油氣長(zhǎng)輸管道伴行光纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)及斷點(diǎn)精確定位技術(shù)綜述*

張 濤1，曹文琛1，羅仁澤2a,，孫 嘯1，鄭宇恒1，沈 忱1，謝 斐1，鄧治林

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，成都 610218；2.西南石油大學(xué) a.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.電氣信息學(xué)院，成都 610500)

0 引 言

油氣長(zhǎng)輸管道是我國(guó)油氣資源的主要運(yùn)輸方式，對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及安全都十分重要。但是，我國(guó)油氣管道所經(jīng)地環(huán)境復(fù)雜，人工難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這給油氣資源運(yùn)輸安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)學(xué)者提出了管道伴行光纖監(jiān)測(cè)的方式用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣管道周邊的情況[1]。但是，隨著管道規(guī)模的逐步擴(kuò)大，管道伴行光纖的規(guī)模也隨之?dāng)U大。隨著時(shí)間的推移，管道伴行光纖由于老化、地質(zhì)變化、人為破壞等事件會(huì)受到不同程度的影響，甚至發(fā)生斷纖等事件，嚴(yán)重影響企業(yè)通信以及管道企業(yè)的安全運(yùn)行。因此，管道伴行光纖狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及斷點(diǎn)準(zhǔn)確定位對(duì)于管道企業(yè)安全運(yùn)行也十分重要。

光纖斷點(diǎn)檢測(cè)主要是檢測(cè)光在光纖中傳播時(shí)后向散射光的變化情況。激光器發(fā)出的光在光纖傳播過程中受光纖材質(zhì)不均勻性等影響，光子與纖芯晶格間發(fā)生碰撞會(huì)產(chǎn)生散射效應(yīng)，包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。當(dāng)光纖鏈路中有非常規(guī)能量損失點(diǎn)時(shí)，后向瑞利散射光特性會(huì)發(fā)生明顯變化，通過檢測(cè)后向散射光能量的大小可以定位傳輸衰減故障點(diǎn)[2]。當(dāng)光纖鏈路中有斷點(diǎn)時(shí)，光會(huì)在斷點(diǎn)處產(chǎn)生菲涅爾反射。光時(shí)域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometer,OTDR)可以對(duì)相關(guān)信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的定位與檢測(cè)[3-4]。早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)學(xué)者就開始研究光纖斷點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)時(shí)主要有傳送損失測(cè)定法、雜散光檢出法、相位零點(diǎn)檢測(cè)法、光脈沖反射法、光子探測(cè)或背向散射法[5-7]。但由于技術(shù)條件限制，有的方法在實(shí)際使用中效果并不理想，但是背向散射法檢測(cè)光纖斷點(diǎn)卻擁有較好的效果，現(xiàn)在一些光纖斷點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備大致也是依照類似的原理進(jìn)行檢測(cè)，并逐步成熟。隨著光纖故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，OTDR衍生出了多種不同類型的產(chǎn)品[8]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，許多設(shè)備都依賴計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)分析，OTDR也是如此，并且現(xiàn)有許多算法被用來分析OTDR設(shè)備傳回的信號(hào)。

現(xiàn)如今，對(duì)于企業(yè)而言，為維護(hù)企業(yè)內(nèi)部通信，光纖通信也是極其重要的通信方式，而目前企業(yè)也迫切需要對(duì)光纖狀態(tài)進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。到目前為止，大多光纖斷點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，而現(xiàn)在光纖所處環(huán)境日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備難以適應(yīng)目前實(shí)際需求，斷點(diǎn)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯得十分重要。

1 油氣長(zhǎng)輸管道伴行光纖狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

光纖斷點(diǎn)檢測(cè)儀器主要有脈沖法OTDR、光子計(jì)數(shù)法OTDR、相干法OTDR，其中相干法OTDR由于其自身優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用而取得了較好的發(fā)展。

