基于光纖振動(dòng)傳感器與FPGA的石油管道安防系統(tǒng)

張暉，呂宏偉，馮進(jìn)良，才存良

（長(zhǎng)春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022）

基于光纖振動(dòng)傳感器與FPGA的石油管道安防系統(tǒng)

張暉，呂宏偉，馮進(jìn)良，才存良

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

針對(duì)石油管道鋪設(shè)于土壤中發(fā)生泄漏難以檢測(cè)的問(wèn)題，結(jié)合光纖振動(dòng)傳感器高靈敏度與FPGA高掃描速度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于FPGA和光纖振動(dòng)傳感器的石油管道安防系統(tǒng)。首先采用光纖傳感器檢測(cè)故障點(diǎn)振動(dòng)，再通過(guò)計(jì)算由振動(dòng)調(diào)制的信號(hào)傳到兩端基站的時(shí)間差確定管道泄漏點(diǎn)。系統(tǒng)采用雷達(dá)輻射信號(hào)分選算法在FPGA中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的篩選，采用授時(shí)精度高達(dá)15ns的U-blox授時(shí)芯片保證不同基站的時(shí)間一致，采用“雙基站源-雙向定位”方式有效平均定位誤差。結(jié)果表明，系統(tǒng)可對(duì)5.5km范圍內(nèi)管道的泄漏事件進(jìn)行有效報(bào)警定位，定位誤差在30mm范圍內(nèi)。

光纖振動(dòng)傳感器；FPGA；雙基站源-雙向定位

管道輸運(yùn)具有密閉安全，輸運(yùn)量大，成本費(fèi)用及輸運(yùn)價(jià)格比較低的優(yōu)點(diǎn)，且便于控制和管理等［1］。鑒于石油管線距離長(zhǎng)并且蓄意的打孔盜油、建筑施工誤刨管線、管道老化等常常造成管道泄漏，這不僅給能源企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)上的損失，而且油氣泄漏會(huì)造成環(huán)境污染、引發(fā)火災(zāi)或者爆炸。因此迫切需要設(shè)計(jì)管道安防系統(tǒng)，最大程度的減少泄漏事故的發(fā)生［2］。傳統(tǒng)的安防方案定位精度差，管道一旦發(fā)生泄漏無(wú)法查證，只能通過(guò)局部地區(qū)切斷油氣源來(lái)查找泄露點(diǎn)，而且大面積的挖掘管線費(fèi)時(shí)費(fèi)工，極有可能延誤最佳搶險(xiǎn)時(shí)間和造成對(duì)管道的二次破壞，給后期的故障診斷和事故責(zé)任劃分來(lái)帶諸多不便。而基于光纖振動(dòng)傳感器與FPGA的石油管道安防系統(tǒng)采用專業(yè)授時(shí)芯片，保證各個(gè)基站之間時(shí)間高度一致；采用高運(yùn)算速度的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）作為處理器，可分辨3ns的時(shí)間差；采用1064nm波長(zhǎng)的激光作為光源，極大地提高了系統(tǒng)的定位精度，對(duì)管道的搶修有著極為重要的指導(dǎo)意義。

1　系統(tǒng)原理

1.1振動(dòng)檢測(cè)原理

結(jié)合石油管道特定環(huán)境、點(diǎn)多、面廣、距離長(zhǎng)和能源少等特點(diǎn)，采用基于馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖振動(dòng)傳感器，激光束通過(guò)分束器，射入信號(hào)光線與參考光纖，如圖1所示。

圖1　馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)示意圖

信號(hào)光纖跟隨石油管道同渠敷設(shè)，參考光纖敷設(shè)在石油管線上方約1m的位置。信號(hào)光線采用光彈材料制成，當(dāng)信號(hào)光纖沿線有管道泄漏時(shí)，將導(dǎo)致光纖內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，此時(shí)從該處光纖內(nèi)部傳輸光波受到相位調(diào)制。泄漏引起的振動(dòng)改變了信號(hào)光和參考光的相對(duì)相位，產(chǎn)生了相位調(diào)制。信號(hào)光與參考光之間的相位差為：

