光纖傳感管道預(yù)警技術(shù)及全光纖弱磁傳感發(fā)展研究

于振欣，孫崢

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)第七一五研究所,浙江杭州，310023；2.中電?？导瘓F(tuán)第五十二研究所,浙江杭州，310023)

0 引言

近些年來(lái)，隨著我國(guó)管道事業(yè)的不斷發(fā)展，管道運(yùn)營(yíng)管理安全工作在進(jìn)行中面臨這越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。對(duì)于石油公司企業(yè)而言，在日常工作中如何才能有效保障管道安全使用的前提下進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本是其需要思考的主要問(wèn)題。當(dāng)前為了進(jìn)一步加大對(duì)石油管道的保護(hù)，人類主要是通過(guò)人工巡視、防止第三方人為地破壞等方式。在對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)中，主要采取的檢測(cè)技術(shù)有負(fù)壓波、次生波等。然而這些技術(shù)只能在管道遭受破壞到發(fā)揮作用，并不能采取有效措施對(duì)其進(jìn)行預(yù)防。隨著技術(shù)的不斷深入研究，有關(guān)于弱磁場(chǎng)的探測(cè)吸引著研究人員注意力。然而當(dāng)前弱磁測(cè)量設(shè)備的實(shí)際發(fā)展情況依然無(wú)法滿足一些極端條件下的需求，因此需要不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。具備高性能以及高靈敏度的弱磁測(cè)量設(shè)備的研制有著極其廣泛的應(yīng)用空間。通過(guò)一定的方式將光導(dǎo)光纖傳感器本身所具有的高精度傳感線與原子磁力儀技術(shù)的高靈敏，與弱磁探測(cè)能力密切地結(jié)合起來(lái)可以為弱磁場(chǎng)的測(cè)量提供新的技術(shù)支撐。

1 光纖傳感管道預(yù)警技術(shù)

當(dāng)前人類主要利用光纖傳感對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)利用管道內(nèi)部所鋪設(shè)的光纜作為傳感器對(duì)管道的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效獲取沿線周邊土壤所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并且使其以光纖為圓心的4 米范圍內(nèi)形成有效地保護(hù)地帶。借助于信息分析技術(shù)對(duì)傳感器所獲得的信息進(jìn)行深度剖析，一旦發(fā)現(xiàn)一些可能危及管道安全的事件，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。該技術(shù)在具體應(yīng)用中，不但要通過(guò)分析計(jì)算工作的進(jìn)行對(duì)各類事件的類型及性質(zhì)進(jìn)行有效判斷，同時(shí)還需要通過(guò)GIS 及GPS 技術(shù)的有效利用世界對(duì)事件發(fā)生的地點(diǎn)進(jìn)行有效定位，及時(shí)告知技術(shù)人員事故發(fā)生的具體點(diǎn)位。保障生產(chǎn)管理人員可以快速對(duì)事件進(jìn)行響應(yīng)，前往工作現(xiàn)場(chǎng)采取有效的措施對(duì)其進(jìn)行處理，防止造成更大的破壞。圖1 為光纖傳感管道的預(yù)警示意圖。

圖1 光纖傳感管道預(yù)警示意圖

2 基于OTDR 技術(shù)管道預(yù)警原理及其系統(tǒng)組成

2.1 基于OTDR 技術(shù)管道預(yù)警原理

為了全面保障輸出功率，由光調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行功率的輸出工作，確保在最大程度上輸出窄脈沖光。而傳感光纖在擁有窄脈沖光之后，將會(huì)通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瑞利散射光。其它設(shè)備最終得到的疊加光信號(hào)是經(jīng)過(guò)光調(diào)制以后反射回來(lái)的，進(jìn)入到光接收模塊之后形成了光電轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換則是在光電轉(zhuǎn)換工作完成之后，進(jìn)入到信號(hào)采集器當(dāng)中。為了方便后續(xù)分析工作的進(jìn)行，需要對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，而預(yù)處理工作則是由信道協(xié)處理器完成的。經(jīng)過(guò)分析后得到的最終結(jié)果將會(huì)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)當(dāng)中，從而得到管網(wǎng)周邊所產(chǎn)生的一系列震動(dòng)信息。如果發(fā)生線振動(dòng)信息當(dāng)中存在對(duì)管道造成破壞的隱患，則最終結(jié)果會(huì)傳輸?shù)街骺仄飨到y(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行報(bào)警活動(dòng)。因此一旦窄線寬光脈沖以最大功率進(jìn)行輸出之后，為了采樣工作的合理進(jìn)行需要將其向后傳播，并且對(duì)產(chǎn)生的瑞利散射光干涉信號(hào)進(jìn)行多點(diǎn)采樣工作。在采樣中要保障采集樣本的代表性。采樣工作完畢之后對(duì)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，最終由系統(tǒng)進(jìn)行綜合判定確定管道是否在使用中發(fā)生了第三方破壞。一旦埋設(shè)光纜的位置出現(xiàn)一定幅度的震動(dòng)，很可能會(huì)使瑞利散射光在該位置出現(xiàn)相應(yīng)的變化，從而使與散射光相應(yīng)的干涉光強(qiáng)產(chǎn)生變化。而后可以通過(guò)相關(guān)設(shè)備及時(shí)將前后瑞麗散射信號(hào)與前一時(shí)刻的后向瑞利散射信號(hào)進(jìn)行相減。差值曲線上發(fā)生大幅度變化的干涉信號(hào)就是發(fā)生擾動(dòng)的確切位置，具體而言可以通過(guò)公式1 進(jìn)行計(jì)算。

