管道安全预警系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种管道安全预警系统和方法，属于管道监测领域。所述系统包括：第一激光器、光纤干涉仪，用于产生第一干涉光波和第二干涉光波；光电转换模块，用于将第一干涉光波和第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号；第一光纤；脉冲激光产生装置，用于提供脉冲激光；耦合模块，用于将脉冲激光输入第一光纤，并输出后向相干瑞利散射光；光电探测器，用于对相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号；处理模块用于对第一电信号、第二电信号和第三电信号进行处理，得到不同振源产生的振动信号。从而对管道安全进行预警。
【专利说明】管道安全预警系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及管道监测领域，特别涉及一种管道安全预警系统和方法。
【背景技术】
[0002]光纤管道安全预警系统是一种基于光纤传感的振动检测系统，通过检测管道附件是否有振动事件，来对油气泄漏、附近的机械施工和人为破坏等事件进行迅速判断和准确定位，从而确保管道安全运行。
[0003]上述系统采用带有回传功能的双向马赫曾德干涉仪实现，该双向马赫曾德干涉仪由两个合分波器，以及连接在两个合分波器之间的光纤组成，且其中一个合分波器与处理模块电连接。处理模块通过分析干涉仪中双向传输的两路信号的时延，实现对振动事件的定位。一般而言，由于监测距离较长，监测段内常常出现多起振动事件同时发生的情况，这样不同振源引发的振动信号在时间上交错出现，形成时域混合的第二混合振动信号序列。系统将第二混合振动信号序列根据两路信号的时延值重新进行分选组合，重建起多个振动事件，并对事件进行报警。
[0004]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]由于时延估计需要考虑精度，所以容易产生误差，因此可能会造成不同事件在位置上的模糊，使得在一定距离范围内的相邻事件被误判为一个事件，或者单起事件被分裂成多个事件报警的情况出现，使系统出现错误报警。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中对管道安全预警时，容易产生错误报警的问题，本发明实施例提供了一种管道安全预警系统和方法。所述技术方案如下:
[0007]—方面，本发明实施例提供了一种管道安全预警系统，所述系统包括:
[0008]第一激光器，用于提供第一激光；
[0009]光纤干涉仪，用于接收所述第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波；
[0010]光电转换模块，用于将所述第一干涉光波和所述第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号；
[0011]沿管道铺设的第一光纤；
[0012]脉冲激光产生装置，用于提供脉冲激光；
[0013]耦合模块，用于将所述脉冲激光输入所述第一光纤，并输出所述脉冲激光在所述第一光纤中传输时产生的后向相干瑞利散射光；
[0014]光电探测器，用于对所述相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号；
[0015]处理模块，用于对所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号进行处理，得到不同振源产生的振动信号。
[0016]在本发明实施例的一种实现方式中，所述脉冲激光产生装置包括第二激光器和声光调制器。
[0017]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述脉冲激光产生装置包括脉冲激光器。
[0018]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述耦合模块为耦合器或环行器。
[0019]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括:
[0020]掺铒光纤放大器，用于对所述脉冲激光进行能量放大，所述掺铒光纤放大器设于所述脉冲激光产生装置和所述耦合模块之间。
[0021]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述光纤干涉仪为马赫-曾德光纤干涉仪，所述马赫-曾德光纤干涉仪包括:
[0022]第一合分波器和第二合分波器，设于所述第一合分波器和所述第二合分波器之间且沿管道铺设的第二光纤、第三光纤和第四光纤。
[0023]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括:
[0024]设于所述第一激光器和所述第一合分波器之间的偏振调制器，以及设于所述偏振调制器和所述处理模块之间的偏振控制器。
[0025]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括:
[0026]与所述第二光纤串联的第一相位调制器、与所述第三光纤串联的第二相位调制器、与所述处理模块连接的相位控制器，所述相位控制器与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器中的一个电连接，所述偏振控制器与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器中的另一个电连接。
[0027]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一激光器为连续单色激光器。
[0028]另一方面，本发明实施例还提供了一种管道安全预警方法，所述方法包括:
[0029]提供第一激光；
[0030]采用光纤干涉仪接收所述第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波；
[0031]将所述第一干涉光波和所述第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号；
[0032]根据所述第一电信号和所述第二电信号，得到第二混合振动信号序列；
[0033]将脉冲激光输入沿管道铺设的第一光纤，并输出所述脉冲激光在所述光纤中传输产生的后向相干瑞利散射光；