由于振動(dòng)體的移動(dòng)、反射光強(qiáng)的變化以及光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整狀況的變化等原因，都將引起探測(cè)器的入射光強(qiáng)的變化，這種變化的影響也混入被調(diào)解的信號(hào)中。為了消除這一影響，在兩束光之間預(yù)先引入光強(qiáng)變化的低頻相位調(diào)制，同時(shí)檢測(cè)引入的相位調(diào)制和振動(dòng)相位調(diào)制的成分，然后取兩者之比，因而抵消和去除上述影響。若引入低頻相位調(diào)制?c和固定相位差，則入射到光檢測(cè)器件的光強(qiáng)表示為：

式中ES、ER分別表示信號(hào)光和參考光的振幅。

1.2定位原理

調(diào)制后的光波分別沿正向傳輸光路和逆向傳輸光路傳播，分別在光路首段和尾端檢測(cè)兩路光電流信號(hào)之間的時(shí)間差，利用互相關(guān)函數(shù)估計(jì)時(shí)延的方法即可對(duì)異常事件進(jìn)行定位。由于事件發(fā)生位置與系統(tǒng)首尾兩端的距離不同，而光波在光纖中的傳播速度是相同的，因此布置于首尾兩端的探測(cè)器檢測(cè)到同一事件的時(shí)刻點(diǎn)不會(huì)相同。假定兩探測(cè)器檢測(cè)到該事件的時(shí)間分別為t1和t2，則對(duì)異常事件定位的原理如圖2所示。

圖2中，L為待檢測(cè)管道的總長(zhǎng)度；Δt為故障發(fā)生點(diǎn)至系統(tǒng)一端的距離。定位公式為：

式中，υ為光波在光纖中的傳播速度，Δt為兩路干涉光強(qiáng)信號(hào)的時(shí)間差。由于基站A、B之間會(huì)因?yàn)槭跁r(shí)芯片的精度產(chǎn)生15ns的誤差，因此大多數(shù)時(shí)刻L≠Z1+Z2，故障點(diǎn)的實(shí)際位置為：

圖2　故障點(diǎn)定位原理圖

1.3信號(hào)分選原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤需要從復(fù)雜的電磁環(huán)境中分離出來(lái)自不同目標(biāo)的脈沖信號(hào)，而雷達(dá)脈沖信號(hào)分選技術(shù)正是基于雷達(dá)脈沖到達(dá)方向DOA、脈沖寬度PW、脈沖載頻RF等脈沖信號(hào)的特點(diǎn)，加上脈沖重復(fù)間隔去交錯(cuò)處理實(shí)現(xiàn)了不同目標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確拆分和目標(biāo)信號(hào)序列重構(gòu)［3］。

本系統(tǒng)中記錄了三種外界干擾信號(hào)：敲擊、攀爬和切割。圖3至圖6詳細(xì)表示了敲擊、攀爬、切割以及泄漏四種常見(jiàn)信號(hào)的測(cè)試以及干涉信號(hào)及經(jīng)過(guò)FPGA處理后的統(tǒng)計(jì)信號(hào)波形。圖7形象地表示出了系統(tǒng)將隨機(jī)混合的脈沖序列通過(guò)脈沖分選技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)信號(hào)拆分和重構(gòu)事件的整個(gè)過(guò)程。

圖3　切割行為干涉信號(hào)與頻率變化信號(hào)

圖4　敲擊行為干涉信號(hào)與頻率變化信號(hào)

圖5　攀爬行為干涉信號(hào)與頻率變化信號(hào)

圖6　泄露干涉信號(hào)與頻率變化信號(hào)

圖7　信號(hào)分選原理

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序框圖

2.1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用U-blox授時(shí)芯片統(tǒng)一授時(shí)；光纖振動(dòng)傳感器將振動(dòng)信號(hào)調(diào)制成光纖干涉信號(hào)輸出；FPGA作為中央處理器，通過(guò)控制AD采樣將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理和信號(hào)的分選，依據(jù)U-blox芯片的授時(shí)統(tǒng)一打上時(shí)間戳，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)線傳輸給PC進(jìn)行備案并且控制報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2FPGA系統(tǒng)內(nèi)部框圖