1.1 脈沖法OTDR

如圖1所示，脈沖法OTDR采用脈沖激光器發(fā)射激光，光纖正常時(shí)產(chǎn)生瑞利散射，故障時(shí)有菲涅爾反射，利用脈沖激光光纖鏈路傳播時(shí)間確定光纖故障位置。但背向散射信號(hào)弱，有用信號(hào)難以獲得。雖然該法簡(jiǎn)單易行，但有著動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率不可兼得的缺點(diǎn)[8]。

圖1 脈沖法OTDR原理

1.2 光子計(jì)數(shù)法OTDR

利用光子雪崩效應(yīng)電子計(jì)數(shù)檢測(cè)，對(duì)背向散射信號(hào)位置定位[9]。2013年光子計(jì)數(shù)OTDR可在13 min內(nèi)識(shí)別出長(zhǎng)達(dá)217 km光纖的缺陷[10]。Li等人[11]研制了一種光子計(jì)數(shù)OTDR，該光子計(jì)數(shù)OTDR實(shí)現(xiàn)了小于9 cm的空間分辨率。Zhao等人[12]使用基于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)OTDR，獲得了46.9 dB的動(dòng)態(tài)范圍，最大感知距離為246.8 km，在100 km后測(cè)量光纖的時(shí)間減少到1 min。該法動(dòng)態(tài)范圍大、低噪聲，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組件價(jià)格高，同時(shí)測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，不宜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 光子計(jì)數(shù)法OTDR原理

1.3 相干法OTDR

1.3.1 簡(jiǎn)單編碼相干OTDR

該相干探測(cè)原理如圖3所示[13]。該類OTDR動(dòng)態(tài)范圍有所提高，但系統(tǒng)組件成本高昂，測(cè)量精度較低，并且隨著現(xiàn)在光纖檢測(cè)距離越來越長(zhǎng)，基于簡(jiǎn)單編碼的OTDR由于其編碼長(zhǎng)度的限制有可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)編碼的問題，這對(duì)信號(hào)的精準(zhǔn)檢測(cè)也存在一定程度上的干擾。

1.3.2 基于混沌信號(hào)的OTDR

(1)混沌信號(hào)的獲取

近年來，混沌激光被認(rèn)為是一種有希望產(chǎn)生高速隨機(jī)數(shù)的物理熵源。為了得到更好的混沌信號(hào)，研究人員也通過各種方式來獲取這種信號(hào)。Wu等人[14]通過實(shí)驗(yàn)研究了由半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)和雙半導(dǎo)體激光器組成的遠(yuǎn)距離等時(shí)混沌同步系統(tǒng)，通過外部反饋驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)混沌信號(hào)。Mu等人[15]研究了一個(gè)由三個(gè)級(jí)聯(lián)耦合半導(dǎo)體環(huán)形激光器(Semiconductor Ring Laser,SRL)組成的混沌系統(tǒng)，同時(shí)研究了所產(chǎn)生混沌的時(shí)延特征(Time-Delay Signature,TDS)和帶寬，并論證了在注入強(qiáng)度的參數(shù)空間中同時(shí)消除TDS和提高帶寬的可能性。Zhao等人[16]提出了一種快速產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方案，將傳統(tǒng)的混沌外腔半導(dǎo)體激光器(External-Cavity Semiconductor Laser,ECSL)的信號(hào)注入到頻譜擴(kuò)展模塊中，從而產(chǎn)生帶寬增強(qiáng)的混沌信號(hào)。仿真結(jié)果表明，該方案可產(chǎn)生帶寬增強(qiáng)的混沌光，其有效帶寬可提高到70 GHz。

半導(dǎo)體激光器由于受光反饋、光注入或光電反饋的影響，很容易發(fā)出大振幅的光學(xué)混沌信號(hào)。不幸的是，由于半導(dǎo)體激光器的弛豫振蕩頻率較低，利用上述三種技術(shù)產(chǎn)生的這些光學(xué)混沌信號(hào)的帶寬一直被限制在幾千兆赫。因此，光學(xué)混沌信號(hào)在帶寬方面的優(yōu)勢(shì)沒有得到充分利用。Wang等人[17]通過實(shí)驗(yàn)證明了用連續(xù)波光注入方法可以增強(qiáng)混沌激光產(chǎn)生的混沌信號(hào)的帶寬，采用光反饋的分布式反饋半導(dǎo)體激光器作為混沌激光器。與無光注入時(shí)相比，光注入混沌激光器使混沌信號(hào)的帶寬提高了約3倍。