[0034]对所述相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号；
[0035]对所述第三电信号进行处理，得到第一混合振动信号序列；
[0036]根据所述第一混合振动信号序列和所述第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号。
[0037]在本发明实施例的一种实现方式中，所述根据所述第一混合振动信号序列和所述第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号，包括:
[0038]根据所述第一混合振动信号序列，确定振源的个数及不同振源的位置；
[0039]根据所述振源的个数及不同振源的位置，将所述第二混合振动信号序列分为不同振源产生的振动信号。
[0040]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0041]通过采用光纤干涉仪对管道振动事件进行检测，得到第二混合振动信号序列，同时，根据脉冲激光在光纤中传输形成的后向相干瑞利散射光对管道振动事件进行检测，得到第一混合振动信号序列，根据第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号，既保证了检测时对不同振源产生的振动事件的准确区分，以保证了采用频率，使得安全预警更为准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1是本发明实施例一提供的管道安全预警系统的结构示意图；
[0044]图2是本发明实施例二提供的管道安全预警系统的结构示意图；
[0045]图3是本发明实施例二提供的第二混合振动信号序列示意图；
[0046]图4是本发明实施例二提供的分离后的振动信号序列示意图；
[0047]图5是本发明实施例三提供的管道安全预警方法流程图。
【具体实施方式】
[0048]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0049]实施例一
[0050]本发明实施例提供了一种管道安全预警系统，参见图1，该系统包括:一种管道安全预警系统，该系统包括:
[0051]第一激光器101，用于提供第一激光；
[0052]光纤干涉仪102，用于接收第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波；
[0053]光电转换模块103,用于将第一干涉光波和第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号；
[0054]沿管道铺设的第一光纤104 ；
[0055]脉冲激光产生装置105，用于提供脉冲激光；
[0056]耦合模块106，用于将脉冲激光输入第一光纤，并输出脉冲激光在第一光纤中传输时产生的后向相干瑞利散射光；
[0057]光电探测器107，用于对相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号；
[0058]处理模块108，用于对第一电信号、第二电信号和第三电信号进行处理，得到不同振源产生的振动信号。
[0059]本发明实施例通过采用光纤干涉仪对管道振动事件进行检测，得到第二混合振动信号序列，同时，根据脉冲激光在光纤中传输形成的后向相干瑞利散射光对管道振动事件进行检测，得到第一混合振动信号序列，根据第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号，既保证了检测时对不同振源产生的振动事件的准确区分，以保证了采用频率，使得安全预警更为准确。
[0060]实施例二
[0061]本发明实施例提供了一种管道安全预警系统，参见图2，该系统包括:
[0062]第一激光器201，用于提供第一激光；
[0063]光纤干涉仪202，用于接收第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波；
[0064]光电转换模块203,用于将第一干涉光波和第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号；
[0065]沿管道铺设的第一光纤204 ；
[0066]脉冲激光产生装置205，用于提供脉冲激光；
[0067]耦合模块206，用于将脉冲激光输入第一光纤，并输出脉冲激光在第一光纤中传输时产生的后向相干瑞利散射光；
[0068]光电探测器207,用于对相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号；
[0069]处理模块208,用于对第一电信号、第二电信号和第三电信号进行处理,得到不同振源产生的振动信号。
[0070]具体地，处理模块208对第三电信号进行处理，得到第一混合振动信号序列；根据第一电信号和第二电信号得到第二混合振动信号序列，再根据第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号。
[0071]具体地，上述脉冲激光产生装置205可以包括第二激光器和声光调制器。脉冲激光产生装置205也可以包括脉冲激光器。优选地，第二激光器可以为超窄线宽激光器。
[0072]具体地，耦合模块206可以为耦合器或环行器。
[0073]进一步地，光纤干涉仪202为马赫-曾德光纤干涉仪，马赫-曾德光纤干涉仪包括:
[0074]第一合分波器2021和第二合分波器2022，设于第一合分波器2021和第二合分波器2022之间且沿管道铺设的第二光纤2023、第三光纤2024和第四光纤2025，第一合分波器2021用于接收第一激光，并将第一激光分为两路，其中一路通过第一合分波器2021端入射，在第二合分波器2022端合波形成第一干涉光波,通过第四光纤2025传回第一合分波器，另一路通过第四光纤2025传输至第二合分波器2022端，通过第二合分波器2022端入射，在第一合分波器2021端形成第二干涉光波。
[0075]光电转换模块203包括第一光电检测电路2031和第二光电检测电路2032,第一光电检测电路2031和第二光电检测电路2032分别将第一干涉光波和第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号。
[0076]优选地，第一激光器201可以为连续单色激光器。
