一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法和系统的制作方法

专利名称：一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法和系统的制作方法
一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法和系 统技术领域
本发明是一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法和系统。涉及机械 振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
目前，世界上建成的管道总长达到250万公里，已经超过铁路总里程成为世界能 源主要运输方式，发达国家和中东产油区的油品输运已全部实现管道化。我国管道在近年 也得到了较快发展，总长也超过7万公里，已初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通 海外的能源管网大格局，管道运输成为油气等战略能源的调配输送的主要方式。
管道由于跨越地域广，受自然灾害、第三方施工破坏等原因，导致了较多的管道泄 漏事故发生。国外管道安全情况也非常不容乐观，美国2010年9月9日圣布鲁诺市发生天 然气管道大爆炸，爆炸在路面造成一个长51米、宽9米的大坑。一段长约8米、直径76厘 米的管道被炸上天，飞出大约30米远，并引发大范围火灾，导致4人死亡，3人失踪，至少52 人受伤，过火面积4公顷，数十桩房屋被烧毁。近年来人们安全、环保意识显著提升，作为高 危行业的管道输运安全问题也得到越来越多的重视。
目前成熟的技术中对于天然气管道泄漏监测只有声波监测法较为有效，但为了提 高对泄漏监测的实时性和漏点定位的准确性，必须在管线上加大传感器的布设密度，同时 增加相应的供电、通信设备，造成系统成本以及安装维护费用高昂。
随着传感技术的发展国外如美国CS1、ATM0S1、欧洲TER等公司开展了 SCADA泄漏 监测系统研究，Sensornet公司也开发了基于分布式光纤温度传感器的泄漏监测系统，部分 产品在国内也申请了专利保护；国内天津大学、清华大学、中国人民解放军后勤工程学院等 单位也对管道的泄漏监测方法做了深入研究。
专利CN200410020046. 6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监 测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中 的光纤组成一个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044. O均为基于 Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879. 6是一种基于分布式光纤 声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。
《传感器与微系统》第26卷第7期的“基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检 测方法”公开了一种基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测装置和方法，它是在具有 一定间隔的管道本体上安装光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对 采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振 动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感 器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度确定振动波源所在的位置，传感器输出 的光强信号经光电转换后实现泄漏点的位置的确定。
CN1837674A公开了一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏检测装置及方法。
US2006/0225507A1公开了一种基于分布式光纤传感器的管道泄漏检测装置及方法。
上述技术均属于分布式光纤传感监测方法。但该类技术监测泄漏时受到管道周围所发生的干扰事件的影响，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。发明内容
