基于φ-OTDR的分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘要：結(jié)合分布式光纖傳感技術(shù)和光時(shí)域反射技術(shù)，對(duì)油氣運(yùn)輸管道泄漏監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究。利用指數(shù)閾值函數(shù)進(jìn)行小波分析去噪，實(shí)現(xiàn)管道泄漏的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和定位。分析了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和小波去噪流程，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，定位精準(zhǔn)度較高。

關(guān)鍵詞：φ-OTDR;光纖;泄漏;定位

中圖分類號(hào)：TN253? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0034-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.009

引言

近年來(lái)，我國(guó)油氣消耗大幅度增加，對(duì)低成本、高安全性油氣管道運(yùn)輸?shù)男枨笈c日俱增。但隨著管道運(yùn)輸?shù)膹V泛應(yīng)用，各類管道泄漏事故層出不窮，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)、能源損失，環(huán)境污染以及人員傷亡，因此油氣輸送管道的泄漏監(jiān)測(cè)及泄漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位已成為管道安全運(yùn)行的重要保障。對(duì)油氣運(yùn)輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)和定位，可為泄漏管道的及時(shí)報(bào)警和維修提供便利條件，從而極大地減少經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費(fèi)，盡可能避免因泄漏引起的環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)定位方法中，有的是沿光纜全線逐點(diǎn)進(jìn)行人工檢驗(yàn)，效率低下，實(shí)施難度大，有的是通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)各種參數(shù)再配合軟件技術(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-3]，但這些方法基本都存在不能提前預(yù)警、定位難以及成本較高等缺點(diǎn)。因此，本文提出了一種基于φ-OTDR（Phase-sensitive optical time domain reflectometry）的分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，其安裝更加方便，且提高了定位精度。

1? ? 系統(tǒng)工作原理

1.1? ? 分布式光纖監(jiān)測(cè)原理

分布式光纖傳感是一種比較先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，其中的光纖集傳輸介質(zhì)和傳感元件于一體，可以實(shí)時(shí)獲取光纖敷設(shè)區(qū)域隨時(shí)空變化的溫度、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變等被測(cè)量信息及環(huán)境信息。其工作原理是當(dāng)光線在光纖中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生后向散射效應(yīng)，其中與入射光頻率相同的為瑞利散射，與入射光頻率不同的為拉曼散射或布里淵散射[4]，這些散射光中攜帶光纖纖芯的幾何與物理特性變化信息。當(dāng)傳感區(qū)域內(nèi)某些被測(cè)參數(shù)的改變作用于光纖某處時(shí)，會(huì)改變?cè)撎幑饫w纖芯的尺寸和折射率，從而使光纖中光波信號(hào)的相位和強(qiáng)度等發(fā)生改變，通過(guò)監(jiān)測(cè)該點(diǎn)光信號(hào)的偏振狀態(tài)、相位、波長(zhǎng)等參數(shù)的變化，就可以獲得該處的壓力、溫度等被測(cè)參數(shù)的信息。分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、成本較低且受環(huán)境影響較小，因此其近年來(lái)在管道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。

1.2? ? φ-OTDR泄漏監(jiān)測(cè)原理

相位敏感光時(shí)域反射φ-OTDR的監(jiān)測(cè)原理：光線在沿光纖傳播的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生后向瑞利散射，當(dāng)光纖某點(diǎn)受到外界泄漏干擾時(shí)，該點(diǎn)就會(huì)發(fā)生彈光效應(yīng)，改變光纖纖芯的折射率，繼而散射光的光強(qiáng)也由于干涉的作用發(fā)生變化，散射光強(qiáng)隨著傳播距離的延長(zhǎng)而衰減，且在一定條件下傳播距離正比于時(shí)間。

設(shè)光纖長(zhǎng)為l，入射光的中心波長(zhǎng)為λ，光纖折射率為n，則相位φ=nl，當(dāng)光纖受擾動(dòng)時(shí)，光的相位變化為：

式（1）中，光纖長(zhǎng)度的改變量Δl=εl，其中ε表示光纖的縱向應(yīng)變張量[5]，由于相位被調(diào)制發(fā)生改變，則相應(yīng)的光電探測(cè)器所測(cè)得的電流也會(huì)發(fā)生改變。假設(shè)第n個(gè)散射點(diǎn)受到擾動(dòng)，則干擾前后的電流變化為：

綜合式（1）和式（2）可知，根據(jù)相位變化就可以計(jì)算出瑞利散射相干光強(qiáng)的變化，并得到相應(yīng)的泄漏擾動(dòng)信息。

2? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于光源線寬越窄，光的干涉效果越好，因此系統(tǒng)采用超窄線激光器作為監(jiān)測(cè)光源。函數(shù)發(fā)生器和聲光調(diào)制器通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制把光源發(fā)出的光調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)摻鉺光纖放大器放大至23 dBm后進(jìn)入管道內(nèi)的傳感光纖。脈沖光在傳感光纖中傳輸時(shí)，受到纖芯折射率不均勻性的影響，產(chǎn)生在光纖內(nèi)逆向傳播的后向瑞利散射光，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)對(duì)傳感光纖產(chǎn)生擾動(dòng)，光纖內(nèi)瑞利散射光的相位也會(huì)受到相應(yīng)調(diào)制而攜帶泄漏信息，通過(guò)分析這些后向瑞利散射信號(hào)即可獲得傳感光纖上不同位置的擾動(dòng)情況進(jìn)而獲得泄漏信息。后向瑞利散射相干光通過(guò)環(huán)形器被光電探測(cè)器接收，轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y(cè)量的電信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行采集以形成傳感光纖內(nèi)完整的空域信號(hào)并送到上位機(jī)進(jìn)行小波消噪處理，以確定是否產(chǎn)生泄漏并完成泄漏位置的定位計(jì)算。

