不同地形管道光纜信號綜合分析研究

曹文琛，張 濤，鄭宇恒，沈 忱，孫 嘯，馮蘭婷，高建章，楊 新，劉 晨

(國家管網集團 西南管道有限責任公司，成都 610000)

0 引 言

由于管道運輸的便利性和安全性，其已成為原油、成品油和天然氣的重要運輸方式[1-3]。但又由于其遠距離運輸的特點，必然會經過各種復雜的地形，這也就決定了其在運行期間可能會遇到各種問題導致產品泄露，隨即帶來各種安全隱患[4-5]。

油氣管道同溝鋪設的通信光纜一方面具有實時通信的作用，另一方面，基于光的瑞利散射原理，采集分析光纜周圍的振動信號，可以達到對長輸管線光纜進行實時智能監(jiān)測和提前安全預警的目的[6-8]。為了降低安全事故的發(fā)生概率和發(fā)生安全事故后的各種損失，基于光纖探測的預警系統(tǒng)應運而生，埋置管道的同時在其旁鋪設光纖，之后搭建預警系統(tǒng)進行實時監(jiān)測[9-11]。

在搭建預警系統(tǒng)的過程中，非常重要的一點是光纜與管道里程的定標，即確定光纜的位置和光纜長度相對于管道長度的詳細信息。具體方法是，讀取光纜接收的激發(fā)源信號最大振幅值處對應的光纜長度，認為是激發(fā)點正下方對應的光纜長度，此外還要對管道經過路段各處的信號進行分析總結，針對性地識別不同地形區(qū)域下的光纜信號，有效感知外部威脅信號，提前進行預警[12-14]。

1 信號獲取

1.1 前期準備

對現(xiàn)有資料進行分析總結，綜合考慮得出現(xiàn)場施工所需的各種硬件和軟件，并做好充分準備。所需考慮的內容主要包括管道和光纜的各項基本資料以及管道鋪設經過的各種地形。

1.2 采集原理

本次實驗所使用的采集裝置是最新的分布式光纖聲波傳感器(ultra-sensitive Distributed Acoustic Sensing，uDAS)，整個測量系統(tǒng)由傳感光纖、通信光纜、uDAS采集系統(tǒng)和監(jiān)控中心組成?；谌鹄⑸湓恚汗庠趥鞑ミ^程中與光纖介質中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞引起的彈性散射，通常是用來監(jiān)測光纖損耗的[15-17]。當使用激發(fā)源在管道周圍進行振動激發(fā)時，基于相干瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)向光纖內發(fā)射光脈沖信號并接收其產生的后向瑞利散射光，由于系統(tǒng)使用的是高相干光源，與相干長度內產生的后向瑞利散射光相互干涉[18-20]，激發(fā)源所產生的振動信號通過土壤傳遞給傳感光纖，使光纖產生微小的形變，由于彈光效應使該處光纖的折射率發(fā)生變化，從而使光纖內部激光產生相位的變化，這種變化被散射光攜帶返回采集系統(tǒng)，通過采集系統(tǒng)的分析處理將最終的結果反饋到監(jiān)控中心，從而獲得需要的振動信號特征和位置信息。采集原理示意圖如圖1所示。

圖1 采集原理示意圖

1.3 光纜對振動信號的識別

軟件開始運行后，系統(tǒng)首先接收到uDAS采集系統(tǒng)采集到的整條光纜上的振動信號，而后，將小波變換與數據去噪結合形成小波去噪方法對接收到的信號進行針對性去噪處理，盡可能地將無效噪聲信號和環(huán)境干擾壓制與去除，最后，對處理后的數據進行分析，實現(xiàn)對整條光纜接收信號的實時監(jiān)測。小波去噪方法的流程圖如圖2所示，該方法不僅能去除無效噪聲，還能成功地保留有效信號特征，具有信號特征提取的能力，在這一點上遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)濾波器。

圖2 小波去噪流程圖

小波變換用小波函數平移和尺度伸縮的組合來實現(xiàn)分析信號的重構。

對于任意函數f(t)，其小波變換可定義為

式中：φ(t)為小波母函數；a為小波母函數的伸縮因子；b為小波母函數的平移因子；φ(a,b)(t)為小波序列。

一維時域空間信號通過小波變換轉換到二維空間——時間—尺度空間中，由于小波變換后的信號存在可變的伸縮因子參數，所以小波變換具有分辨率可變的特性。

通過伸縮因子a和平移因子b的改變，可以由小波母函數φ(t)生成一個小波序列φ(a,b)(t)實現(xiàn)對任意信號的分解和重構，實現(xiàn)對該信號的時頻分析。小波變換具有如下幾個特點：

(1) 具有多分辨率的特性，通過改變伸縮因子a，能從多個方面分析信號；

(2) 實現(xiàn)信號的降噪處理，小波變換相當于帶通濾波器，在不同a的條件下，實現(xiàn)不同頻帶的帶通濾波，a越大，其通帶的相對頻率越低；

(3) 可以表示時和頻域信號的局部特征，實現(xiàn)對待變換信號突變點的探測。

2 不同信號對比分析研究

2.1 激發(fā)源的對比

在光纜的長期監(jiān)測過程中，對比了不同激發(fā)源的振動信號特征。圖3所示為平原區(qū)同一位置重錘與高頻微型震源激發(fā)信號的對比，分析其信號特征可知：重錘激發(fā)信號特征明顯，成“一”字型，主頻為50 Hz，頻帶寬度10～90 Hz，激發(fā)能量是高頻微型震源激發(fā)信號的37倍；高頻微型震源信號特征與背景噪音類似，不易識別，主頻為70 Hz，頻帶寬度60～80 Hz。