本发明的目的是发明一种灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的基于光纤传感的天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法和系统。
鉴于上述几类泄漏检测、监测技术存在的灵敏度低、虚警率高、易受环境因素影响等问题，本发明是提供一种基于光纤传感的高灵敏度准分布式泄漏振动监测方法和系统， 采用高灵敏度传感器使得可以在当管道发生微漏、渗漏等泄漏初级阶段时被及时监测到， 并结合泄漏事件的时域、频域特征有效降低了干扰引发的系统虚警率，该技术方案克服了此前监测技术中的准确性差和安装工艺复杂的不足，使得相关维护人员能够及时采取应对措施，避免造成更大的安全事件。
具有较高泄漏振动传感灵敏度的天然气管道泄漏监测系统是通过增加干涉仪两传感臂的长度和空间距离从而实现了干涉仪对振动信号的感应灵敏度的提高，在对环境随机振动干扰的抑制方面采用了泄漏信号的智能识别技术，有效区分了随机偶发振动和突发性、持续性泄漏信号，并且结合相邻的多个传感器同时获取的泄漏信号时延，更加准确的实现了泄漏点的定位。
利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的光纤作为发射和回传光纤，将管道泄露光纤传感器通过光复用技术相互并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄露光纤传感器安装在管道上，形成可监测管道声震动的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄露光纤传感器扫描，根据管道泄露光纤传感器的分布情况对采集的光电转换信号解调、 提取，实现各个管道泄露光纤传感器的振动信息获取，检测分析管道泄露光纤传感器信号判断是否有管道泄露事件发生，依据相邻的管道泄露光纤传感器检测到信号的到达时间延迟实现对泄露点的定位。
管道泄漏后会产生各频段的声波，波长比较短的超声波在距离声源不太远的位置就逐渐被介质吸收了，而且波长越短，吸收衰减的也越快，只有低频声波和次声波传播的距离较远，能传播几千米至几十千米。目前采用在较长管道两端安装次声波传感器的系统由于可用信号频段较窄，对泄漏信号的定位准确性效果还不够。
天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法是在管道本体上每隔一定距离安装一个迈克耳逊干涉仪结构的传感器，由若干个迈克耳逊干涉仪结构的传感器通过光分束器和合束器并联接在发射光纤和回传光纤之间；迈克耳逊干涉仪的两臂不等长，每个迈克耳逊干涉仪使用两个法拉第旋转镜作为反射镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化，从而使干涉仪的可视度保持为最大。
采用光纤迈克耳逊干涉仪作为泄漏声波检测传感器，其输出的光强信号经光电转换后可以写成
V0 1+Vcos ( φ s+ φ η+ φ 0) +Vn (I)
其中，Vtl是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，为由泄漏振动波引起的相差信号，即为要探测的泄漏振动波信号，Φο为干涉仪的初始相位，是个常量，Φη为位相差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。通过与光源调制方式相匹配的解复用技术能够实现泄漏振动波信号的获取，并对该信号到达相应的传感器的时间延迟进行估计，结合振动波沿管道传播的速度V实现了对振动波源即泄漏点位置的确定。
实际上，迈克耳逊干涉仪光纤中与两偏振模相应的折射率ηχ和ny不相等，同时由于光纤的微弯、扭曲、环境温度的变化使nx和ny随机变化，导致光纤输出偏振态随机变化， 反映在干涉信号可视度V在O I之间随机变化，此现象即干涉仪的偏振诱导信号衰落现象。此现象将导致传感器检测灵敏度和信噪比的降低和不稳定，为消除偏振衰落，采用法拉第旋转镜法，即在普通迈克耳逊干涉仪的两个反射镜前各加一个法拉第旋转器构成法拉第旋转镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化,从而使干涉仪的可视度保持为I。
式(I)中，由于低频干扰( ^随机变化，且幅度大，受0 变化影响，系统输出的信噪比在变化，且当8 ιΦη = O时，信号完全消隐，此即称为干涉仪的相位衰落现象。
为了消除偏振衰落现象，采用相位载波技术来检测泄漏声波信号。具体如下
制作迈克耳逊干涉仪时，使干涉仪两臂不等长，两臂长差为AL;
