分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置和方法与流程

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体为一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置和方法。

背景技术：

煤层气是我国的重要能源，受到我国错综复杂的地势及其他因素的影响，煤层气在管道运输过程中时常发生泄漏而造成巨大损失，一旦发生或可能发生输气管线泄漏故障，工作人员要及时获取故障的灾变信息与位置，故而急需一种输气管线泄漏预警及检测方案。现有的输气管线泄漏预警及检测方案大多依赖电力系统且仅能实现单点或者局部检测，泄漏发生或可能发生时，若供电系统出现问题，会造成通信不畅、失联等状况，给抢险工作带来极大的困难；另外，若发生或可能发生泄漏的位置在检测装置探测范围之外，则无法发现故障，从而延误抢险工作。分布式无源输气管线泄漏预警及检测方案主要基于光纤传感技术，适用于强腐蚀、高压、强电磁干扰等多种环境，且具有长距离、分布式的优势，但也存在一些问题。分布式无源输气管线泄漏预警及检测方案按所测的物理量划分，目前主要有相互独立的振动检测、温度检测和应变检测三类。通常，只采用某一类分布式无源输气管线泄漏预警及检测方案，导致存在漏报、误报的问题。然而，同时采用三类方案时，存在结构复杂、数据冗杂、成本高的问题。

技术实现要素：

本发明一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置和方法，旨在解决输气管线泄漏的预警及检测问题，公开一种同时采集振动、温度和应变三种信号，并通过信号处理分析对输气管线泄漏进行预警及检测的技术方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警及检测装置，包括窄线宽激光发射模块、第一1*2耦合器、脉冲光调制器、脉冲光放大器、第一滤波器、环行器、温度参考光纤模块、波分复用器、1*3耦合器、掺铒光纤放大器、第二滤波器、扰偏器、第二1*2耦合器、第一光电探测器、第一数据采集模块、第一算法处理模块、信息处理模块、第二算法处理模块、第二数据采集模块、第二光电探测器、第三光电探测器、第三数据采集模块、第三算法处理模块、上位机、多路复用模块、左传感光纤、上传感光纤和右传感光纤。窄线宽激光发射模块的输出端连接到第一1*2耦合器的端口a；所述第一1*2耦合器的端口b连接到脉冲光调制器的输入端；所述脉冲光调制器的输出端连接到脉冲光放大器的输入端；所述脉冲光放大器的输出端连接到第一滤波器的输入端；所述第一滤波器的输出端连接到环形器的端口a；所述环形器的端口b连接到温度参考光纤模块的输入端；所述温度参考光纤模块的输出端连接到多路复用模块的端口a；所述多路复用模块的端口b、c、d分别连接到左传感光纤、右传感光纤和上传感光纤，三根传感光纤均外裹保护胶皮分别布设在输气管道的左右两侧和上侧，探测气体泄漏或可能泄露点所伴随的振动、温度和应变变化。所探测到的输气管道不同位置的信号重复依次通过多路复用模块，经过温度参考光纤模块，进入环形器的端口b，从环形器的端口c输出，进入1*3耦合器的端口a后一分为三，分别从1*3耦合器的端口b、c、d输出。所述1*3耦合器的端口b连接到掺饵光纤放大器的输入端；所述掺饵光纤放大器的输出端连接到第二滤波器的输入端；所述第二滤波器的输出端连接到第二1*2耦合器的端口a。所述第二1*2耦合器的端口c连接到扰偏器的输入端；所述扰偏器的输出端连接到第二1*2耦合器的端口b；所述第二1*2耦合器端口c连接到第一光电探测器的输入端；所述第一光电探测器的输出端连接到第一数据采集模块的输入端；所述第一数据采集模块的输出端连接到第一算法处理模块的输入端；所述第一算法处理模块的输出端将解调得到的应变信息通过信息处理模块的端口a输入到其内部。所述1*3耦合器的端口c连接到第二光电探测器的输入端；所述第二光电探测器的输出端连接到第二数据采集模块的输入端；所述第二数据采集模块的输出端连接到第二算法处理模块的输入端；所述第二算法处理模块的输出端将解调得到的振动信息通过信息处理模块的端口b输入到其内部。所述1*3耦合器的端口d连接到波分复用器的端口a；所述波分复用器的端口b、c分别连接到第三光电探测器的端口a、b；所述第三光电探测器的端口c连接到第三数据采集模块的输入端；所述第三数据采集模块的输出端连接到第三算法处理模块的输入端；所述第三算法处理模块的输出端将解调得到的温度信息通过信息处理模块的端口c输入到其内部。最后，信息处理模块对测得的输气管道沿线的振动、温度和应变信息进行融合处理判别故障，将输气管道的安全状态信息及具体状态信息通过信息处理模块的端口d输入到上位机，在上位机的界面上显示，提示工作人员采取相应的措施。