2.2? ? 閾值函數(shù)與閾值選取

常用的小波閾值降噪方法有軟閾值函數(shù)降噪和硬閾值函數(shù)降噪兩種，其中硬閾值函數(shù)的表達(dá)式為：

軟閾值函數(shù)的表達(dá)式為：

式中：λ為閾值。

其中硬閾值函數(shù)只處理絕對(duì)值比設(shè)定閾值小的小波系數(shù)，所以不能消除比較大的噪聲，且連續(xù)性不好;軟閾值函數(shù)處理后的小波系數(shù)與原始值之間存在固定誤差，從而有可能導(dǎo)致小波重構(gòu)信號(hào)出現(xiàn)較大的誤差，丟失原始信息的某些特征。

為了在保留這兩種降噪函數(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上盡量彌補(bǔ)其缺陷，本實(shí)驗(yàn)選取指數(shù)閾值函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為y=x-λ+，指數(shù)閾值函數(shù)連續(xù)性較好，因此不會(huì)引起振蕩現(xiàn)象，且能夠處理所有的小波系數(shù)，避免了有用的小信號(hào)被濾除的危險(xiǎn)，適合泄漏噪聲的處理。

閾值是區(qū)分噪聲信號(hào)和泄漏信號(hào)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，它的選取直接影響著去噪效果的好壞，因此閾值應(yīng)根據(jù)分解尺度的變化而改變，可利用下式選取最佳閾值：

式中：σ為泄漏噪聲的方差;N為泄漏信號(hào)長(zhǎng)度;j為分解尺度。

2.3? ? 小波去噪流程設(shè)計(jì)

原始信號(hào)中有用信息和噪聲混疊在一起，有用信息甚至?xí)辉肼曚螞](méi)，經(jīng)小波分析去噪后可以濾掉暫態(tài)和瞬態(tài)信號(hào)，抑制高頻噪聲的影響，從而保留所需的信號(hào)尖峰及突變信號(hào)。其過(guò)程是經(jīng)過(guò)小波分解后，有用信號(hào)與噪聲信號(hào)被分解到不同區(qū)域，通過(guò)選取恰當(dāng)?shù)拈撝捣蛛x開高頻和低頻區(qū)域的小波系數(shù)，保留滿足閾值條件的有效信息，再對(duì)這些保留的有效小波系數(shù)進(jìn)行逆變換重構(gòu)[6]并顯示結(jié)果，若沒(méi)有泄漏則輸出管道運(yùn)行正常信息，如有泄漏則發(fā)出報(bào)警。小波去噪流程如圖2所示。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)管道上加裝一段長(zhǎng)為20 m的PE管道，加裝部分一段埋在沙土中，一段埋在水中，并開兩個(gè)直徑為8 mm、間距為10 m的小孔。將一根長(zhǎng)為2 km的單模光纖敷設(shè)于管道表面作為傳感光纖。選用中心波長(zhǎng)為1 550 nm、線寬為100 Hz的超窄線寬激光器作為光源，探測(cè)脈沖為150 ns，采樣頻率為50 MHz，精度為14位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可得，在2 km的測(cè)試范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的泄漏定位精度可控制在8 m以內(nèi)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)和小波去噪的管道泄漏定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)管道沿線發(fā)生的泄漏事故進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并且能較精準(zhǔn)地確定泄漏點(diǎn)的位置。通過(guò)小波去噪可以有效去除噪聲，提高定位精度，在2 km范圍內(nèi)可達(dá)到8 m以內(nèi)的精度。分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用光纖作為傳感元件，安裝簡(jiǎn)單，精度較高，不易受電磁干擾，電絕緣性能優(yōu)越，且光纖具有較好的耐腐蝕性，更適用于潮濕復(fù)雜的管道敷設(shè)環(huán)境，在油氣輸送管道泄漏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙亞麗.光纖光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方法概述[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2018，20（1）：48-53.

[2] 楊洋，沙洲，封皓，等.輸水管道預(yù)警與泄漏定位中φ-OTDR技術(shù)信號(hào)處理法[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2018，55（4）：98-106.

[3] 沙洲，楊洋，劉穎華，等.小波信息熵在輸水管道泄漏檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2018，32（7）：151-156.

[4] 張偉鵬.基于φ-OTDR的輸氣管道泄漏定位技術(shù)研究[J].石油和化工設(shè)備，2020，23（10）：82-84.

[5] 吳建靈，季偉，葉向陽(yáng)，等.φ-OTDR技術(shù)在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2020（6）：203-204.

[6] 張勇，段運(yùn)達(dá)，王臣，等.基于小波閾值去噪的管道泄漏檢測(cè)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2021，48（2）：128-133.

收稿日期：2021-12-22

作者簡(jiǎn)介：趙亞麗（1982—），女，河北保定人，碩士，副教授，研究方向：光纖傳感技術(shù)與電氣控制技術(shù)。