将锯齿波信号作为调制信号，频率为泄漏声波频带宽度的两倍，作用到光频可调的激光器，激光器输出光频按照锯齿波调制信号同步变化的激光，输入到迈克耳逊干涉仪， 由于两臂不等长，通过两臂的激光将产生时延差，从而参与干涉的两束激光除了在锯齿波下降沿处外，其他时刻的光频差均为一个常数，因此，干涉仪输出的干涉信号为一个近似单频的余弦信号，角频率Qci与干涉仪两臂长差AL成正比，AL越大，干涉信号频率越高；传感器组输出的干涉信号为若干个近似单频信号的线性叠加，其频谱为若干个离散的谱线， 谱线幅度稳定不变；
使用带通滤波器对干涉信号进行滤波，滤波器中心频率为干涉信号中心频率，带宽与锯齿波调制信号频率相同。滤波之后即可获得该干涉仪的载波信号，使用与载波信号主频率相同的余弦和正弦信号解调，可消除信号的相位衰落问题，获得原始泄漏声波信号。
本天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统的构成见图1，它包括光源、光路系统和电路部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机。经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。
由光源发出激光，经传输光路实现分束后，部分光被传输到安装在管道壁上的光纤传感器组，光纤传感器组拾取沿管道传播的泄漏振动信号以及噪声后，再次经传输光路传回至系统的光电探测器，由信号采集与处理模块进行泄漏信号解调与识别分析，并对泄漏信号进行时延估计实现对泄漏点的定位。
所述光纤传感器采用光纤迈克耳逊干涉仪，作为泄漏声波检测传感器的迈克耳逊干涉仪在制作时，使干涉仪两臂不等长，两臂长差为△ L ;由一个2 X 2耦合器和两个旋转角度为45度的法拉第旋转镜构成；
所述信号采集与处理模块包括信号调理单元、信号采集单元、处理单元、终端显示 和外部接口 ；光电探测器输出的信号依次串接信号调理单元、信号采集单元和处理单元，处 理单元输出有终端显示和外部接口 ；处理单元包括泄漏信号识别电路和事件定位电路。
光源由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成(见图4)，有频率调节、 幅度调节和锯齿波/倒锯齿波选择输入的调制信号发生模块的D/A输出接激光器的输入； 使用调制信号模块产生所需的锯齿波或倒锯齿波调制信号，通过调制信号发生模块中的D/ A输出，施加到激光器上可输出光频按照锯齿波或倒锯齿波规律变化的连续激光。
当光频按锯齿波或倒锯齿波规律变化的激光注入后，每个干涉仪输出的干涉信号 载波为近似单频的余弦信号，此干涉信号作为泄漏声波信号的载波信号，干涉仪的臂长差 不同，对应的干涉信号载波频率也将不同，通过滤波方法可以将不同干涉仪的载波信号分 开。
其中光源调制电路如图5所示，它主要由运算放大器U7、DFB激光器U8、运算放大 器U9和2个三极管Q4、Q5组;U7的7端接VDC，6端接电阻R18后与二极管D8、电容C41串 联后与电容C38并联的电路再串联，6端接电阻R19后接VDC，同时再接二极管D4、D5、D6、 D7的串联到地，4、7、8、9、10端接地，3端经电阻R17后接地，2端与接U8的端；U8的1、14端 接地，12端经电容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端经扼流圈L3与电 阻R20串联后接三极管Q4的集电极，同时3端经扼流圈L3与电阻R21串联后接三极管Q5 的集电极；U9的1、2端之间并联电阻R22和电容C39后由I端接电阻R25到6端，Pdne接 电阻R30再串联电阻R27接U9的3端，同时接Pdne的电阻R30与电位器阻R31、电阻R32、 电容C43三者并联后串联接地，5端经电阻R24接VREF，7端经电阻R28与8端经电阻R26 共接电容C45到地；从电容C45的上端接出经二极管D11、D12至Q4的基极，同时基极接电 容C44到地，同时经二极管DlO与电阻R29串联也到地，Q4的基极接Q5的基极，而Q4、Q5 的发射极接地；
所述光路系统是在管道上每隔一定距离安装一个迈克耳逊干涉仪作为管道泄漏 声波传感器，同时激光器发出的激光通过与管道同沟敷设光缆内的一根光纤传输(称为发 射光纤)，激光到达每个传感器附近时，通过光分束器分为两束，一束激光注入传感器输入 端，另一束激光通过发射光纤传到下一个传感器，以此类推；每2-10个相邻的传感器分为 一组，组内各传感器的干涉信号通过光合束器接入回传光纤，传回到设备接收端；管道上相 邻的两个传感器之间的发射光纤和回传光纤的长度均要大于激光器相干长度的1/2，长度 不足的用光纤补足，防止传感器之间发生信号串扰；