圖3 光纜長度781 m處，重錘和高頻微型震源激發(fā)信號與頻譜分析圖

2.2 農耕前后農田區(qū)敲擊信號

長距離運輸的管道會經過各種復雜地形，將信號大致區(qū)分為經過農田、河流和光纜架空等區(qū)域。震源激發(fā)時，影響信號接收的一個重要因素是激發(fā)位置的表層結構差異，即在排除敲擊力度等人為因素外，激發(fā)位置的土質耦合情況直接影響著信號的質量。

圖4所示為在一塊玉米地和一塊剛翻耕后的莊稼地接收到的敲擊信號，玉米地里的秸稈仍未進行處理，土地許久未進行耕作，地層凝實，鋼板與地面耦合良好，所接收到的信號清晰干脆，幅值約0.085；剛翻耕后的莊稼地土質松軟，嚴重影響鋼板與地面的耦合效果，故而光纜接收到的振動信號衰減嚴重，幅值為0.01，不及圖4(a)信號的1/8，難以識別。

圖4 農田敲擊信號圖

2.3 河流區(qū)域敲擊信號

無背景噪聲時，接收的信號振幅為單峰值，振幅最大處對應激發(fā)點正下方的光纜長度值。在河流旁的光纜本身會接收到河流流動的周期性振動信號，這會給激發(fā)信號的識別帶來一定困難，特別是遇到下大雨漲水的情況，敲擊信號基本無法識別。為了改善這一情況，一方面會選擇較好的天氣進行該段的敲擊；另一方面，針對震源的頻帶寬度進行濾波，獲得清晰的信號，不過水流的周期性信號仍無法完全去除。圖5所示為河流區(qū)域激發(fā)信號圖。

圖5 河流區(qū)域激發(fā)信號圖

2.4 地下水附近敲擊信號

在整個監(jiān)測過程中，有一處很經典的地下水模型區(qū)域。圖6和7分別為地下水附近和河流區(qū)域的敲擊信號圖，圖6中激發(fā)位置在河道周邊，河道水流噪聲在瀑布圖中是藍色框圈起來的部分，由圖可知，在重錘信號的附近存在一處持續(xù)且強烈的背景噪聲，經過在周圍反復排查，發(fā)現(xiàn)激發(fā)位置附近存在一處低勢斷面，有水流出，懷疑該噪聲是地下水在管道和光纜上流動的結果，如圖7(a)所示。

圖6 地下水附近敲擊信號圖

圖7 地下水區(qū)域敲擊信號圖

對圖6紅框中的地下水噪聲頻譜進行分析，發(fā)現(xiàn)為低頻信號，但全頻帶存在。將接收信號頻率段設置為20～40 Hz，能有效濾掉低頻背景噪聲和部分河流噪聲信號，相對增強激發(fā)信號，但地下水噪聲無法完全濾掉，如圖8所示，當該處噪聲覆蓋到有效信號時，先通過濾波的方法進行處理，若難以去除，則在附近激發(fā)，避開強噪聲的影響。

圖8 河流區(qū)域敲擊信號圖

2.5 光纜架空區(qū)域敲擊信號

光纜架空時，背景信號多為光纜受風力影響晃動產生的噪聲，幅值在0.2～0.5之間。當在離水泥柱較遠的架空光纜下方進行敲擊時，不會收到任何敲擊信號；當在水泥柱上敲擊時，發(fā)現(xiàn)整段懸空光纜都會震動，從而產生一大片的不規(guī)律噪聲信號，難以識別屬于重錘敲擊特征的信號；當在光纜入地點或出地點敲擊時，發(fā)現(xiàn)懸空的一段仍是大片噪聲信號，但未懸空段能識別明顯的敲擊信號。圖9所示為架空區(qū)信號特征圖。

圖9 架空區(qū)信號特征圖

將不同區(qū)域和特征的信號進行統(tǒng)計分析，得到如表1所示的不同區(qū)域信號特征。

表1 不同區(qū)域信號特征

3 結束語

各激發(fā)源對比，重錘信號特征比高頻微型震源信號易識別，且振幅更強；不同區(qū)域地形下的背景噪聲中，架空區(qū)與地下水噪聲較為復雜，難以去除；表層地質松軟會影響激發(fā)信號的向下傳播，應選擇土質凝實處激發(fā)。

平原地區(qū)激發(fā)后的信號清晰干脆，振幅值處在0.30～0.50之間；農田區(qū)采集的信號與表層地質結構密切相關，振幅值處在0.02～0.20之間；河流區(qū)激發(fā)的信號周圍存在一定的水流背景干擾，振幅值處在0.50～2.00之間；架空區(qū)域背景噪聲受大風影響劇烈，振幅值處在0.20～0.50之間。

通過采集和處理不同的光纜接收信號，一方面可以檢測光纜的工作狀態(tài)，另一方面能夠儲備管道光纜線路上各個位置的常態(tài)數據，為以后搭建預警系統(tǒng)提供可靠的參考數據，分不同區(qū)域設定閾值用于光纜的安全預警。