3 管道預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)

管道預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有以下幾個(gè)方面的功能：

表1 管道預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

第一，由于其內(nèi)部組件的合理配置可以令該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)縫隙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地改變了傳統(tǒng)的人工巡檢，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在事故發(fā)生之前，便可以向工作人員進(jìn)行預(yù)警。

第二，在該系統(tǒng)在應(yīng)用中對(duì)纖芯資源的占有量很少，只需要一根光纖便可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號(hào)的傳輸工作。

第三，定位精度非常高。該系統(tǒng)通過(guò)把一根特定的光纜劃分為幾個(gè)連續(xù)的傳感單元，對(duì)整條線路的振動(dòng)信號(hào)以及噪聲產(chǎn)生的空間進(jìn)行嚴(yán)格的劃分。其實(shí)際定位精度可以高達(dá)±50 米。

第四，擁有極強(qiáng)的抵抗外界干擾的能力?？梢愿鶕?jù)環(huán)境噪聲的具體特性，分別采取針對(duì)性的手段對(duì)事件進(jìn)行有效監(jiān)督。保障幾個(gè)并行事件之間的監(jiān)督工作不會(huì)受到彼此之間的影響。

第五，具有非常靈敏的監(jiān)測(cè)能力。該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到管道附近30 米以內(nèi)是否存在機(jī)械施工行為，管道15 米以內(nèi)是否存在車輛碾壓事件，同時(shí)還可以對(duì)5 米范圍內(nèi)是否有人類進(jìn)行活動(dòng)等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。

第六，擁有非常強(qiáng)大的類型識(shí)別能力。一旦該系統(tǒng)在應(yīng)用中發(fā)生預(yù)警事件，系統(tǒng)立即對(duì)事件的類型進(jìn)行有效識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。而預(yù)測(cè)事件失誤的概率僅占10%。

4 原子弱磁傳感總體結(jié)構(gòu)

對(duì)于原子弱磁傳感而言，為了保障及各項(xiàng)功能的合理發(fā)揮。一般采用如圖2 所示的基本工作原理。

圖2 原子磁力儀工作框圖

原子弱磁傳感儀系統(tǒng)是由泵浦光光路、檢測(cè)光光路等部分構(gòu)造而成。原子磁力儀系統(tǒng)當(dāng)中的泵浦光光路是由激光器、起偏器以及1/4 波片經(jīng)過(guò)有機(jī)配合密切組合而成的。就一般情況而言，當(dāng)工作人員打開(kāi)激光器，激光器通過(guò)內(nèi)部元器件功能的發(fā)揮發(fā)射出一道特定參數(shù)的激光束。該激光束后續(xù)將會(huì)通過(guò)起偏器。由于起偏器所具有的重要作用，可以使其變?yōu)橐皇刂椒较虿粩嗾駝?dòng)的線偏振光。為了有效保障后續(xù)工作的正常進(jìn)行，人們將1/4 波片與起偏器呈現(xiàn)45 度角。在這樣的情況下線偏振光一旦經(jīng)過(guò)1/4 波片之后，將會(huì)進(jìn)一步變成左旋圓偏振光。左旋圓偏振光繼續(xù)向前傳播，經(jīng)過(guò)原子氣室之后會(huì)和位于氣室內(nèi)部的一些原子產(chǎn)生相互作用，原子在吸收左旋圓偏振光所產(chǎn)生的光子能量之后，將會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生能級(jí)躍遷，轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)，從而進(jìn)一步使得堿金屬原子氣室的光學(xué)特性產(chǎn)生一系列特定的變化。

為了有效保障監(jiān)測(cè)光光路的合理性，研究人員為其配備了激光器、起偏器以及檢偏裝置。當(dāng)激光器發(fā)射出的激光途經(jīng)起偏器之后將會(huì)變成線偏振光。而線偏振光入射到極化原子氣室之后，偏振平面將會(huì)發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。然后由檢偏裝置對(duì)偏振面的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行全面測(cè)量，最終得到原子自旋極化率這一重要參數(shù)，將該參數(shù)代入特定的公式計(jì)算后，可以最終得到待測(cè)弱磁場(chǎng)的具體大小。