每个传感器组使用一根回传光纤，这样整个传感光路需要一根发射光纤，回传光 纤数量与传感器组数量相同；
由于每组内的传感器的臂长差不同，相邻传感器之间的发射光纤、回传光纤长度 均大于激光器相干长度的1/2，可保证组内各传感器输出干涉信号的频率各不相同，组内传 感器之间不发生干涉。
所述信号采集与处理模块包括信号调理单元、信号采集单元、处理单元、终端显示 和外部接口 ；光电探测器输出的信号依次串接信号调理单元、信号采集单元和处理单元，处 理单元输出有终端显示和外部接口；
光电转换模块将各传感器组的干涉光信号转换为电信号，每个传感器组对应一个 独立的光电转换通道；
信号采集和处理模块采集各传感器组的干涉信号为数字信号，由于组内各干涉仪 信号载波频率不同，且各干涉仪之间不发生干涉，也就是各干涉仪信号之间没有串扰，可通 过带通滤波的方法将组内各传感器的载波信号彻底分离；
带通滤波获得各传感器的载波信号后，通过相位载波调制解调技术，解调出原始 泄漏声波信号；
分析相邻两个传感器检测到的泄漏声波信号的时延差，结合声波在管道中传输速 度，可实现泄漏点的定位；
所述信号采集与处理模块的构成见图8，它包括信号调理单元、信号采集单元、处 理单元、显示终端和外部接口 ；其中信号调理单元电路如图9所示，它主要由运算放大器 U14、光电二级管U15组成；U15的1、5、8端悬空，3、4端接地，2端经电阻R39、电容C60 二者 并联后接6端，6端经电阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端悬 空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_0UT 口，2端经电阻R42接地，1、2端之间接电阻R40、电 容C59 二者的并联。
本发明基于法拉第旋转镜法，实现传感器组及组内各传感器的干涉信号的抗偏振 衰落，提高并稳定了传感器及传感器组干涉信号的可视度和信噪比，从而大大提高了传感 器组内传感器的复用数量，减少了光纤的使用数量，在保持系统检测效果的前提下，降低了 系统复杂程度和成本。
利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中光纤分别作为收、发传输光纤，将管 道泄漏光纤传感器通过光复用技术相互并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄 漏光纤传感器均匀布设在管道沿线，形成可监测管道泄漏振动的光纤传感系统。利用光源 对各个管道泄漏光纤传感器扫描，基于法拉第旋转镜法，实现传感器组及组内个传感器的 干涉信号的抗偏振衰落，提高并稳定了传感器及传感器组干涉信号的可视度和信噪比，使 用光电转换模块将各传感器组的干涉光信号转换为电信号，每个传感器组对应一个独立的 光电转换通道，由信号采集和处理模块采集各传感器组的干涉信号为数字信号，并可通过 带通滤波的方法将组内各传感器的载波信号彻底分离，通过相位载波调制解调技术，解调 出原始泄漏振动波信号；分析相邻几个传感器检测到的泄漏振动波信号的时延差，结合振 动波在管道中传输速度，可实现泄漏点的定位。应用多传感器复用调制解调技术从而大大 提高了传感器组内传感器的复用数量，减少了光纤的使用数量，在保持系统检测效果的前 提下，降低了系统复杂程度和成本。
本发明克服了导致迈克耳逊干涉仪传感器检测灵敏度和信噪比降低和不稳定的 干涉仪偏振诱导信号衰落现象，使基于光纤传感的天然气管道泄漏检测的灵敏度和准确度 提高、虚警率降低且不易受环境因素影响。


图1光纤传感天然气管道泄漏监测系统
图2天然气管道泄漏检测的传感光路连接示意图
图3迈克耳逊干涉仪结构示意图
图4光频可调型光源的调制原理图
图5光源调制电路图
图6泄漏振动波解调原理框图
图7光路适配器结构和传输光路图
图8信号采集与处理模块结构图
图9信号采集与处理模块中信号调理单元电路图
其中I，1-1，. . .，1-η-光分束器 2, 2-1, . . . , 2_n_ 光纤传感器
3，3-1，. . .，3-n-光合束器 4，5，6，7，8，9_ 延时光纤具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范·围。
实施例.本例的构成如图1和图2所示，它包括光源、光路系统和电路部分；在管道本体上每隔1. 5km安装一个光纤传感器，共计安装10个传感器，前5个传感器和后5个传感器分别构成一个传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，所述信号采集与处理模块包括信号调理单元、信号采集单元、处理单元、终端显示和外部接口 ；光电探测器输出的信号依次串接信号调理单元、 信号采集单元和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口。信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机。经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。