Pan等人[18]對(duì)半導(dǎo)體激光器混沌信號(hào)的隨機(jī)性和帶寬增強(qiáng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，通過在傳統(tǒng)的主從配置中增加一個(gè)額外的注入路徑可以提高系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號(hào)的隨機(jī)性和帶寬，與單路徑注入相比，從半導(dǎo)體激光器(Slave Semiconductor Laser，SSL)中導(dǎo)致寬帶隨機(jī)性增強(qiáng)的混沌的注入?yún)?shù)空間區(qū)域可以大大拓寬。Xue等人[19]用數(shù)值方法展示了一種高速雙向混沌通信，使用了帶有抑制延時(shí)信號(hào)的混沌光信號(hào)。在該方案中，第三個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)另外兩個(gè)具有自反饋的相同激光器進(jìn)行同步。當(dāng)驅(qū)動(dòng)激光器的部分輸出耦合到第三激光器中時(shí)，由于具有較強(qiáng)的寬帶光注入，驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生的混沌的固有時(shí)延特征被抑制，可以實(shí)現(xiàn)10 Gb/s以上的高速混沌通信。Han等人[20]的數(shù)值計(jì)算表明，雙模連續(xù)波光注入Fabry-Perot激光二極管在光反饋?zhàn)饔孟庐a(chǎn)生的混沌帶寬是沒有光注入時(shí)的4～6倍。即使在Fabry Perot激光二極管偏置電流較低的情況下，雙模光注入后的混沌帶寬也能達(dá)到35 GHz，是無光注入時(shí)的6倍。他們還通過光反饋激勵(lì)FP-LD的不同模式，發(fā)現(xiàn)這些模式的混沌帶寬有所增強(qiáng)。Xiang等人[21]數(shù)值研究了半導(dǎo)體激光器在雙混沌光注入(Double Chaotic Optical Injection,DCOI)作用下產(chǎn)生的混沌信號(hào)的不可預(yù)見性和帶寬特性，利用排列熵定量評(píng)價(jià)了系統(tǒng)的不可預(yù)測(cè)性程度。與單次混沌光注入的從機(jī)相比，DCOI能顯著提高從機(jī)的混沌帶寬和不可預(yù)知性程度。結(jié)果表明，隨著注入強(qiáng)度的增加，半導(dǎo)體激光器(Semiconductor Laser,SL)產(chǎn)生的混沌信號(hào)的不可預(yù)測(cè)性程度先增大后減小，直到達(dá)到一個(gè)恒定的飽和狀態(tài)。

(2)混沌光時(shí)域反射儀(COTDR)

過去常用成本較低的光時(shí)域反射儀實(shí)現(xiàn)光纖斷點(diǎn)檢測(cè)，該方法能正常檢測(cè)，但動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍小。利用混沌光，采取波分復(fù)用技術(shù)，可完成斷點(diǎn)故障定位[22]。

傳統(tǒng)單脈沖OTDR測(cè)量精度受到脈沖寬度、計(jì)時(shí)誤差等因素影響[23]；相關(guān)法光時(shí)域反射儀(correlation-OTDR)[24]可較好實(shí)現(xiàn)光纖完整性檢測(cè)[25]，但其空間分辨率并未改善?；煦缂す鈳捒蛇_(dá)GHz級(jí)別[17]，無周期循環(huán)問題[26]；混沌光時(shí)域反射儀(Chaotic OTDR,COTDR)[27-30]能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、等精度測(cè)量[31]，其原理如圖4所示。

