专利名称：一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法和系统的制作方法
—种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法 和系统技术领域
本发明是一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法和系统，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。
纵观国内与国外的各种管道泄漏监测技术，目前普遍使用的负压波法·，流量平衡法，压力坡降等输油管道泄漏检测技术，无法有效的解决气体管道的泄漏检测问题，尤其是对微小泄漏的识别与定位。而基于光纤良好的传感特性，光纤传感技术得以快速发展，其中应用较多的是利用一根与管道同沟敷设的光缆作为气体泄漏传感器，灵敏度虽然比传统技术高，但是其定位效果差，不能完全满足天然气管道泄漏监测的应用需求。另一种基于光纤复用技术的准分布式光纤传感技术，可有效解决管道气体微小泄漏的识别与定位。但是其光纤传感器的安装技术要求复杂，设计难度大，主要是要保证光纤传感器检测灵敏度足够高，噪声隔离性要好。发明内容
本发明的目的是发明一种节省投入、灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法和系统。
该天然气管道泄漏光纤监测系统采用一种具有高灵敏度的准分布式光纤传感泄漏振动监测方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装高灵敏度光纤干涉型泄漏光纤传感器，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实现对振动波源所在位置的确定，实现上述的对振动波信号分析处理后对泄漏事件进行报警同时提供泄漏点的位置信息。本发明在采用高灵敏度光纤传感器提高对泄漏事件监测灵敏度的基础上适当增加了光纤传感器的数量，扩展了可拾取监测信号的频段，并结合多个光纤传感器进行的时延估计定位方法保证了系统定位的准确性。
在天然气管道泄漏光纤监测系统中，传感器是实现管道泄漏监测的关键，当管道发生泄漏时，泄漏激发的振动波将沿管道向泄漏点两侧传播。在管道本体上每隔一定距离安装一个传感器，用来监测管道上的泄漏振动波。传感器采用光纤干涉仪结构，可以为光纤迈克耳逊干涉仪或者光纤马赫曾德干涉仪作为泄漏振动波检测传感器，为了增加对泄漏振动的感应灵敏度可以通过增加传感光纤长度的方式，其输出的光强信号经光电转换后可以与成
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。
为了能准确定位管道泄漏的位置，天然气管道泄漏光纤监测系统采用了一种基于准分布式光纤传感技术天然气管道泄漏事件的多传感器定位方法，当管道泄漏事件发生时，泄漏激发振动波并沿管道向两相反方向传播，系统根据泄漏信号传播到相邻几个传感器的时延差实现对泄漏点的定位。当泄漏发生时，泄漏激发管道产生振动波，振动波以速度 V沿管道传播，其中两个相邻的传感器间隔为设定值L，设信号传播至传感器η的时间为tn， 传播至传感器n+1的时间为tn+1，信号传播至传感器η-1的时间为tn_i，传播至传感器n+2的时间为tn+2，有下式(2)成立
权利要求
1.一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法，其特征是在管道本体上每隔一定距离安装一个高灵敏度光纤干涉型泄漏光纤传感器，来连续实时监测沿管道本体传播的泄漏振动波信号，根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时延差结合振动波在管道本体上的传播速度实现对泄漏点的定位；采用迈克耳逊或者马赫-曾德结构的光纤干涉仪作为泄漏振动波检测传感器，传感器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 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激光相差信号，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实现泄漏振动波信号的获取，并对该信号到达相应的传感单元的时间延迟进行估计，结合振动波沿管道传播的速度V实现对振动波源即泄漏点位置的确定。
2.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法， 其特征是该方法综合频分复用和空分复用的方法，采用对可调激光器进行光频调制的方法产生泄漏探测光，使用迈克耳逊干涉仪作为泄漏传感器，传感器的布设结构是在天然气管道外壁上每隔一定距离安装一个泄漏传感器，多个传感器构成一个传感器组，每个传感器组的光信号使用一根光纤传回系统主机；其中每个传感器都制作成臂差不同的迈克耳逊干涉仪，使每个泄漏传感器所产生的传感光信号频率均不相同，由此利用频分复用原理将每组的多个传感器不同频率的光信号复用在一根光纤中传回系统的接收端；而各传感器组采用空分复用方式接入系统主机；接收到的每个传感器组的光信号使用单独的光电转换通道实现光信号到电信号的转换，转换后的传感信号使用分频方式实现传感器组内各传感器的解复用，并采用相位载波技术解调出管道泄漏的原始声波信号，再经过泄漏信号的识别和定位分析，最终可准确获取管道泄漏点信息；所述分频方式实现各传感器的解复用，是使用不同中心频率的带通滤波器滤波从干涉信号中得到得到相应传感器的载波信号，载波信号的特征是近似单频的余弦信号。