传感器采用迈克耳逊结构的干涉仪，每个干涉仪使用两个旋转角度为45度的法拉第旋转镜作为反射镜。本实施例制作了 10个迈克耳逊干涉仪传感器，分为两组，每组5 个传感器，臂长差分别为5m、7. 5m、10m、12. 5m、15m ；
将两组传感器按照图2并联接在发射光纤和回传光纤之间，两个传感器组共用一根发射光纤，各独立使用一根回传光纤；
从发射光纤注入光频随锯齿波变化的激光，从回传光纤用光电转换模块接收传感器组干涉信号，使用带通滤波器对干涉信号滤波，获得各传感器的载波信号。通过试验可知，传感器组和滤波后的传感器载波信号幅度稳定不变，解调后的传感器信号稳定，信噪比基本不变；而将上述使用法拉第旋转镜的迈克耳逊干涉仪更换为普通迈克耳逊干涉仪获马赫-曾德干涉仪，即使只在发射光纤和回传光纤之间连接I个或2个干涉仪，传感器组和滤波后的传感器信号幅度也都变得不稳定。
所述光源是一种调制解调的专用光源系统，由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成(见图4);调制信号发生模块采用数字方式实现，即通过数字方式根据波型、 信号幅度、频率参数计算获得一个周期的调制信号片断，然后通过数模转换Φ/A)方式输出，输出的模拟调制信号连接到激光器上，其中通过参数配置选择锯齿波或倒锯齿波调制信号类型，可调整设置信号幅度、直流偏置和频率；调制信号发生模块输出的锯齿波或倒锯齿波信号要求幅度最大为±5V，频率最大为200KHz ;调制后的激光器输出光频随调制信号波形同步变化的激光，输入到传感光路中，可实现传感器的复用、形成多个传感器的信号载波；
其中光源调制电路如图5所示，它主要由运算放大器U7、DFB激光器U8、运算放大 器U9和2个三极管Q4、Q5组;U7的7端接VDC，6端接电阻R18后与二极管D8、电容C41串 联后与电容C38并联的电路再串联，6端接电阻R19后接VDC，同时再接二极管D4、D5、D6、 D7的串联到地，4、7、8、9、10端接地，3端经电阻R17后接地，2端与接U8的端；U8的1、14端 接地，12端经电容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端经扼流圈L3与电 阻R20串联后接三极管Q4的集电极，同时3端经扼流圈L3与电阻R21串联后接三极管Q5 的集电极；U9的1、2端之间并联电阻R22和电容C39后由I端接电阻R25到6端，Pdne接 电阻R30再串联电阻R27接U9的3端，同时接Pdne的电阻R30与电位器阻R31、电阻R32、 电容C43三者并联后串联接地，5端经电阻R24接VREF，7端经电阻R28与8端经电阻R26 共接电容C45到地；从电容C45的上端接出经二极管D11、D12至Q4的基极，同时基极接电 容C44到地，同时经二极管DlO与电阻R29串联也到地，Q4的基极接Q5的基极，而Q4、Q5 的发射极接地；
所述信号采集与处理模块的构成见图8，它包括信号调理单元、信号采集单元、处 理单元、显示终端和外部接口 ；其中调理单元电路如图9所示，它主要由运算放大器U14、光 电二级管U15组成；U15的1、5、8端悬空，3、4端接地，2端经电阻R39、电容C60 二者并联 后接6端，6端经电阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端悬空，6、 7端共接AD_VINI，I端接AD_0UT 口，2端经电阻R42接地，1、2端之间接电阻R40、电容C59 二者的并联；其中运算放大器U14选AD8572，光电二级管U15选0PA380AID。
本天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法是使用专用调制信号发生模 块和具有光频调制的激光器构成光源，由2*2耦合器和法拉第旋转镜构建迈克尔逊结构的 泄漏声波传感器；在管道本体上每隔一定距离安装一个该结构的传感器，相邻的若干个传 感器作为一个传感器组；各传感器通过光分束器和合束器并联接在发射光纤和回传光纤之 间，所有传感器组的传感器均接入到同一根发射光纤，而不同传感器组单独使用一根回传 光纤；迈克耳逊干涉仪传感器的两臂不等长，每个传感器使用两个法拉第旋转镜作为反射 镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化，从而使传感 器及传感器组信号的可视度保持为最大。
