一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法及系统，涉及石油管道监测技术领域，用以解决现有的基于分布式温度传感的管道泄漏监测不能对温差变化大或常温石油进行有效监测的问题。本发明专利技术的技术要点包括：采集待测传感光纤的光功率数据，并对光功率数据进行处理，以获取光纤的前向受激布里渊散射谱的谱宽；将前向受激布里渊散射谱的谱宽和预设阈值进行比较，以判断石油管道是否泄漏；其中，预设阈值为光纤外介质为空气时所对应的前向受激布里渊散射谱的谱宽。本发明专利技术能够实现测量稳定、鲁棒性高的分布式光纤石油管道监测，无需对传感光纤进行结构上的特殊处理；同时可以实现对管道传输不同石油种类的辨别。别。别。

【技术实现步骤摘要】
一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及石油管道监测
，具体涉及一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法及系统。

技术介绍

[0002]管道运输是油气的主要输送方式之一，但在传输过程中，管道结构易受到周边建设、自然腐蚀、地质灾害以及管道内部压力波动等因素影响，导致其变形或者破损，存在严重的安全隐患和污染问题，一旦泄露则会造成巨大的经济损失，带来不必要的资源浪费，因此及时发现管道泄漏并准确定位具有重要的安全意义。对此类大型设施进行结构健康检测的常规方法主要有：人工监测、分段试压检测、流量或压力突变法等，这些方法费时费力、不能做到实时监测，已远远不能适应现代自动化监测需要。
[0003]与传统的油气管线检测技术相比，分布式光纤传感技术具有灵敏度高、长距离传感、定位精确、响应时间较短和空间连续测量等优势，因此具有显著的应用前景。目前基于分布式光纤传感技术进行管道泄漏检测的物理量主要为：测量管道沿线的温度、应变分布情况和管道内的声波/振动、腐蚀/压力等。由于石油表现为高粘易凝特性，为了确保其在管道内正常流动，通常采用加热输送的方式来降低粘度。一旦运输管道出现泄漏，管道外的温度则会变化，通过连续实时测量管道沿线的温度分布情况，便可发现泄漏点。因此，基于光纤的分布式温度传感成为最常用的石油管道监测手段之一。然而，我国长输油气管道分布范围广阔，地形复杂，当运输管道面临恶劣的地理环境，周围温差变化大或管道运输常温石油等情况，基于分布式温度传感的泄漏监测方法则失效。<br/>
技术实现思路

[0004]为此，本专利技术提出一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法及系统，用以解决现有的基于分布式温度传感的管道泄漏监测不能对温差变化大或常温石油进行有效监测的问题。
[0005]根据本专利技术的一方面，提出一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、采集待测传感光纤的光功率数据，并对光功率数据进行处理，以获取光纤的前向受激布里渊散射谱的谱宽；其中，所述待测传感光纤沿石油管道铺设或环绕管道；
[0007]步骤二、将所述前向受激布里渊散射谱的谱宽和预设阈值进行比较，以判断石油管道是否泄漏；其中，所述预设阈值为光纤外介质为空气时所对应的前向受激布里渊散射谱的谱宽。
[0008]进一步地，步骤一中利用下述装置采集待测传感光纤的光功率数据，所述装置包括：窄线宽可调谐光纤激光器、单模光纤耦合器、第一单模光纤偏振控制器、第二单模光纤偏振控制器、任意波形发生器、第一双边带电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第三单模光
纤偏振控制器、正交偏振扰偏器、单模光纤环形器、微波源、第二双边带电光调制器、光学可调谐滤波器、第二掺铒光纤放大器、单模光纤隔离器、单模光纤光栅滤波器、光电探测器、采集卡；其中，
