一种天然气管道泄漏光纤检测系统的抗相位衰落系统技术方案

本实用新型专利技术是一种天然气管道泄漏光纤检测系统的抗相位衰落系统。涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。它包括光源、光路系统和电路部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，相邻的多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接包括泄漏信号识别电路和事件定位电路的信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机。本实用新型专利技术能有效地消除相位衰落引起的灵敏度和信噪比不稳定的问题、实现对泄漏信号的可靠检测。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是ー种天然气管道泄漏光纤检测系统的抗相位衰落系统。涉及机械振动的测量、冲击的測量和管道系统

技术介绍
目前，世界上建成的管道总长达到250万公里，已经超过铁路总里程成为世界能源主要运输方式，发达国家和中东产油区的油品输运已全部实现管道化。我国管道在近年也得到了较快发展，总长也超过7万公里，已初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源管网大格局，管道运输成为油气等战略能源的调配输送的主要方式。管道由于跨越地域广，受自然灾害、第三方施工破坏等原因，导致了较多的管道泄漏事故发生。国外管道安全情况也非常不容乐观，美国2010年9月9日圣布鲁诺市发生天然气管道大爆炸，爆炸在路面造成ー个长51米、宽9米的大坑。一段长约8米、直径76厘米的管道被炸上天，飞出大约30米远，并引发大范围火灾，导致4人死亡，3人失踪，至少52 人受伤，过火面积4公顷，数十桩房屋被烧毁。近年来人们安全、环保意识显著提升，作为高危行业的管道输运安全问题也得到越来越多的重视。目前成熟的技术中对于天然气管道泄漏监测只有声波监测法较为有效，但为了提高对泄漏监测的实时性和漏点定位的准确性，必须在管线上加大传感器的布设密度，同时増加相应的供电、通信设备，造成系统成本以及安装维护费用高昂。随着传感技术的发展国外如美国CSI、ATM0SI、欧洲TER等公司开展了 SCADA泄漏监测系统研究，Sensornet公司也开发了基于分布式光纤温度传感器的泄漏监测系统，部分产品在国内也申请了专利保护；国内天津大学、清华大学、中国人民解放军后勤工程学院等単位也对管道的泄漏监测方法做了深入研究。专利CN200410020046. 6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设ー根光缆，利用光缆中的光纤组成ー个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044. 0均为基于 Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879. 6是ー种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。《传感器与微系统》第26卷第7期的“基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法”公开了ー种基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测装置和方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度确定振动波源所在的位置，传感器输出的光强信号经光电转换后实现泄漏点的位置的确定。CN1837674A公开了一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏检测装置及方法。US2006/0225507A1公开了一种基于分布式光纤传感器的管道泄漏检测装置及方法。上述技术均属于分布式光纤传感监测方法。但该类技术监测泄漏时受到管道周围所发生的干扰事件的影响，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种能有效地消除相位衰落引起的灵敏度和信噪比不稳定现象、实现对泄漏信号的可靠检测的天然气管道泄漏光纤检测系统的抗相位衰落系统。具有较高泄漏振动传感灵敏度的天然气管道泄漏监测系统是通过増加干涉仪两传感臂的长度和空间距离从而实现了干涉仪对振动信号的感应灵敏度的提高，在对环境随机振动干扰的抑制方面采用了泄漏信号的智能识别技术，有效区分了随机偶发振动和突发性、持续性泄漏信号，并且结合相邻的多个传感器同时获取的泄漏信号时延，更加准确的实现了泄漏点的定位。利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的光纤作为发射和回传光纤，将管道泄露光纤传感器通过光复用技术相互并联接在发射和回传光纤之间，形成光回路，管道泄露光纤传感器安装在管道上，形成可监测管道泄露声波的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄露光纤传感器扫描，根据管道泄露光纤传感器的分布情况对采集的光电转换信号解调、提取，实现各个管道泄露光纤传感器的振动信息获取，检测分析管道泄露光纤传感器信号判断是否有管道泄露事件发生，依据相邻的管道泄露光纤传感器检测到信号的到达时间延迟实现对泄露点的定位。天然气管道泄漏光纤检测系统的抗相位衰落方法是在管道本体上每隔一定距离安装ー个迈克耳逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪结构的传感器，由若干个传感器通过光分束器和合束器并联接在发射光纤和回传光纤之间；基于锯齿波或倒锯齿波调制的激光器作为光源，以及不等臂长的迈克耳逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪作为传感器，在干涉仪信号中产生近似单频的余弦信号载波，使用与载波信号同频的余弦和正弦信号对载波信号进行解调，得到原始泄漏声波信号。采用光纤迈克耳逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪作为泄漏声波检测传感器，其输出的光强信号经光电转换后可以写成V0 1+Vcos (4) s+ 4)n+ 4) 0) +Vn (I)其中，Vtl是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，扒为由水声波引起的相差信号，即为要探测的泄漏声波信号，小。为干涉仪的初始相位，是个常量，为位相差的低频漂移，是ー个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。式(I)中，由于低频干扰随机变化，且幅度大，受变化影响，系统输出的信噪比在变化，且当Sint = 0时，信号完全消隐，此即称为干涉仪的相位衰落现象。为了消除相位衰落现象，采用相位载波技术来检测泄漏声波信号。具体如下制作迈克耳逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪时，使干渉仪两臂不等长，两臂长差为 AL；将锯齿波或倒锯齿波信号作为调制信号，频率至少为泄漏声波频带宽度的两倍，作用到光频可调的激光器，激光器输出光频按照锯齿波调制信号同步变化的激光，输入到迈克耳逊干涉仪，由于两臂不等长，通过两臂的激光将产生时延差，从而參与干渉的两束激光除了在锯齿波下降沿处外，其他时刻的光频差均为ー个常数，因此，干涉仪输出的干渉信号为ー个近似单频的余弦信号，角频率Qtl与干涉仪两臂长差AL成正比，AL越大，干渉信号频率越高；使用带通滤波器对干涉信号进行滤波，滤波器中心频率为干渉信号中心频率，带宽与锯齿波调制信号频率相同；滤波之后即可获得该干涉仪的载波信号，按照如下方法解调可消除信号的相位衰落问题，获得原始泄漏声波信号。传感器载波信号的解调原理见图6，干渉信号输出接带通滤波，带通滤波输出ー 路与cosf^wj)相相乘后接第一低通滤波，该低通滤波输出接第一微分电路，另一路与 sin(co0t)相接，相乘后接第二低通滤波，该低通滤波输出接第二微分电路；第一微分电路输出与第二低通滤波输出相接，相乘后再与第二微分电路输出与第一低通滤波输出相接， 相乘后再相接，相减后依次经积分、高通滤波，输出声波信号。本天然气管道泄漏检测传感器组的抗相位衰落系统的构成见图1，它包括光源、光路系统和电路部分；在管道本体上每隔一定距离安装ー个光纤传感器，相邻的多个光纤传感器构成ー个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接包括泄漏信号识别电路和事件定位电路的信号采集与处理模块，信号采集与处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张金权，王小军，李东，焦书浩，王赢，杨依光，张浩，崔海龙，厉宇，黄现玲，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气管道局，
类型：实用新型
国别省市：