本例经多次试验，证明了本发明中针对传感器组和组内传感器的抗偏振衰落技术 是有效的，大大提高了系统检测信号的灵敏度和稳定性，从而也提高了传感器组内传感器 的复用数量，降低了复用成本。
权利要求
1.一种天然气管道泄漏检测传感器及传感器组的抗偏振衰落方法，其特征是在管道本体上每隔一定距离安装一个两臂不等长的迈克耳逊干涉仪结构的传感器，相邻的若干个传感器作为一个传感器组，各传感器通过光分束器和合束器并联接在发射光纤和回传光纤之间；采用光纤迈克耳逊干涉仪作为泄漏声波检测传感器，其输出的光强信号经光电转换后与成V0 1+VCOS ( Φ s+ Φ η+ Φ O) +Vn其中，Vtl是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，为由泄漏振动波引起的相差信号，即为要探测的泄漏振动波信号，Φ O为干涉仪的初始相位，是个常量， φη为位相差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化；通过与光源调制方式相匹配的解复用技术能够实现泄漏振动波信号的获取，并对该信号(^到达相应的传感器的时间延迟进行估计，采用法拉第旋转镜法，即在普通迈克耳逊干涉仪的两个反射镜前各加一个法拉第旋转器，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化，从而使干涉仪的可视度保持为最大。
2.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法，其特征是作为传感器的迈克耳逊干涉仪的两臂不等长，两臂长差为AL ;将锯齿波信号作为调制信号，频率为泄漏声波频带宽度的两倍，作用到光频可调的激光器，激光器输出光频按照锯齿波调制信号同步变化的激光，输入到迈克耳逊干涉仪，通过两臂的激光将产生时延差，从而参与干涉的两束激光除了在锯齿波下降沿处外，其他时刻的光频差均为一个常数，干涉仪输出的干涉信号为一个近似单频的余弦信号，角频率Qtl与干涉仪两臂长差AL成正比，Λ L越大，干涉信号频率越高；传感器组输出的干涉信号为若干个近似单频信号的线性叠加，其频谱为若干个离散的谱线，谱线幅度稳定不变；使用带通滤波器对传感器组干涉信号进行滤波，滤波器中心频率为传感器组内传感器干涉信号的中心频率，带宽与锯齿波调制信号频率相同；滤波之后即可获得该传感器的载波信号，信号幅度稳定。
3.一种使用权利要求1所述方法的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是它包括光源、光路系统和电路部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机；由光源发出激光，经传输光路实现分束后，部分光被传输到安装在管道壁上的光纤传感器组，光纤传感器组拾取沿管道传播的泄漏振动信号以及噪声后，再次经传输光路传回至系统的光电探测器，由信号采集与处理模块进行泄漏信号解调与识别分析，并对泄漏信号进行时延估计实现对泄漏点的定位。
4.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是所述传感器采用光纤迈克耳逊结构的干涉仪，干涉仪两臂不等长，两臂长差为AL ;传感器组内各迈克尔逊干涉仪的臂长差均不相同，不同传感器组内的迈克尔逊干涉仪的臂长差相同；光纤迈克耳逊干涉仪由一个2*2耦合器和两个旋转角度为45度的法拉第旋转镜构成。
5.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是所述信号采集与处理模块包括信号调理单元、信号采集单元、处理单元、终端显示和外部接口 ；光电探测器输出依次串接信号调理单元、信号采集单元和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口 ；处理单元包括泄漏信号识别电路和事件定位电路。
6.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是所述光源由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成；有频率调节、幅度调节和锯齿波/倒锯齿波选择输入的调制信号发生模块的D/A输出接激光器的输入；使用调制信号模块产生所需的锯齿波或倒锯齿波调制信号，通过调制信号发生模块中的D/A输出， 施加到激光器上输出光频按照锯齿波或倒锯齿波规律变化的连续激光，传感器组输出的干涉信号为幅度稳定的多个近似单频余弦信号的叠加。
