专利名称：油气管道泄漏监测系统及其偏振控制方法
技术领域：
本发明涉及管道监测技术领域，尤其涉及一种油气管道泄漏监测系统及其偏振控制方法。
背景技术：
管道运输作为目前石油、天然气最为经济合理的运输方式，对国民经济的发展产生了重要作用。由于管道输送介质的危险性和污染性，管道一旦发生泄漏将会造成巨大的经济损失、环境污染及人身伤害，因此随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展，作为管道监控核心的泄漏监测技术一直受到各国科技工作者的重视。近年来，由于我国管道的老龄化和第三方破坏形势的日益严峻，如何利用各种新方法、新技术在管道因打孔盗油、机械开挖以及滑坡、泥石流等威胁事件导致泄漏之前给出预警信息并准确定位，从而对泄漏事故防患于未然，是我国管道安全运行和发展所面临的重大挑战。基于双Mach-Zehnder光纤干涉技术的分布式光纤油气管道安全检测及预警系统能够对威胁管道安全的事件进行实时监测、预警以及定位。中国发明专利ZL200410020046. 6采用光纤干涉技术，能够在侵入事件发生前对事发点进行高精度定位。该方法在管道附近沿管道铺设一根光缆，利用光缆中的三根光纤构成顺、反两路微振动传感器，通过测量两路干涉光信号的时差实现对侵入事件定位的目的。它能在管道泄漏前对事发点进行定位，其定位精度较高且与管道长度无关。由于在定位时采用的是互相关函数估计时延的方法，因此该监测预警方法对信号相关性的要求很高，只有当信号具备了足够好的相关性时，才能达到理想的定位精度。但是因为单模光纤具有光纤双折射的特性，不同传感光纤的偏振特性不会相同，使得干涉信号对系统输入光波的偏振态敏感，造成“偏振诱导相位偏移”现象，从而导致信号往往不能保持良好的相关性；当相关系数下降到一个临界值时，将会导致互相关法计算定位完全失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种在油气管道泄漏监测系统中，当系统的两路干涉光信号由于输出光偏振影响造成相关性恶化、影响定位精度时，通过偏振控制器能够快速恢复信号良好相关性的偏振控制结构和偏振控制方法。为此，本发明的技术方案如下一种油气管道泄漏监测系统，包括光源、分布式光纤微振动传感器、耦合器、光电探测器、引导光纤和用于数据采集及信号处理的计算机，所述耦合器包括第1 第5耦合器，所述光源连接第1耦合器，该第1耦合器分别连接第2、第3耦合器，第2耦合器与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器连接，第3耦合器与分布式光纤微振动传感器引导光纤的一端连接，该分布式光纤微振动传感器引导光纤的另一端与分布式光纤微振动传感
4器另一端的第5耦合器连接，所述第2、第3耦合器分别与第1、第2光电探测器连接，在所述光源和耦合器之间还设置有一偏振控制器。保持油气管道泄漏监测系统的主结构不变，将偏振控制器安装在光源和第1耦合器之间，即偏振控制器的前后端通过引导光纤分别与光源和第1耦合器连接；或者所述偏振控制器安装在第1耦合器与第2耦合器之间，偏振控制器前端通过引导光纤与第1耦合器连接，后端通过引导光纤与第2耦合器连接；或者所述偏振控制器安装在第1、第3耦合器与3c之间，偏振控制器前端通过引导光纤与第1耦合器连接，后端通过引导光纤与第3 耦合器连接。在单偏振结构中，单偏振控制器安装在光源和第1耦合器之间时，光源发出的光经过偏振控制器调制后，进入第1耦合器；单偏振控制器安装在第1、第2耦合器之间时，第 1耦合器的出射光经过偏振控制器调制后，通过第2耦合器进入分布式光纤微振动传感器的正向(顺时针方向)传输光路；单偏振控制器安装在第1、第3耦合器之间时，第1耦合器的出射光经过偏振控制器调制后，通过第3耦合器进入分布式光纤微振动传感器的逆向 (逆时针方向)传输光路。在该系统结构中，当系统两路检测信号相关性下降时，偏振控制器通过本专利所述的偏振控制算法改变输出光偏振态，恢复信号的良好相关性。所述光电探测器可以采用InGaAs型光电探测器或其它适宜的光电探测器，所述光源可以采用波长为1550纳米的半导体激光器或其它适宜的激光器，所述偏振控制器可以采用通用光电公司的P⑶-M02型集成PolaRite II/III偏振控制器或其它适宜的电控偏振控制器。一种利用上述油气管道泄漏监测系统进行油气管道泄漏监测的偏振控制方法，包括以下步骤(1)判断系统检测信号的相关系数是否小于设定目标值，若否，则继续比较系统检测信号的相关系数与设定目标值的大小；若是，则执行步骤O)；(2)自动启动偏振控制算法，以计算机计算后的信号相关系数做为反馈量，按照算法流程，由计算机并口向偏振控制器输出控制量，改变分布式光纤微振动传感器的正向/ 逆向传输光路中光波的偏振态；(3)判断系统检测信号的相关系数是否大于设定目标值，若是，则偏振控制算法自动终止，继续执行步骤(1)，若否，则执行步骤O)。