[0009]所述窄线宽可调谐光纤激光器连接所述单模光纤耦合器，所述单模光纤耦合器分别连接第一单模光纤偏振控制器和第二单模光纤偏振控制器；
[0010]所述第一单模光纤偏振控制器和所述任意波形发生器分别连接第一双边带电光调制器，所述任意波形发生器用于生成在时域上级联的激发长脉冲和探测短脉冲并加载到载波抑制状态的第一双边带电光调制器上，以对横向声波场进行相干激发和探测；所述第一双边带电光调制器连接所述第一掺铒光纤放大器，所述第一掺铒光纤放大器用于放大两个脉冲峰值功率；所述第一掺铒光纤放大器连接所述第三单模光纤偏振控制器，所述第三单模光纤偏振控制器连接正交偏振扰偏器，所述正交偏振扰偏器连接所述单模光纤环形器的1端口，使得调制后的脉冲经单模光纤环形器的2端口注入待测传感光纤中；
[0011]所述第二单模光纤偏振控制器和所述微波源分别连接所述第二双边带电光调制器，所述微波源用于将频率为传感光纤后向布里渊频移的微波信号加载到载波抑制状态的第二双边带电光调制器上；所述第二双边带电光调制器连接所述光学可调谐滤波器，所述光学可调谐滤波器用于滤除低频边带，并输出单边带连续探测光；所述光学可调谐滤波器连接第二掺铒光纤放大器，所述第二掺铒光纤放大器用于放大连续光功率，并经过单模光纤隔离器注入待测传感光纤中；
[0012]携带信息的散射光由单模光纤环形器的3端口输出，并经由单模光纤光栅滤波器滤波，所述单模光纤光栅滤波器连接光电探测器，以使携带信息的散射光转换为电信号，并被采集卡采集。
[0013]进一步地，所述装置中将第二双边带电光调制器和光学可调谐滤波器替换为单边带电光调制器。
[0014]进一步地，所述装置中将第三单模光纤偏振控制器和正交偏振扰偏器替换为随机扰偏器。
[0015]进一步地，步骤一中采集待测传感光纤的光功率数据的过程为：
[0016]利用任意波形发生器向待测传感光纤的一端注入在时域上级联的激发长脉冲光和探测短脉冲光，分别用于激发稳定的横向声波场和探测此声波场，频率间隔均为f
m
；
[0017]利用微波源向待测传感光纤的另一端先后注入频率为ν0+(ν
B
+f
m
/2)和ν0+(ν
B
‑
f
m
/2)，或频率为ν0‑
(ν
B
+f
m
/2)和ν0‑
(ν
B
‑
f
m
/2)的探测连续光，其中，ν
B
为待测传感光纤的后向布里渊频移，ν0为窄线宽可调谐光纤激光器输出激光的频率；
[0018]通过调控任意波形发生器，对激发脉冲和探测脉冲的FSBS频率f
m
进行扫描，测量获取探测脉冲高频分量和低频分量的光功率P1(z)和P2(z)。
[0019]进一步地，步骤一中对光功率数据进行处理的过程包括：
[0020]将两个光功率P1(z)和P2(z)作比、微分，即利用下述公式解调获得对应的分布式FSBS散射谱g(f
m
,z)：
[0021][0022][0023]式中，z为待测传感光纤长度的任意位置；
[0024]选取待测传感光纤指定位置处的FSBS散射谱，对其进行洛伦兹拟合，获取的强度谱最高点的横坐标即对应于光纤该位置处的FSBS共振频率，谱型半高全宽即对应FSBS谱宽。
[0025]进一步地，步骤二中所述预设阈值通过下述公式计算获得：
[0026][0027]其中，Γ
m
为预设阈值，即FSBS谱宽；Γ
s
为光纤本征谱宽；V
d
为光纤的纵波声速；d为光纤直径；r为横向声波在边界处的总反射率，Z
s
为光纤包层的声阻抗，Z
i
为光纤包层外介质
‑
空气的声波阻抗。
[0028]进一步地，所述待测传感光纤包括单模光纤、镀铝涂层光纤、氧化铝涂层光纤、铝合金涂层光纤或者聚酰亚胺涂层光纤。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采集待测传感光纤的光功率数据，并对光功率数据进行处理，以获取光纤的前向受激布里渊散射谱的谱宽；其中，所述待测传感光纤沿石油管道铺设或环绕管道；步骤二、将所述前向受激布里渊散射谱的谱宽和预设阈值进行比较，以判断石油管道是否泄漏；其中，所述预设阈值为光纤外介质为空气时所对应的前向受激布里渊散射谱的谱宽。2.