其中，输气管道的安全状态信息至少包括正常工作、存在泄漏风险及发生泄漏的情形；具体状态信息至少包括振动、温度及应变状态信息。

本发明还提供一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警及检测方法，包括以下步骤：

s1、利用φotdr、rotdr和botdr信号处理方法提取输气管线沿线的振动、温度和应变测量值；

s2、利用kalman滤波建立待测量，包括输气管线安全状态和具体状态，以及原始量之间的状态方程和量测方程，得到输气管线安全状态及其具体状态信息；

s3、利用人工神经网络技术建立一前向三层人工神经网络，输入输气管线沿线的振动、温度和应变测量值，输出输气管线安全状态和具体状态；

s4、以贝叶斯方法推理判断两种输出结果的接受度，从而确定输气管线安全状态和具体状态。

其中，步骤s1在前述技术方案所述的装置中的第一算法处理模块、第二算法处理模块和第三算法处理模块中完成。

其中，步骤s2、s3、s4在前述技术方案所述的装置的信息处理模块17中完成。

其中，步骤s2中将交叉项与其他噪声统一视为量测方程中的噪声项，从而获得待测量随时间的变化，另外，量测方程的系数矩阵每过一段时间也利用积累的监测数据重新优化设定，以适应长期监测时光纤传感器灵敏系数的时变。

其中，步骤s3中利用积累的监测数据训练神经网络。

区别于现有技术，本发明一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置和方法解决了现有技术中输气管线泄漏预警及检测多局限于单点或局部以及单一参量检测的问题；同时从振动、温度、应变三方面采集信号，并通过信号融合处理分析对输气管线泄漏进行预警和检测，可靠性高；本发明装置结构简单，可在无源条件下，实现输气管线泄漏的预警及检测，避免通信不畅，失联等意外情况的发生，实现了长距离、分布式的测量。

附图说明

图1是本发明所述分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置的结构示意图。

图2是本发明所述分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测方法的逻辑示意图。

1、窄线宽激光发射模块2、第一1*2耦合器3、脉冲光调制器4、脉冲光放大器5、第一滤波器6、环行器7、温度参考光纤模块8、波分复用器9、1*3耦合器10、掺铒光纤放大器11、第二滤波器12、扰偏器13、第二1*2耦合器14、第一光电探测器15、第一数据采集模块16、第一算法处理模块17、信息处理模块18、第二算法处理模块19、第二数据采集模块20、第二光电探测器21、第三光电探测器22、第三数据采集模块23、第三算法处理模块24、上位机25、多路复用模块26、左传感光纤27、气体泄漏或可能泄露点28、上传感光纤29、右传感光纤30、输气管道。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