3.一种用于权利要求1所述方法的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是它包括光路复用结构的光路系统和电路两部分，光路系统包括光源和光路；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，每个传感器通过分束器与发射光纤连接，发射光纤与激光器连接；多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，组内每个传感器通过合束器与一根回传光纤连接，每个传感器组使用一根回传光纤传回光电探测器；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，信号采集与处理模块输出接微机；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信号实现了传感器组内各传感器信号的解复用和解调，获得原始泄漏振动波信号；再由信号采集与处理模块进行泄漏信号的识别与分析，最终依据泄漏信号的时延估计实现泄漏点的定位。
4.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统， 其特征是所述光路系统具体是激光器发出的探测激光输入传输光缆中的发射光纤进入传感单元组后到达第一个光路适配器，由该光路适配器的光分束器分为两束激光一束经输入光纤进入第一个光纤传感单元，另一束光经发射光纤传到下一个光路适配器，再由下一个光路适配器中的光分束器分为两束激光，一束进入第二个光纤传感单元，另一束再经发射光纤传输到下一个光路适配器，以此类推，直到激光到达最后一个光纤传感单元，到达最后一个传感单元时，无需光分束器，直接进入光纤传感单元；每2-10个相邻的光纤传感器分为一组，组内各光纤传感器的干涉信号通过各自光路适配器内的光合束器接入回传光纤，与后面传过来的光信号合束，通过传输光路中的回传光纤传回到系统光电探测器；所述光路适配器集合了光分束器和光合束器；发射光纤与回传光纤使用的是同一根传输光缆中的两根不同的光纤；传输光缆将所有光路适配器串联起来；管道上相邻的两个传感单元之间的发射光纤和回传光纤的长度之和均要大于激光器相干长度的1/2。
5.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统， 其特征是所述光源是一种包括适合复用和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；调制信号发生模块中的D/A输出接激光器调制出入；调制信号发生模块输出的调制信号具有频率调节、幅度调节和锯齿波/倒锯齿波选择输入功能；调制信号作用在激光器，输出光频随调制信号波形同步变化的激光。
6.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统， 其特征是所述信号采集和处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口 ；接光电探测器输出的信号调理输出依次串接信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；信号采集和处理模块通过带通滤波方法，将传感器组内各迈克耳逊干涉仪的干涉信号从传感器组信号中分离出来，实现解复用；滤波器中心频率为该传感器干涉信号主频率，带宽为锯齿波频率，从传感器组干涉信号中将各传感器的载波信号分离出来，分理出来的载波信号为近似单频余弦信号，使用相位载波调制解调方法解调出原始泄漏声波信号，计算相邻两个传感器检测到的泄漏声波信号的时延差，结合泄漏声波在管道上的传播速度，即可获得泄漏位置。
7.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统， 其特征是所述各传感器的两个干涉臂不等长，存在一个臂长差，且传感器组内的各传感器的臂长不等长；所述传感器组的数量至少为I个，各传感器组均由若干个迈克耳逊干涉仪或马赫曾德干涉仪传感器构成，各传感器安装在管道外壁上，相邻两个传感器的间距为50m-2km，每 2-10个传感器构成一个传感器组。
8.根据权利要求5所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统， 其特征是所述调制信号发生模块采用数字调制电路，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。
9.根据权利要求5或8所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是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C 39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。
全文摘要
本发明是一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用方法和系统。它是对激光器进行光频调制产生泄漏探测光，用光臂差不同的迈克耳逊或马赫-曾德干涉仪作为泄漏传感器，在管道外壁安装多个传感器；相邻的多个臂长差各不相同的数个传感器构成一个传感器组，每个传感器组内的各传感器的信号通过一根回传光纤传回接收端的光电探测器；各传感器组的信号采用空分复用方式使用独立的回传光纤传回接收端；转换后的传感信号使用分频方式实现各传感器的解复用，并采用相位载波技术解调出管道泄漏的原始声波信号，再经过泄漏信号的识别和定位分析，准确获取管道泄漏点信息。它节省投入、灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响。
文档编号F17D5/02GK102997043SQ20111027119
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, 焦书浩, 方德学, 王历军, 刘春平, 杨娜, 姜毅, 曾科宏, 蒋启善 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局