漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位已成為管道安全運(yùn)行的重要保障。對(duì)油氣運(yùn)輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)和定位,可為泄漏管道的及時(shí)報(bào)警和維修提供便利條件,從而極大地減少經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費(fèi),盡可能避免因泄漏引起的環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)定位方法中,有的是沿光纜全線逐點(diǎn)進(jìn)行人工檢驗(yàn),效率低下,實(shí)施難度大,有的是通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)各種參數(shù)再配合軟件技術(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè),但這些方法基本都存在不能提前預(yù)警、定位難以及成本較高等缺點(diǎn)。因此,本文提出了一種基于φ-OTDR(Phase-sensitiveiotipactilem1laindefcept1letdy）的分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng),其安裝更加方便,且提高了定位精度。

1系統(tǒng)工作原理

1.1分布式光纖監(jiān)測(cè)原理

分布式光纖傳感是一種比較先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù),其中的光纖集傳輸介質(zhì)和傳感元件于一體,可以實(shí)時(shí)獲取光纖敷設(shè)區(qū)域隨時(shí)空變化的溫度、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變等被測(cè)量信息及環(huán)境信息。其工作原理是當(dāng)光線在光纖中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生后向散射效應(yīng),其中與入射光頻率相同的為瑞利散射,與入射光頻率不同的為拉曼散射或布里淵散射,這些散射光中攜帶光纖纖芯的幾何與物理特性變化信息。當(dāng)傳感區(qū)域內(nèi)某些被測(cè)參數(shù)的改變作用于光纖某處時(shí),會(huì)改變?cè)撎幑饫w纖芯的尺寸和折射率,從而使光纖中光波信號(hào)的相位和強(qiáng)度等發(fā)生改變,通過(guò)監(jiān)測(cè)該點(diǎn)光信號(hào)的偏振狀態(tài)、相位、波長(zhǎng)等參數(shù)的變化,就可以獲得該處的壓力、溫度等被測(cè)參數(shù)的信息。分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、成本較低且受環(huán)境影響較小,因此其近年來(lái)在管道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。

1.2φ-OTDR泄漏監(jiān)測(cè)原理

相位敏感光時(shí)域反射φ-OTDR的監(jiān)測(cè)原理:光線在沿光纖傳播的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生后向瑞利散射,當(dāng)光纖某點(diǎn)受到外界泄漏干擾時(shí),該點(diǎn)就會(huì)發(fā)生彈光效應(yīng),改變光纖纖芯的折射率,繼而散射光的光強(qiáng)也由于干涉的作用發(fā)生變化,散射光強(qiáng)隨著傳播距離的延長(zhǎng)而衰減,且在一定條件下傳播距離正比于時(shí)間。

設(shè)光纖長(zhǎng)為l,入射光的中心波長(zhǎng)為λ,光纖折射率為n,則相位,當(dāng)光纖受擾動(dòng)時(shí),光的相位變化為:

式(1）中,光纖長(zhǎng)度的改變量Al=sl,其中s表示光纖的縱向應(yīng)變張量[5],由于相位被調(diào)制發(fā)生改變,則相應(yīng)的光電探測(cè)器所測(cè)得的電流也會(huì)發(fā)生改變。假設(shè)第n個(gè)散射點(diǎn)受到擾動(dòng),則干擾前后的電流變化為:

綜合式(1）和式(2）可知,根據(jù)相位變化就可以計(jì)算出瑞利散射相干光強(qiáng)的變化,并得到相應(yīng)的泄漏擾動(dòng)信息。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于光源線寬越窄,光的干涉效果越好,因此系統(tǒng)采用超窄線激光器作為監(jiān)測(cè)光源。函數(shù)發(fā)生器和聲光調(diào)制器通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制把光源發(fā)出的光調(diào)制成脈沖光,再經(jīng)摻餌光纖放大器放大至23dBm后進(jìn)入管道內(nèi)的傳感光纖。脈沖光在傳感光纖中傳輸時(shí),受到纖芯折射率不均勻性的影響,產(chǎn)生在光纖內(nèi)逆向傳播的后向瑞利散射光,當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),會(huì)對(duì)傳感光纖產(chǎn)生擾動(dòng),光纖內(nèi)瑞利散射光的相位也會(huì)受到相應(yīng)調(diào)制而攜帶泄漏信息,通過(guò)分析這些后向瑞利散射信號(hào)即可獲得傳感光纖上不同位置的擾動(dòng)情況進(jìn)而獲得泄漏信息。后向瑞利散射相干光通過(guò)環(huán)形器被光電探測(cè)器接收,轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y(cè)量的電信號(hào),然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行采集以形成傳感光纖內(nèi)完整的空域信號(hào)并送到上位機(jī)進(jìn)行小波消噪處理,以確定是否產(chǎn)生泄漏并完成泄漏位置的定位計(jì)算。