附图1是本发明所述的一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置，其装置包括窄线宽激光发射模块1、第一1*2耦合器2、脉冲光调制器3、脉冲光放大器4、第一滤波器5、环行器6、温度参考光纤模块7、波分复用器8、1*3耦合器9、掺铒光纤放大器10、第二滤波器11、扰偏器12、第二1*2耦合器13、第一光电探测器14、第一数据采集模块15、第一算法处理模块16、信息处理模块17、第二算法处理模块18、第二数据采集模块19、第二光电探测器20、第三光电探测器21、第三数据采集模块22、第三算法处理模块23、上位机24、多路复用模块25、左传感光纤26、上传感光纤28、右传感光纤29。图1是本发明所述的一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警及检测装置的结构示意图。下面结合附图1说明本发明的具体工作过程：

在监控中心搭建本发明一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警及检测装置，将窄线宽激光发射模块1、第一1*2耦合器2、脉冲光调制器3、脉冲光放大器4、第一滤波器5、环行器6、温度参考光纤模块7、波分复用器8、1*3耦合器9、掺铒光纤放大器10、第二滤波器11、扰偏器12、第二1*2耦合器13、第一光电探测器14、第一数据采集模块15、第一算法处理模块16、信息处理模块17、第二算法处理模块18、第二数据采集模块19、第二光电探测器20、第三光电探测器21、第三数据采集模块22、第三算法处理模块23、上位机24、多路复用模块25、左传感光纤26、上传感光纤28、右传感光纤29按照附图1进行连接，将左传感光纤26、右传感光纤29、上传感光纤28按照附图1分别铺设于输气管道的左右两侧和上侧，且三根传感光纤均外裹保护胶皮。

监控中心启动本发明所述的一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警及检测装置，对输气管线沿线的振动、温度和应变状态进行持续监测。由窄线宽激光发射模块1输出窄线宽激光注入到第一1*2耦合器2的端口a，在第一1*2耦合器2中分为两束，其中一束光通过第一1*2耦合器2的端口b输送到脉冲光调制器3，将连续的光信号调制为脉冲光信号，脉冲光调制器3输出光信号到脉冲光放大器4，将光信号进行放大，脉冲光放大器4输出光信号到第一滤波器5，以滤除光信号中的部分噪声，第一滤波器5再将光信号注入环形器6的端口a，环形器6的端口b输出光信号到温度参考光纤模块7，温度参考光纤模块7用于温度定标，温度参考光纤模块7输出光信号到多路复用模块25的端口a，光信号在多路复用模块25中重复依次通过其端口b、c、d分别输送到左传感光纤26、右传感光纤29、上传感光纤28，进行输气管道沿线的振动、温度和应变状态的监测，三根传感光纤检测到的含有振动、温度和应变信息的光信号分别注入到多路复用模块25的端口b、c、d，三束含有输气管道不同位置的振动、温度和应变信息的光信号在多路复用模块25中重复依次通过其端口a输送到温度参考光纤模块7，温度参考光纤模块7将光信号输出到环形器6的端口b，环形器6通过其端口c将光信号注入到1*3耦合器9的端口a，光信号在1*3耦合器9中分为三束分别通过1*3耦合器9的端口b、c、d输出，用于应变、振动和温度信息的解调，其中一束用于应变信息解调的光信号通过1*3耦合器9的端口b注入到掺饵光纤放大器10，将光信号放大，掺饵光纤放大器10输出光信号到第二滤波器11，滤除部分光信号的噪声，第二滤波器11将光信号输送到第二1*2耦合器13的端口a，同时，第一1*2耦合器2中的另一束光作为参考光，通过其端口c注入到扰偏器12，以消除偏振噪声，扰偏器12再将光信号注入第二1*2耦合器13的端口b，第二1*2耦合器13中的两束光通过其端口c输出到第一光电探测器14，进行拍频和光电转换，第一光电探测器14输出电信号到第一数据采集模块15，进行数据采集，第一数据采集模块15将采集到的数据输送到第一算法处理模块16，数据经过算法处理可得到输气管道沿线的应变信息，第一算法处理模块16将输气管道的应变信息通过信息处理模块17的端口a输送到其内部；1*3耦合器9中用于振动信息解调的光信号通过1*3耦合器的端口c注入到第二光电探测器20，进行光电转换，第二光电探测器20将电信号输送到第二数据采集模块19，进行数据采集，第二数据采集模块19将采集到的数据输送到第二算法处理模块18，数据经过算法处理可得到输气管道沿线的振动信息，第二算法处理模块18将输气管道的振动信息通过信息处理模块17的端口b输送到其内部；1*3耦合器9中用于温度信息解调的光信号通过1*3耦合器的端口d注入波分复用器8，光信号中的斯托克斯波和反斯托克斯波在波分复用器8中分开，波分复用器8通过端口b、c将光信号中的斯托克斯波和反斯托克斯波分别输送到第三光电探测器21的端口a、b，进行光电转换，第三光电探测器21将电信号输送到第三数据采集模块22，进行数据采集，第三数据采集模块22将采集到的数据输送到第三算法处理模块23，数据经过算法处理可得到输气管道沿线的温度信息，第三算法处理模块23将输气管道的温度信息通过信息处理模块17的端口c输送到其内部；信息处理模块17对测得的输气管道30沿线的振动、温度和应变信息进行融合处理判别故障，将输气管道30的安全状态信息（正常工作或存在泄漏风险或发生泄漏）及具体状态信息（振动、温度、应变状态）通过信息处理模块17的端口d输入到上位机24，在上位机24的界面上显示，提示工作人员采取相应的措施。