所述偏振控制算法包括以下步骤1)设目标函数f(x) = I-Pxy，设定算法中的初始温度Ttl和温度更新函数，其中 T0 (0 < T0 ^ 1)，F(Tk) = pH · T0, P 为温度更新常数；2)计算机随机产生偏振控制器的初始控制字^，通过并口将^输入偏振控制器；3)计算机计算在该控制字^下第1、第2光电探测器接收到的两路检测信号的相关系数Pxy，得到目标函数值f (Xtl) = I-Pxy;4)设为算法的当前最优量，并以当前做为全局最优量\和 f(xg)；5)设置外循环计数器k的初值k = 1 ；设置外循环次数kQ，且1 < kQ彡10 ；6)设置内循环计数器η的初值n = 1 ；设置内循环次数 ，且1 < Iitl < 10 ；7)由计算机计算其对应的目标函数值f (Xlri),根据状态产生函数所示产生新控制字I，通过并ロ将I输入偏振控制器，其中状态产生函数如下式所示
权利要求
1.一种油气管道泄漏监测系统，包括光源、分布式光纤微振动传感器、耦合器、光电探测器、引导光纤和用于数据采集及信号处理的计算机，所述耦合器包括第1 第5耦合器， 所述光源连接第1耦合器，该第1耦合器分别连接第2、第3耦合器，第2耦合器与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器连接，第3耦合器与分布式光纤微振动传感器引导光纤的一端连接，该分布式光纤微振动传感器引导光纤的另一端与分布式光纤微振动传感器另一端的第5耦合器连接，所述第2、第3耦合器分别与第1、第2光电探测器连接，其特征在于在所述光源和耦合器之间还设置有一偏振控制器。
2.根据权利要求1所述的油气管道泄漏监测系统，其特征在于所述偏振控制器为一个，其设置在所述光源和第1耦合器之间，三者通过引导光纤连接。
3.根据权利要求1所述的油气管道泄漏监测系统，其特征在于所述偏振控制器设置在所述第1耦合器和第2耦合器之间。
4.根据权利要求1所述的偏振控制装置，其特征在于所述偏振控制器设置在所述第1 耦合器和第3耦合器之间。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的油气管道泄漏监测系统，其特征在于所述偏振控制器为单偏振控制器。
6.一种利用权利要求1所述油气管道泄漏监测系统进行油气管道泄漏监测的偏振控制方法，包括以下步骤(1)判断系统检测信号的相关系数是否小于设定目标值，若否，则继续比较系统检测信号的相关系数与设定目标值的大小；若是，则执行步骤O)；(2)自动启动偏振控制算法，以计算机计算后的信号相关系数做为反馈量，按照算法流程，由计算机并口向偏振控制器输出控制量，改变分布式光纤微振动传感器的正向/逆向传输光路中光波的偏振态；(3)判断系统检测信号的相关系数是否大于设定目标值，若是，则偏振控制算法自动终止，继续执行步骤(1)，若否，则执行步骤O)。
7.根据权利要求6所述的偏振控制方法，其特征在于所述偏振控制算法包括以下步骤1)设目标函数f(x)= I-Pxy，设定算法中的初始温度Ttl和温度更新函数，其中1^(0 < T0 ^ 1)，F(Tk) = Pk-1 · T0, P 为温度更新常数；2)计算机随机产生偏振控制器的初始控制字^，通过并口将^输入偏振控制器；3)计算机计算在该控制字^下第1、第2光电探测器接收到的两路检测信号的相关系数Pxy，得到目标函数值f(xQ) = I-Pxy;4)设为算法的当前最优量，并以当前做为全局最优量\和 f(xg)；5)设置外循环计数器k的初值k= 1 ；设置外循环次数1 ，且1 < 1 < 10 ；6)设置内循环计数器η的初值n= 1 ；设置内循环次数rv且1 < nQ彡10 ；7)由计算机计算其对应的目标函数值f(Xlri),根据状态产生函数所示产生新控制字 Xn，通过并口将ι输入偏振控制器，其中状态产生函数如下式所示
8.根据权利要求7所述的偏振控制方法，其特征在于在步骤1)中，所述Ttl= 0.8，所述 P = 0. 8。
9.根据权利要求7所述的偏振控制方法，其特征在于在步骤幻中，所述1 = 5 ；在步骤6)中，所述Iitl = 4;在步骤7)中，所述s = 0.5。
10.根据权利要求7所述的偏振控制方法，其特征在于在步骤12)中，所述阈值U=0. 1。
全文摘要
本发明公开了一种油气管道泄漏监测系统，包括光源、分布式光纤微振动传感器、耦合器、光电探测器、引导光纤，所述耦合器包括第1～第5耦合器，光源连接第1耦合器，该第1耦合器分别连接第2、第3耦合器，第2耦合器与分布式光纤微振动传感器一端的第4耦合器连接，第3耦合器与分布式光纤微振动传感器引导光纤的一端连接，该引导光纤的另一端与该传感器另一端的第5耦合器连接，第2、第3耦合器又各自与第1、第2光电探测器连接，在光源和耦合器之间还设置有偏振控制器。另外，本发明还公开了一种偏振控制方法，该方法可有效消除相位畸变对监测定位造成的不利影响，能明显提高油气管道泄漏监测系统的工作稳定性。
文档编号F17D5/02GK102434784SQ201110323868
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者安阳, 封皓, 张溪默, 曾周末, 靳世久 申请人:天津大学