基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测系统与方法，方法包括设置沙漠埋地管道监测系统，并通过沙漠埋地管道监测系统采集埋地管道的振动信号和温度信号；对振动信号中的原始散射曲线进行差分处理得到最初的光强变化幅度结果，并运用滤波算法对差值曲线进行平滑处理，得到振动源位置数值；利用温度信号中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强进行温度解调，得到温度数值；获取振动信号的振动波形和温度信号的温度波形，提取振动波形和温度波形的频域的信号特征并计算管道移位变形大小，根据预设的判定条件判断故障事件类型。本发明专利技术能有效监测沙漠地带埋地管道由于沙丘移动而产生异常状况，可实时监测管道沿线情况，故障定位监测准确性高。故障定位监测准确性高。故障定位监测准确性高。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测系统与方法


[0001]本专利技术涉及管道监测
，尤其涉及一种基于分布式光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测系统与方法。

技术介绍

[0002]随着我国能源结构的变革和能源需求的增加,石油、天然气在我国能源需求中将会逐年增加。石油、天然气从开采到消费需要经过层层环节，而且受制于我国能源分布的影响，产地和消费密集地区可能要跨越上千公里之远。油气的运输普遍采用管道运输方式，目前管道运输已成为石油、天然气等危险物质以及流质物料的主要运输方式，尤其是在国家能源战略的调整以及西气东输工程的成功运行之后，管道运输方式得到了大规模地使用。但是由于运输地理位置跨度大，特别是处于含有流沙区域的沙漠地带，工作环境恶劣，从而导致管道的损耗尤为严重，使用寿命普遍低于正常值，出现管道的裸露、移位、拱起、扭曲、剪切、泄漏甚至管道断裂问题，导致管道事件日益频发，不仅会使企业承受重大的经济损失还有可能对人民的生命财产以及环境造成巨大的威胁。在管道输送过程中不发生异常问题显然是不切实际的，所以对于研究人员来说，只能从防微杜渐的角度考虑，及时、高效的监测出异常现象，将损失降到最低。对发生异常的管道段进行管道分析，得出关键信息，判断故障模式和故障等级，尽可能早的采取应对措施对故障进行补救。
[0003]如申请号为CN201410332580.4的专利申请公开了一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测方法，该方法包括在管道监测区域铺设分布式光纤传感器，同时在该管道的两端、或者在该管道上分段安装声波传感单元的步骤，利用分布式光纤传感器和声波传感单元同时对管道进行实时监测；为分布式光纤传感器配置光功率检测模块，并为声波传感单元配置声波信号接收与处理装置的步骤；当管道泄漏时，综合分布式光纤传感器检测到的泄漏信号和声波传感单元检测到的泄漏信号判断的步骤。虽然该方案采用光纤传感器和声波传感单元同时对管道进行实时监测，但是未对传感器提取的信号进行特征处理，监测信号的准确性不高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分布式光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道信息的监测系统与监测方法，通过上位机计算移位大小并分析埋地管道移位变形情况；然后通过埋地管道移位变形情况提取振动事件和温度事件信号特征；最后通过信号特征类型进行模式识别以及做出相应的预警处理措施。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006]一种基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测方法，包括以下步骤：
[0007]S1，设置沙漠埋地管道监测系统，并通过沙漠埋地管道监测系统采集埋地管道的振动信号和温度信号；
[0008]S2，利用差值算法对振动信号中的原始散射曲线进行差分处理得到最初的光强变
化幅度结果，并运用滤波算法对差值曲线进行平滑处理，去除振动信号中多余的噪声，得到振动源位置数值；
[0009]S3，根据自发拉曼散射效应技术和光时域反射技术，利用温度信号中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强进行温度解调，得到温度数值；
[0010]S4，获取振动信号的振动波形和温度信号的温度波形，提取振动波形和温度波形的频域的信号特征并计算管道移位变形大小，根据预设的判定条件判断故障事件类型。
[0011]具体的，步骤S2具体包括以下子步骤：
[0012]S21，假设系统采集到的N组后向瑞利散射信号，令t＝t1，t2，t3，...t
N
，其中t为散射信号集，为第i条后向瑞利散射信号；令移动平均次数为M，则平均后的后向瑞利散射信号集可表示为T＝{T1，T2，T3...T
P
}，其中P＝N
‑
M+1，该处理方法可用下式表示：
[0013][0014]其中，T
i
为移动平均后的第i条瑞利散射曲线；
[0015]S22，设定差分处理的作差间隔为m，m为大于1的自然数，对由相邻脉冲光发射形成的瑞利散射曲线T
i
和T
i
‑
m
做差，差分处理过程如下式所示：
[0016]ΔT＝abs[T(i)
‑
T(i
‑
