基于光纤感知的油气管道安全检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤感知的油气管道安全检测方法，首先沿油气管道沿线布置U型分布式传感光纤，其结构为：将检测管道泄漏引起的侵振动源的传感光纤布置为两边相互平行的U型光纤结构，从起始端依次划分为一系列连续且等长的子通道，每个子通道的长度为传感光纤入射脉冲激光线宽的一半，U型光纤结构相互平行的两侧上的子通道位置相互交错，两侧对应的两个子通道组成一组虚拟传感通道；在U型分布式传感光纤的一端连续发送一系列的脉冲激光，并同时在发送端接收由每组拟传感通道产生的背向散射激光；基于背向散射激光实现对管道泄漏引起的侵振动源的定位，获取管道泄漏位置。本发明专利技术检测方式简单、可靠性高、且抗电磁干扰。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤感知的油气管道安全检测方法
本专利技术涉及光纤传感、光纤通信与信号处理领域，具体涉及光纤传感、信号处理技术。
技术介绍
管道传输作为一种运输油气资源的最高效的方式，已经得到了广泛的应用。然而，近年来，因打孔盗油，自然灾害和管道老化等原因所引起的管道泄漏事件屡屡发生，使得经济和环境都付出了巨大的代价。因此，输油气管道的安全监测工作就显得特别重要。近年来，光纤传感技术发展迅速，它具有抗电磁干扰，灵敏度高，动态范围大等优点，并在油气管道安全监测领域有了应用。当油气管道泄漏事件所引起的振动或应力等事件作用于光纤时，光纤中所传输的光的相位和偏振态等参数就会发生变化，因此通过监测光信号的变化就可以实现对油气管道的安全监测。实现对油气管道的安全监测，主要使用的便是基于光时域反射技术(OTDR)的分布式光纤传感器。光时域反射技术(OTDR)技术的原理是由于光纤制备工艺的限制，造成光纤上各点的密度不均匀，进而折射率不均匀，这种不均匀性引起光在光纤中传输时发生瑞利散射。同时，光纤受到各种施加的外力(强烈的机械振动或微弱的声波振动)时也会导致局部折射率的变化，也会使得光纤中的散射光发生变化。这样，当在光纤一端注入脉冲激光进行传输时，其中一部分的背向散射光反向传输回光入射端，通常这对于光纤通信来说这是一种反射损耗，然而也正是因为这样的特性，可以通过探测接收到的随时间变化的背向散射光信号，来监测光纤链路上受到的应力变化情况。将一定重复频率的脉冲激光注入光纤进行探测时，其空间分辨率受限于激光脉冲宽度(T)的限制，最小空间分辨率要小于脉冲宽度的一半(T/2)。因此，如果采用缩短脉宽的办法来提升空间分辨率，那么注入光纤的激光能量将相应降低，从而导致探测距离的大幅下降，且探测系统的信噪比将急剧下降。另一方面，由于现有激光技术限制，减小激光的脉冲宽度成本很高昂且难以实现集成化，其通常的脉冲宽度为10米到几十米，从而导致基于OTDR技术的光纤分布式传感器的空间分辨率难以提高。同时决定光纤分布式传感器空间分辨率的另一个因素是其用于探测背向散射光信号的光电探测器的最低积分时间。由于光电探测器并不能分辨“高重复频率”信号，因此光电探测器输出的每一点电信号均是一小段时间内光子数的累积，对应于空间长度来说，光电探测器输出的每一点电信号均是一小段光纤内光子数的累积。因此，接收到的光时域反射信号经光电转换后，时域波形上其每一点的值均是一小段光纤中背向散射光的强度。由此可知，光电探测器的最低积分时间也限制了光纤分布式传感器的空间分辨率。基于上述光时域反射技术(OTDR)的光纤分布式传感器具有很高的灵敏度，同时具有极强的抗电磁干扰特性，且可在现有的基础设施上利用普通通信光缆实现长距离分布式传感，因此其在油气管道的监测领域作用很大。但入射激光的脉冲宽度和光电探测器的最低积分时间极大的限制了该类系统的空间分辨率。如果要实现高精度的油气管道的安全监测，就必须要进一步提高光纤分布式传感系统的空间分辨率。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于光纤感知的油气管道安全检测方法，以提高对管道泄漏位置的定位精度。本专利技术的基于光纤感知的油气管道安全检测方法，包括下列步骤：沿油气管道沿线布置U型分布式传感光纤，所述U型分布式传感光纤的结构为：将检测管道泄漏引起的侵振动源的传感光纤布置为两边相互平行的U型光纤结构，将传感光纤从起始端依次划分为一系列连续且等长的子通道，且每个子通道的长度为传感光纤入射脉冲激光线宽的一半，且所述子通道均匀分布在U型光纤结构相互平行的两侧上，且两侧上的子通道位置相互交错，两侧对应的两个子通道组成一组虚拟传感通道；在所述U型分布式传感光纤的一端连续发送一系列的脉冲激光，并同时在发送端接收由每组拟传感通道产生的背向散射激光；基于所述背向散射激光实现对管道泄漏引起的侵振动源的定位，获取管道泄漏位置。