专利名称：一种天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统，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单元，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。但是其光纤传感单元的安装技术要求复杂，设计难度大，主要是要保证光纤传感单元检测灵敏度足够高，噪声隔离性要好。
发明内容
本发明的目的是发明一种能保证基于光纤传感技术的准分布式天然气管道泄漏监测系统灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的光源系统。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，传感单元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单元，用来监测管道上的泄漏振动波。传感单元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单元，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实现了对振动波源即泄漏点位置的确定。天然气管道泄漏光纤监测系统还采用了光纤传感器复用/解复用方法。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光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可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；而多个传感器组之间采用空分复用方式分别接入系统主机。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。泄漏声波信号的相位载波解调方法是将接收到的干涉信号，先进行带通滤波，一路输出与COS(Ocit)相乘后进行低通滤波与微分处理，另一路与Sin(COcit)相乘后进行低通滤波与微分处理；前一路的微分输出与后一路的低通滤波输出相乘后，再与后一路的微分输出与前一低通滤波输出相乘的结果相减，之后依次经积分、高通滤波处理，最终输出原始泄漏振动波信号(见图6)。同时，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探头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，管道泄漏光纤传感探头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单元扫描，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单元组的干涉光信号转换为电信号，每个传感单元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单元组的干涉信号为数字信号，并可通过带通滤波的方 法将组内各传感单元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；分析相邻几个传感单元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。应用多传感单元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。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单元定位方法，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单元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单元间隔为设定值L，设信号传播至传感单元η的时间为tn，传播至传感单元η+1的时间为tn+1，信号传播至传感单元η-l的时间为tn_i，传播至传感单元η+2
的时间为tn+2,有无4處齐丄-tn)]=-[vxC^-1 _/ +ι)]( 2 )
权利要求
1.一种天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统，其特征是它由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成；激光器的光频调节输入端接调制信号发生模块中的D/Α输出，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上，输出光频按照锯齿波规律变化的连续激光。
2.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统，其特征是所述的激光器采用光频可调制的半导体激光器，激光器光功率10-20mW，激光器相干长度为400-500m，大于所有传感器干涉仪臂长差，但小于相邻两个干涉仪之间发射光纤和回传光纤上的延迟光纤长度之和。
3.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统，其特征是所述调制信号发生模块采用具有频率调节、幅度调节和锯齿波/倒锯齿波选择输入功能的数字方式实现；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，频率不小于管道上泄漏声波信号带宽的两倍，频率最大为200KHZ。
4.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统，其特征是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rone，6端接TEC+，3端经扼流圈L 3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Dll、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系统的光源系统，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。它由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成；激光器的光频调节输入端与调制信号发生模块中的D/A输出端连接；在调制信号发生模块中由信号发生器产生锯齿波/倒锯齿波，并能通过频率调节器、幅度调节器以及锯齿波/倒锯齿波选择器进行调节控制；激光器受调制信号发生模块产生的调制信号作用，使其输出光波的光频随调制信号波形同步变化。本发明能保证天然气管道泄漏光纤监测系统的灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响。
文档编号F17D5/02GK102997058SQ201110272460
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, 王飞, 赵锋, 闫会朋, 杨文明, 李维, 张欣, 任培奎 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局