本方案中的FPGA采用XILINX公司的SPARTAN SPE3芯片，該芯片具有低成本、低功耗、高密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足要求。FPGA的主要作用是：控制AD采樣，處理光纖振動(dòng)傳感器回傳數(shù)據(jù)，信號(hào)分選，加注時(shí)間戳。其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9　FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)誤差分析和數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)采用1064nm波長(zhǎng)激光器，根據(jù)光速c得，每移動(dòng)3mm耗時(shí)1ns。瑞士U-blox公司的授時(shí)芯片精度為15ns，即由于兩端基站時(shí)間不一致引起的定位誤差為15×3=45mm。

XILINX公司的SPARTAN SPE3型FPGA芯片的機(jī)器周期為3ns，即由處理器加注時(shí)間戳的時(shí)間差引起的定位誤差為3×3=9mm。

光纖振動(dòng)傳感器響應(yīng)速度對(duì)定位誤差沒(méi)有影響。

根據(jù)誤差合成公式：

當(dāng)誤差傳遞系數(shù)ai=1時(shí)：

所以該系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差為：

系統(tǒng)采用“雙基站源-雙向定位”方式，即每一段光纖的兩端都有數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)，這樣經(jīng)過(guò)雙向定位之后系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差為：

在常溫條件下，5.5km光纖長(zhǎng)度，模擬四種故障，分別進(jìn)行100次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用了1064nm波長(zhǎng)的激光作為光源、光纖振動(dòng)傳感器、FPGA、U-blox授時(shí)芯片、“雙基站源-雙向定位”方式的石油管道安防系統(tǒng)，能有效的區(qū)分攀爬、敲擊、切割、泄漏等故障信息，能夠有效地定位故障地點(diǎn)，為石油管道的安全保駕護(hù)航，為排解石油管道故障提供了可靠的信息。

［1］李兆南，龔斌，林木，等.壓力管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)頻譜特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.聲學(xué)術(shù).2007，3（26）：423-426.

［2］劉志華.長(zhǎng)輸石油管線泄漏檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2009.

［3］國(guó)強(qiáng).復(fù)雜環(huán)境下未知雷達(dá)輻射源信號(hào)分選的理論研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

［4］夏映玲.被動(dòng)式防空雷達(dá)信號(hào)分選技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008.

［5］曲志剛.分布式光纖油氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)及預(yù)警技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［6］張溪默.Mach-Zehnder型光纖油氣管道安全系統(tǒng)中的偏振控制［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

［7］Martinelli M，Russell A C.Endless polarization control algorithm using adjustable liner retarders with fixedaxes［J］.JournalofLightwaveTechnology，2003，21（9）：2089-2096.

［8］潘岳.基于FPGA的光纖振動(dòng)傳感器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)［D］.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.

Oil Pipeline Security System Based on Fiber-optic Vibration Sensor and FPGA

ZHANG Hui，LV Hongwei，F(xiàn)ENG Jinliang，CAI Cunliang
（School of Optoelectronic Engineering，University of Science and Technology Changchun，Changchun 130022）

According to the fact that it’s hard to detect the oil spill if the pipeline is laid in the soil.Combined with the high sensitivity of fiber-optic vibration sensor and high scanning speed of FPGA，this paper designs the oil pipeline security system based on FPGA and fiber-optic vibration sensor.Firstly，fiber-optic sensor is adopted to detect spill point.Then the oil spill point is determined by calculating the time difference of the vibratory modulation signals between base station at both ends.The system adopts the algorithm of radar radiation signal sorting to filter signal in the FPGA，uses 15ns U-blox timing chips to ensure timing accuracy of different base stations and“source oftwin-station-bi-directional positioning” mode to average location error effectively.The results indicate that the system can effectively alert the position of pipeline spill in 5.5km，and the position error range is in 30mm.

fiber vibration sensors；FPGA；source of twin-station-bi-directional positioning

TN915

A

1672-9870（2016）03-0116-04

2016-03-18

張暉（1979-），男，碩士，講師，E-mail：9204160@qq.com