本专利技术是通过对相互交错的虚拟传感通道组的数据的叠加，从定位处理上缩短了光纤链路上背向散射光的采样长度，与现有光纤分布式传感器空间分辨率相比，若以两侧对应通道重叠50％通道长度的结构部署，其空间分辨率可提高2倍，因此该系统可以以更高的空间分辨率对整个光纤链路上的受力振动情况进行监测。为了进一步提升检测定位精度，提升空间分辨率，还可以沿周界围栏布置N条相互平行的传感光纤线路，形成N-1个U型分布式传感光纤，且每条线路上的各个子通道与其他线路上对应的子通道的位置相互交错，其中N大于2。当N条平行线路上各对应通道重叠1/N通道长度时，对人为入侵引起的振动的定位空间分辨率可提高N倍。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术具有低成本、高信噪比、结构简单、易于部署的特点，适合工程实际应用；同时，该专利技术在不要求减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不要求减小光电探测器最小积分时间的基础上，可将传统基于单条传感光纤的光纤分布式传感器分辨率提高N(N≥2)倍；进而该专利技术具有极强的实用性，可完全实现对油气管线安全隐患的高分辨率定位。附图说明图1为单U型结构的分布式光纤传感系统示意图；图2为单条光纤结构的分布式光纤传感系统示意图；图3为重叠单U型结构的分布式光纤传感系统示意图；图4为交错单U型结构通过交错通道信号叠加提高空间分辨率的原理图；图5为交错3U型结构分布式光纤传感系统示意图；图6为交错多U型结构分布式光纤传感系统示意图；附图标记：F1为用于传感的光纤；W为油气管道；D为管道泄漏点；C1、C2、C3……C69为各个通道；T代表通道C5；S1、S2、S3、S4、S5……S(N-2)、S(N-1)为每一个U型结构的中点；H1为环形器；L为窄带脉冲激光光源；M为光电探测模块；N为电信号处理模块；A0、A1、A2、A3、A4……A(N-1)、A(N)为入射光脉冲；R0、R1、R2、R3、R4……R(N-1)、R(N)为背向散射光；Z为人为破坏或管道泄漏产生的振动信号，在此处表示为振动源；4-A为振动信号(Z1)波形，4-B为光脉冲在光纤中传输时，通道C21、C22、C23、C24、C25、C26所采样的背向散射光信号波形，4-C为光脉冲在光纤中传输时，通道C10、C11、C12、C13、C14所采样的背向散射光信号波形，4-D为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……D10；5-A为振动信号(Z1)波形，5-B为光脉冲在光纤中传输时，通道C56、C57、C58、C59、C60、C61所采样的背向散射光信号波形，5-C为光脉冲在光纤中传输时，通道C50、C49、C48、C47、C46、C45所采样的背向散射光信号波形，5-D为光脉冲在光纤中传输时，通道C22、C23、C24、C25、C26所采样的背向散射光信号波形，5-E为光脉冲在光纤中传输时，通道C13、C12、C11、C10、C9所采样的背向散射光信号波形，5-F为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……D20。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。实施例1：基于单U型结构的分布式光纤传感系统：图1展示了基于单U型结构的分布式光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于光纤感知的油气管道安全检测方法，其特征在于，包括下列步骤：沿油气管道沿线布置U型分布式传感光纤，所述U型分布式传感光纤的结构为：将检测管道泄漏引起的侵振动源的传感光纤布置为两边相互平行的U型光纤结构，将传感光纤从起始端依次划分为一系列连续且等长的子通道，且每个子通道的长度为传感光纤入射脉冲激光线宽的一半，且所述子通道均匀分布在U型光纤结构相互平行的两侧上，且两侧上的子通道位置相互交错，两侧对应的两个子通道组成一组虚拟传感通道；在所述U型分布式传感光纤的一端连续发送一系列的脉冲激光，并同时在发送端接收由每组拟传感通道产生的背向散射激光；基于所述背向散射激光实现对管道泄漏引起的侵振动源的定位，获取管道泄漏位置。

【技术特征摘要】
1.基于光纤感知的油气管道安全检测方法，其特征在于，包括下列步骤：沿油气管道沿线布置U型分布式传感光纤，所述U型分布式传感光纤的结构为：将检测管道泄漏引起的侵振动源的传感光纤布置为两边相互平行的U型光纤结构，将传感光纤从起始端依次划分为一系列连续且等长的子通道，且每个子通道的长度为传感光纤入射脉冲激光线宽的一半，且所述子通道均匀分布在U型光纤结构相互平行的两侧上，且两侧上的子通道位置相互交错，两侧对应的两...

【专利技术属性】
技术研发人员：张扬，张茜，吴宇，刘宗豪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51