7.根据权利要求6所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是专用调制信号发生模块的光源调制电路主要由运算放大器U7、DFB激光器U8、运算放大器U9和2个三极管Q4、Q5组;U7的7端接VDC，6端接电阻R18后与二极管D8、电容C41 串联后与电容C38并联的电路再串联，6端接电阻R19后接VDC，同时再接二极管D4、D5、D6、 D7的串联到地，4、7、8、9、10端接地，3端经电阻R17后接地，2端与接U8的端；U8的1、14端接地，12端经电容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端经扼流圈L3与电阻R20串联后接三极管Q4的集电极，同时3端经扼流圈L3与电阻R21串联后接三极管Q5 的集电极；U9的1、2端之间并联电阻R22和电容C39后由I端接电阻R25到6端，Pdne接电阻R30再串联电阻R27接U9的3端，同时接Pdne的电阻R30与电位器阻R31、电阻R32、 电容C43三者并联后串联接地，5端经电阻R24接VREF，7端经电阻R28与8端经电阻R26 共接电容C45到地；从电容C45的上端接出经二极管D11、D12至Q4的基极，同时基极接电容C44到地，同时经二极管DlO与电阻R29串联也到地，Q4的基极接Q5的基极，而Q4、Q5 的发射极接地。
8.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是所述光路系统是在管道上每隔一定距离安装一个迈克耳逊干涉仪作为管道泄漏声波传感器，同时激光器发出的激光通过与管道同沟敷设光缆内的一根称为发射光纤的光纤传输，激光到达每个传感器附近时，通过光分束器分为两束，一束激光注入传感器输入端，另一束激光通过发射光纤传到下一个传感器，以此类推；每2-10个相邻的传感器分为一组， 组内各传感器的干涉信号通过光合束器接入回传光纤，传回到设备接收端；管道上相邻的两个传感器之间的发射光纤和回传光纤的长度均要大于激光器相干长度的1/2，长度不足的用光纤补足，防止传感器之间发生信号串扰；每个传感器组使用一根回传光纤，整个传感光路只有一根发射光纤，回传光纤数量与传感器组数量相同。
9.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是所述信号采集与处理模块包括信号调理单元、信号采集单元、处理单元、显示终端和外部接口 ；光电探测器输出的信号依次串接信号调理单元、信号采集单元和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口。
10.根据权利要求9所述的一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是所述信号调理单元电路主要由运算放大器U14、光电二级管U15组成；U15的1、5、8端悬空，3、4端接地，2端经电阻R39、电容C60 二者并联后接6端，6端经电阻R43接U14的3端，7端·接U14的8端；U14的4端接地，5端悬空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端经电阻R42接地，1、2端之间接电阻R40、电容C59 二者的并联。
全文摘要
本发明是一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法和系统。采用专用调制信号发生模块和激光器构成光源，由2*2耦合器和法拉第旋转镜构建迈克尔逊结构的泄漏声波传感器；在管道本体上每隔一定距离安装一个该结构的传感器，相邻的若干个传感器构成一个传感器组，各传感器通过光分束器和合束器并联接在发射光纤和回传光纤之间；传感器的两臂不等长，每个传感器使用两个法拉第旋转镜作为反射镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化，从而使传感器及传感器组信号的可视度保持为最大。本发明克服了干涉仪偏振诱导信号衰落现象，使泄漏检测的灵敏度和准确度提高、虚警率降低且不易受环境因素影响。
文档编号F17D5/02GK102997044SQ20111027125
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者张金权, 王小军, 李 东, 焦书浩, 侯志相, 刘素杰, 闫会朋, 李维, 张 浩, 厉宇 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局