原子磁力儀系統(tǒng)當(dāng)中不同元器件都有各自特定的作用，對(duì)于原子磁力儀系統(tǒng)作用的正常發(fā)揮都有著非常重要的意義。其中亥姆霍茲線圈的意義更為重大，通過(guò)其作用的正常發(fā)揮可以生成待測(cè)量的弱磁場(chǎng)；而磁屏蔽筒則可以全面屏壁測(cè)量工作進(jìn)行中來(lái)自于外界環(huán)境中的一些磁場(chǎng)干擾，從而使得原子氣室處于弱磁場(chǎng)的環(huán)境當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)自旋交換弛豫狀態(tài)。通過(guò)加熱裝置可以使得位于原子氣室內(nèi)部的一些金屬固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。除此之外，位于原子氣室內(nèi)原子的密度和加熱溫度有著非常密切的聯(lián)系。通過(guò)這項(xiàng)特性不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱裝置可以對(duì)原子的密度數(shù)進(jìn)行間接調(diào)節(jié)。

5 全光纖弱磁傳感發(fā)展趨勢(shì)

擁有超高靈敏度的原子磁力儀由于在具體應(yīng)用中所具有的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，將會(huì)是未來(lái)探究弱磁測(cè)量影領(lǐng)域不可或缺的設(shè)備之一。圖3 為原子磁力儀的原理示意圖。

圖3 原子磁力儀原理示意圖

相信在不久的將來(lái)，醫(yī)學(xué)可以采用該儀器代替常用的SQID，對(duì)人類的一些中重要器官進(jìn)行使圖像成像。對(duì)一些不易檢測(cè)的部位如人類的大腦以及心臟等進(jìn)行有效探測(cè)，觀察其是否發(fā)生病變。當(dāng)前國(guó)外以普林斯頓大學(xué)為代表的研究團(tuán)隊(duì)，當(dāng)前已經(jīng)在原子磁力儀取得了巨大的成就。而國(guó)內(nèi)由于各項(xiàng)因素的影響當(dāng)前依然處于起步階段，因此我國(guó)需要進(jìn)一步加大對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究力度，研制出更具有更高性能的磁力儀。光纖傳感器所能發(fā)揮的作用是其他傳感器所無(wú)法比擬的。這一傳感器在具體應(yīng)用中，擁有超高靈敏性，而且可以抵抗周邊環(huán)境的腐蝕。除此之外，在實(shí)際應(yīng)用中占地占據(jù)空間面積很小，而且擁有較強(qiáng)的干擾能力。以光學(xué)科技為基礎(chǔ)的光纖傳感器可以對(duì)各物理量進(jìn)行精確地測(cè)量，同時(shí)其魯棒性也非常高。當(dāng)前，為了促進(jìn)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，世界上各個(gè)國(guó)家都在積極研發(fā)光纖傳感器。在諸多的研究領(lǐng)域當(dāng)中，光纖陀螺儀利用光纖中兩個(gè)偏振模式的賽格納克效應(yīng)所產(chǎn)生的干涉來(lái)對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行有效測(cè)量。經(jīng)過(guò)多年的研究，當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10-50/h的高精度慣性測(cè)量。通過(guò)這些發(fā)展不難發(fā)現(xiàn)，隨著光纖傳感技術(shù)的不斷向前發(fā)展以及原子磁力儀在實(shí)際使用中具有的高精度性能實(shí)現(xiàn)對(duì)弱磁的有效探測(cè)以及測(cè)量技術(shù)的高靈敏度、高精度、小型化、集成化是未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)管道預(yù)警系統(tǒng)作用的正常發(fā)揮可以對(duì)管道進(jìn)行全線覆蓋，并且對(duì)其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在具體應(yīng)用中擁有較高的靈敏度，而且響應(yīng)快速，可以對(duì)事故發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，對(duì)于保障我國(guó)管道安全有著非常重要的意義。通過(guò)該系統(tǒng)的有效應(yīng)用，可以讓管道防護(hù)工作變被動(dòng)為主動(dòng)。真正的對(duì)管道安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題的管道并且對(duì)其進(jìn)行有效處理。同時(shí)該系統(tǒng)還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道中存在的一些微小安全隱患，并且采取有效的預(yù)防方案更好的避免了出現(xiàn)大規(guī)模安全事故。管道預(yù)警系統(tǒng)對(duì)我國(guó)長(zhǎng)輸管道有很高的利用價(jià)值，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。同時(shí)系統(tǒng)全光纖化具備的整體性、封閉性大大地增加了測(cè)量裝置在基體使用中所具有的穩(wěn)定可靠性，可以大大降低了外界干擾帶來(lái)的噪聲，從而使得測(cè)量裝置的精度得到了大幅度提高。