根据权利要求1所述的一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法，其特征在于，步骤一中利用下述装置采集待测传感光纤的光功率数据，所述装置包括：窄线宽可调谐光纤激光器(1)、单模光纤耦合器(2)、第一单模光纤偏振控制器(3)、第二单模光纤偏振控制器(4)、任意波形发生器(5)、第一双边带电光调制器(6)、第一掺铒光纤放大器(7)、第三单模光纤偏振控制器(8)、正交偏振扰偏器(9)、单模光纤环形器(10)、微波源(12)、第二双边带电光调制器(13)、光学可调谐滤波器(14)、第二掺铒光纤放大器(15)、单模光纤隔离器(16)、单模光纤光栅滤波器(17)、光电探测器(18)、采集卡(19)；其中，所述窄线宽可调谐光纤激光器(1)连接所述单模光纤耦合器(2)，所述单模光纤耦合器(2)分别连接第一单模光纤偏振控制器(3)和第二单模光纤偏振控制器(4)；所述第一单模光纤偏振控制器(3)和所述任意波形发生器(5)分别连接第一双边带电光调制器(6)，所述任意波形发生器(5)用于生成在时域上级联的激发长脉冲和探测短脉冲并加载到载波抑制状态的第一双边带电光调制器(6)上，以对横向声波场进行相干激发和探测；所述第一双边带电光调制器(6)连接所述第一掺铒光纤放大器(7)，所述第一掺铒光纤放大器(7)用于放大两个脉冲峰值功率；所述第一掺铒光纤放大器(7)连接所述第三单模光纤偏振控制器(8)，所述第三单模光纤偏振控制器(8)连接正交偏振扰偏器(9)，所述正交偏振扰偏器(9)连接所述单模光纤环形器(10)的1端口，使得调制后的脉冲经单模光纤环形器(10)的2端口注入待测传感光纤(11)中；所述第二单模光纤偏振控制器(4)和所述微波源(12)分别连接所述第二双边带电光调制器(13)，所述微波源(12)用于将频率为传感光纤后向布里渊频移的微波信号加载到载波抑制状态的第二双边带电光调制器(13)上；所述第二双边带电光调制器(13)连接所述光学可调谐滤波器(14)，所述光学可调谐滤波器(14)用于滤除低频边带，并输出单边带连续探测光；所述光学可调谐滤波器(14)连接第二掺铒光纤放大器(15)，所述第二掺铒光纤放大器(15)用于放大连续光功率，并经过单模光纤隔离器(16)注入待测传感光纤(11)中；携带信息的散射光由单模光纤环形器(10)的3端口输出，并经由单模光纤光栅滤波器(17)滤波，所述单模光纤光栅滤波器(17)连接光电探测器(18)，以使携带信息的散射光转换为电信号，并被采集卡(19)采集。3.根据权利要求2所述的一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法，其特征在于，所述装置中将第二双边带电光调制器(13)和光学可调谐滤波器(14)替换为单边带电光调制器。4.根据权利要求2或3所述的一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法，其特征在于，所述装置中将第三单模光纤偏振控制器(8)和正交偏振扰偏器(9)替换为随机扰偏器。
5.根据权利要求2
‑
4中任一项所述的一种基于前向受激布里渊散射的分布式石油管道监测方法，其特征在于，步骤一中采集待测传感光纤的光功率数据的过程为：利用任意波形发生器(5)向待测传感光纤的一端注入在时域上级联的激发长脉冲光和探测短脉冲光，分别用于激发稳定的横向声波场和探测此声波场，频率间隔均为f
m
；利用微波源(12)向待测传感光纤的另一端先后注入频率为ν0+(ν
B
+f
m
/2)和ν0+(ν
B
‑
f
m
/2)，或频率为ν0‑
(ν
B
+f
m
/2)和ν0‑
(ν
B
‑
f
m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：董永康，任玉丽，巴德欣，李天夫，李宏伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：