2.2閾值函數(shù)與閾值選取

常用的小波閾值降噪方法有軟閾值函數(shù)降噪和硬閾值函數(shù)降噪兩種,其中硬閾值函數(shù)的表達(dá)式為:

軟閾值函數(shù)的表達(dá)式為:

式中:λ為閾值。

其中硬閾值函數(shù)只處理絕對(duì)值比設(shè)定閾值小的小波系數(shù),所以不能消除比較大的噪聲,且連續(xù)性不好:軟閾值函數(shù)處理后的小波系數(shù)與原始值之間存在固定誤差,從而有可能導(dǎo)致小波重構(gòu)信號(hào)出現(xiàn)較大的誤差,丟失原始信息的某些特征。

為了在保留這兩種降噪函數(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上盡量彌補(bǔ)其缺陷,本實(shí)驗(yàn)選取指數(shù)閾值函數(shù),其函數(shù)表達(dá)式為

,指數(shù)閾值函數(shù)連續(xù)性較好,因此不會(huì)引起振蕩現(xiàn)象,且能夠處理所有的小波系數(shù),避免了有用的小信號(hào)被濾除的危險(xiǎn),適合泄漏噪聲的處理。

閾值是區(qū)分噪聲信號(hào)和泄漏信號(hào)的關(guān)鍵數(shù)據(jù),它的選取直接影響著去噪效果的好壞,因此閾值應(yīng)根據(jù)分解尺度的變化而改變,可利用下式選取最佳閾值:

式中:期為泄漏噪聲的方差:N為泄漏信號(hào)長(zhǎng)度:j為分解尺度。

2.3小波去噪流程設(shè)計(jì)

原始信號(hào)中有用信息和噪聲混疊在一起,有用信息甚至?xí)辉肼曚螞](méi),經(jīng)小波分析去噪后可以濾掉暫態(tài)和瞬態(tài)信號(hào),抑制高頻噪聲的影響,從而保留所需的信號(hào)尖峰及突變信號(hào)。其過(guò)程是經(jīng)過(guò)小波分解后,有用信號(hào)與噪聲信號(hào)被分解到不同區(qū)域,通過(guò)選取恰當(dāng)?shù)拈撝捣蛛x開(kāi)高頻和低頻區(qū)域的小波系數(shù),保留滿足閾值條件的有效信息,再對(duì)這些保留的有效小波系數(shù)進(jìn)行逆變換重構(gòu)并顯示結(jié)果,若沒(méi)有泄漏則輸出管道運(yùn)行正常信息,如有泄漏則發(fā)出報(bào)警。小波去噪流程如圖2所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)管道上加裝一段長(zhǎng)為20m的PE管道,加裝部分一段埋在沙土中,一段埋在水中,并開(kāi)兩個(gè)直徑為8mm、間距為10m的小孔。將一根長(zhǎng)為2km的單模光纖敷設(shè)于管道表面作為傳感光纖。選用中心波長(zhǎng)為1550nm、線寬為100Hz的超窄線寬激光器作為光源,探測(cè)脈沖為150ns,采樣頻率為50MHz,精度為14位,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可得,在2km的測(cè)試范圍內(nèi),該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的泄漏定位精度可控制在8m以內(nèi)。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)和小波去噪的管道泄漏定位系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對(duì)管道沿線發(fā)生的泄漏事故進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警,并且能較精準(zhǔn)地確定泄漏點(diǎn)的位置。通過(guò)小波去噪可以有效去除噪聲,提高定位精度,在2km范圍內(nèi)可達(dá)到8m以內(nèi)的精度。分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù),采用光纖作為傳感元件,安裝簡(jiǎn)單,精度較高,不易受電磁干擾,電絕緣性能優(yōu)越,且光纖具有較好的耐腐蝕性,更適用于潮濕復(fù)雜的管道敷設(shè)環(huán)境,在油氣輸送管道泄漏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。