图2是本发明所述分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测方法的逻辑示意图。该方法包括以下步骤：

s1、利用φotdr、rotdr和botdr信号处理方法提取输气管线沿线的振动、温度和应变测量值；

s2、利用kalman滤波建立待测量，包括输气管线安全状态（正常工作或存在泄漏风险或发生泄漏）和具体状态（振动、温度、应变状态），以及原始量（振动、温度、应变测量值）之间的状态方程和量测方程，得到输气管线安全状态（正常工作或存在泄漏风险或发生泄漏）及其具体状态（振动、温度、应变状态）信息；

s3、利用人工神经网络技术建立一前向三层人工神经网络，输入输气管线沿线的振动、温度和应变测量值，输出输气管线安全状态（正常工作或存在泄漏风险或发生泄漏）和具体状态（振动、温度、应变状态）；

s4、以贝叶斯方法推理判断两种输出结果的接受度，从而确定待测量，即输气管线安全状态（正常工作或存在泄漏风险或发生泄漏）和具体状态（振动、温度、应变状态）。

其中，步骤2中将交叉项与其他噪声统一视为量测方程中的噪声项，从而获得待测量随时间的变化，另外，量测方程的系数矩阵每过一段时间也利用积累的监测数据重新优化设定，以适应长期监测时光纤传感器灵敏系数的时变；步骤s3中利用积累的监测数据训练神经网络。

本发明可在发生或可能发生输气管线泄漏的情况下，使工作人员及时、准确地获取泄漏故障的状态与具体位置，在发生或可能发生输气管线泄漏时，相对于输气管线正常工作时，输气管道外壁的振动、温度和应变分布状态的部分或全部会发生改变，通过铺设于输气管道的左右两侧和上侧的三根传感光纤向工作人员反馈输气管线的状态以及发生或可能发生泄漏的位置，有利于工作人员快速制定抢险方案，在第一时间组织实施抢险措施。

区别于现有技术，本发明一种分布式无源输气管线泄漏多参量融合预警检测装置和方法解决了现有技术中输气管线泄漏预警及检测多局限于单点或局部以及单一参量检测的问题；同时从振动、温度、应变三方面采集信号，并通过信号融合处理分析对输气管线泄漏进行预警和检测，可靠性高；本发明装置结构简单，可在无源条件下，实现输气管线泄漏的预警及检测，避免通信不畅，失联等意外情况的发生，实现了长距离、分布式的测量。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。