圖4 COTDR原理

表1對(duì)光纖故障檢測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比。

表1 光纖故障檢測(cè)設(shè)備性能對(duì)比

2 油氣長(zhǎng)輸管道伴行光纖狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 光纖狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖5所示，相位敏感光時(shí)域反射(Φ-OTDR)是基于相干檢測(cè)的，系統(tǒng)采用超窄脈寬光源，增強(qiáng)了瑞利散射光干涉效果，避免了后向瑞利散射的干涉效應(yīng)被弱化，具備監(jiān)測(cè)光纜周邊振動(dòng)頻率和強(qiáng)度信息的功能。光電探測(cè)器探測(cè)通過檢測(cè)散射光返回時(shí)間定位[4,32-34]，通過信號(hào)間時(shí)間延遲算出振動(dòng)點(diǎn)距主機(jī)距離[32,35-36]。

圖5 Φ-OTDR原理

普通OTDR僅能探測(cè)光纖傳感折射率突變。1993年，Taylor提出光源高度相干、僅極小線寬、極小頻率漂移的Φ-OTDR傳感技術(shù)[32]；1994年，Juskaitis[37]利用Φ-OTDR實(shí)現(xiàn)入侵(振動(dòng))檢測(cè)；2013年，安陽(yáng)等人[38]設(shè)計(jì)了雙光束干涉分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，分辨率達(dá)20 m，信噪比到8.5 dB。

2.2 基于Φ-OTDR的管道伴行光纖斷點(diǎn)定位方法

Φ-OTDR系統(tǒng)光源線寬窄，背向瑞利散射光干涉更明顯，但后向瑞利散射光經(jīng)過調(diào)制器分離后信噪比降低，光纖放大器引入后產(chǎn)生了新的噪聲。小波方法可解決非平穩(wěn)信號(hào)處理中時(shí)間分辨率與頻率分辨率的矛盾[39]，采用小波理論及譜減降噪法[40]可對(duì)信號(hào)降噪處理[41]。馮欣等人[42]提出了小波信息熵法分離噪聲和入侵信號(hào)，何元飛等人[43]提出了小波變換光通信網(wǎng)斷點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)大區(qū)間動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

2.3 光纖斷點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

該方法的優(yōu)點(diǎn)：可通過測(cè)試故障點(diǎn)和振動(dòng)點(diǎn)的地面相對(duì)距離以判斷故障點(diǎn)位置，不需要查找光纜接續(xù)盒，減少了人工開挖作業(yè)坑工作量；通過高功率、高穩(wěn)定性的窄線寬激光脈沖光源應(yīng)用，散射光信號(hào)更穩(wěn)定，系統(tǒng)信噪比高；普通OTDR僅有100～150 Mb/s采集速率，但Φ-OTDR可達(dá)200 Mb/s以上采集速率，可在極短時(shí)間內(nèi)完成線路振動(dòng)信息掃描，達(dá)到不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

但是，Φ-OTDR系統(tǒng)不能檢測(cè)出光纖沿線損耗分布等具體信息，且對(duì)被測(cè)光纖質(zhì)量要求較高，若被測(cè)光纖質(zhì)量較差或損耗較高，則會(huì)縮減測(cè)試長(zhǎng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)首先使用OTDR測(cè)量光纖損耗情況，判斷光纖質(zhì)量和故障點(diǎn)距離，再在距離故障點(diǎn)最近的中繼站使用Φ-OTDR振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高故障定位準(zhǔn)確性[35]。

3 結(jié)束語(yǔ)

管道伴行光纜已成為管道公司之間相互聯(lián)系以及管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要方式，對(duì)管道伴行光纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)十分重要。OTDR對(duì)光纜定時(shí)檢測(cè)，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)有Φ-OTDR可以對(duì)管道伴行光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障監(jiān)測(cè)，該設(shè)備基于光纖振動(dòng)信號(hào)來監(jiān)測(cè)光纖故障情況，對(duì)光纖材質(zhì)以及數(shù)據(jù)處理算法要求較高。僅僅依靠小波去噪處理效果不能滿足工程需要，因此研究高效、精確的光纖狀態(tài)監(jiān)測(cè)及斷點(diǎn)定位算法是今后的方向，也是國(guó)家油氣管網(wǎng)集團(tuán)所急需。