m)][0017]其中，ΔT(i)表示第i条差值曲线，T
i
表示系统经过移动平均后的第i条瑞利散射曲线，m表示作差间隔，则移动差分后的信号集为：
[0018]ΔT＝{ΔT1，ΔT2，...，ΔT
N
‑
M+1
}
[0019]S23，将移动差分后信号集中每条曲线的同一采样点的幅度值按差值处理的时序，连缀画在同一张图中形成差值曲线图像，并在差值曲线图像找出埋地管道振动发生的位置，选取振动明显的采样点，画出同一位置点截面图，可提取出该采样点位置处对应的时域图像。
[0020]具体的，步骤S3具体包括以下子步骤：
[0021]S31，将采用斯托克斯光作为参考光，获得反斯托克斯光和斯托克斯光的比值I(T)表达式为：
[0022][0023]S32，在光纤通常在光纤的起始位置设置一段参考光纤设定参考光纤处的温度为T0，则参考光纤处反斯托克斯光强与斯托克斯光强比值为：
[0024][0025]进一步的，根据I(T)和I(T0)得到光纤各段的温度表达式为：
[0026][0027]其中，K
s
，K
as
表示反斯托克斯光与光纤截面相关的系数，S
b
表示光纤的后向散射因子，v
as
表示反斯托克斯光的频率，α0，α
as
分别表示入射光、反斯托克斯光的传输损耗系数，h
为普朗克常量，h＝6.626
×
10
‑
34
J.s；K为玻尔兹曼常量，h＝1.380
×
10
‑
23
J.K
‑1，L表示距离光源的位置，T为光纤所在环境的热力学温度，ΔT对于石英光纤值为1.359
×
10
13
Hz。
[0028]具体的，步骤S4中获取振动信号的振动波形和温度信号的温度波形，提取振动波形和温度波形的频域的信号特征过程具体包括以下子步骤：
[0029]S41，使用小波基对光纤信号S进行N层小波包分解，记第N层第j个节点的分解系数为
[0030]S42，对各节点分解系数重构，用表示的重构信号，则
[0031]S43，计算各子频带信号能量，的能量为：
[0032][0033]其中，x
j
(k)为重构子频带信号的离散值；计算信号总能量E，按各子频带能量占总能量的百分比归一化后即得到小波包能量特征：
[0034][0035]其中，
[0036]S44，计算各子频带信号的熵，对应的熵值为：
[0037][0038]其中，p
j<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测方法，包括以下步骤：S1，设置沙漠埋地管道监测系统，并通过沙漠埋地管道监测系统采集埋地管道的振动信号和温度信号；S2，利用差值算法对振动信号中的原始散射曲线进行差分处理得到最初的光强变化幅度结果，并运用滤波算法对差值曲线进行平滑处理，去除振动信号中多余的噪声，得到振动源位置数值；S3，根据自发拉曼散射效应技术和光时域反射技术，利用温度信号中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强进行温度解调，得到温度数值；S4，获取振动信号的振动波形和温度信号的温度波形，提取振动波形和温度波形频域的信号特征并计算管道移位变形大小，根据预设的判定条件判断故障事件类型。2.根据权利要求1所述的基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下子步骤：S21，假设系统采集到的N组后向瑞利散射信号，令t＝t1，t2，t3，...t
N
，其中t为散射信号集，为第i条后向瑞利散射信号；令移动平均次数为M，则平均后的后向瑞利散射信号集可表示为T＝{T1，T2，T3...T
P
}，其中P＝N
‑
M+1，该处理方法可用下式表示：其中，T
i
为移动平均后的第i条瑞利散射曲线；S22，设定差分处理的作差间隔为m，m为大于1的自然数，对由相邻脉冲光发射形成的瑞利散射曲线T
i
和T
i
‑
m
做差，差分处理过程如下式所示：ΔT(i)＝abs[T(i)
‑
T(i
‑
m)]其中，ΔT(i)表示第i条差值曲线，T
i
表示系统经过移动平均后的第i条瑞利散射曲线，m表示作差间隔，则移动差分后的信号集为：ΔT＝{ΔT1,ΔT2,...,ΔT
N
‑
M+1
}S23，将移动差分后信号集中每条曲线的同一采样点的幅度值按差值处理的时序，连缀画在同一张图中形成差值曲线图像，并在差值曲线图像找出埋地管道振动发生的位置，选取振动明显的采样点，画出同一位置点截面图，可提取出该采样点位置处对应的时域图像。3.根据权利要求1所述的基于光纤振动及温度测试的沙漠埋地管道监测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下子步骤：S31，将采用斯托克斯光作为参考光，获得反斯托克斯光和斯托克斯光的比值I(T)表达式为：S32，在光纤通常在光纤的起始位置设置一段参考光纤设定参考光纤处的温度为T0，则参考光纤处反斯托克斯光强与斯托克斯光强比值为：
进一步的，根据I(T)和I(T0)得到光纤各段的温度表达式为：其中，K
s
，K
as
表示反斯托克斯光与光纤截面相关的系数，S
b
表示光纤的后向散射因子，v
as
表示反斯托克斯光的频率，α0，α
as
分别表示入射光、反斯托克斯光的传输损耗系数，h为普朗克常量...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛亮，蒋炎，胡泽，肖小汀，汪敏，牟强，陈昊，靳涛，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：