[0077]进一步地，处理模块208通过第一模数转换器和第二模数转换器分别与上述第一光电检测电路2031和第二光电检测电路2032的输出端相连，第一模数转换器和第二模数转换器将上述第一电信号和第二电信号进行模数转换后输出到处理模块208，处理模块208对第一电信号和第二电信号进行延迟估计，从而对振动事件进行定位，得到第二混合振动信号序列，如图3所示。
[0078]另外，处理模块208还与脉冲激光产生装置205电连接，处理模块208用于产生时序信号，控制脉冲激光产生装置205产生脉冲激光。当处理模块208收到光电探测器207输出的第三电信号时，对第三电信号进行处理，得到第一混合振动信号序列。处理模块208根据第一混合振动信号序列，确定振源的个数及不同振源的位置；其中，第一混合振动信号序列，实际上是一个相位变化扰动的序列，根据扰动的强度，确定不同扰动位置所述的振源。再根据振源的个数及不同振源的位置，将第二混合振动信号序列分为不同振源产生的振动信号。由于采用后向相干瑞利散射光进行振源检测时，为了保证光纤中传输的脉冲间不发生干扰，需要保证在光纤中只能同时传输一个相同波长的脉冲，因此，造成该方式下采样频率较低，所以相比于图3中的第二混合振动信号序列，可能第一混合振动信号序列中，只存在tn+3和tn+2时刻的脉冲，但由于采用后向相干瑞利散射光进行振源检测时，检测的精度高，即信号中由同一个振源造成的信号突变的幅度更接近，因此可以根据第一混合振动信号序列中的信号的扰动强度来区分不同振源，从而确定tn+3和tn+2时刻的脉冲属于不同振源，根据振源的个数，以及脉冲周期性的规律，将第二混合振动信号序列分解为如图4所示的振动信号序列。同时由于第二混合振动信号序列的采样频率较高，因此，同时采用第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列来进行振源定位，既保证了振源检测的采样频率，又保证了检测精度。
[0079]进一步地，该系统还包括:
[0080]设于第一激光器201和第一合分波器2021之间的偏振调制器209、与偏振调制器209电连接的偏振控制器210、与第二光纤2023串联的第一相位调制器211、与第三光纤2024串联的第二相位调制器212、以及与第二相位调制器212电连接的相位控制器213，上述偏振控制器210和相位控制器213均与处理模块208电连接。上述偏振控制器210和偏振调制器209构成偏振衰落闭环电路，使得马赫-曾德光纤干涉仪形成的两路干涉光波的相位差值稳定在系统所需要的相位值上。上述相位控制器213、第一相位调制器211和第二相位调制器212构成相位衰落闭环电路，使得马赫-曾德光纤干涉仪形成的两路干涉光波的偏振态差值稳定在系统所需要的角度值上。上述串连是指将第一相位调制器连接在第二光纤中，此时第二光纤包括连接在第一相位调制器上的两段。
[0081]在本发明实施例的另一种实现方式中，也可以采用以下方式连接:第二相位调制器212与偏振控制器210电连接，第一相位调制器211与相位控制器213电连接。
[0082]进一步地，该系统还包括:
[0083]掺铒光纤放大器，用于对脉冲激光进行能量放大，掺铒光纤放大器设于脉冲激光产生装置205和耦合模块206之间。
[0084]进一步地，该系统还应该包括用于进行声光报警的声光报警单元，和用于显示管道振动位置的显示单元。
[0085]本发明实施例通过采用光纤干涉仪对管道振动事件进行检测，得到第二混合振动信号序列，同时，根据脉冲激光在光纤中传输形成的后向相干瑞利散射光对管道振动事件进行检测，得到第一混合振动信号序列，根据第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号，既保证了检测时对不同振源产生的振动事件的准确区分，以保证了采用频率，使得安全预警更为准确。
[0086]实施例三
[0087]本发明实施例提供了一种管道安全预警方法，参见图5，该方法包括:
[0088]步骤301:提供第一激光。
[0089]步骤302:采用光纤干涉仪接收第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波。
[0090]光纤干涉仪可以是马赫-曾德光纤干涉仪。
[0091]步骤303:将第一干涉光波和第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号。
[0092]步骤304:根据第一电信号和第二电信号，得到第二混合振动信号序列。
[0093]具体地，利用延时估计技术即可根据第一电信号和第二电信号，得到第二混合振动信号序列，如图3所示，这里不在赘述。
[0094]步骤305:将脉冲激光输入沿管道铺设的第一光纤，并输出脉冲激光在光纤中传输产生的后向相干瑞利散射光。
[0095]步骤305中的脉冲激光，可以通过激光器和声光调制来产生，也可以直接通过脉冲激光器产生。
[0096]步骤306:对相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号。
[0097]步骤307:对第三电信号进行处理，得到第一混合振动信号序列。
[0098]步骤308:根据处理得到的第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号。
[0099]具体地，步骤308可以采用下述方式进行处理:
[0100]步骤一、根据第一混合振动信号序列，确定振源的个数及不同振源的位置。
[0101]其中，第一混合振动信号序列，实际上是一个相位变化扰动的序列，根据扰动的强度，确定不同扰动位置所述的振源。
[0102]步骤二、根据振源的个数及不同振源的位置，将第二混合振动信号序列分为不同振源产生的振动信号。
[0103]具体地，当收到第三电信号时，对第三电信号进行处理，得到第一混合振动信号序列，由于采用后向相干瑞利散射光进行振源检测时，为了保证光纤中传输的脉冲间不发生干扰，需要保证在光纤中只能同时传输一个相同波长的脉冲，因此，造成该方式下采样频率较低，所以相比于图3中的第二混合振动信号序列，可能第一混合振动信号序列中，只存在七?+3和、+2时刻的脉冲，但由于采用后向相干瑞利散射光进行振源检测时，检测的精度高，即信号中由同一个振源造成的信号突变的幅度更接近，因此可以根据第一混合振动信号序列中的信号的扰动强度来区分不同振源，从而确定tn+3和tn+2时刻的脉冲属于不同振源，根据振源的个数，以及脉冲周期性的规律，将第二混合振动信号序列分解为如图4所示的振动信号序列。同时由于第二混合振动信号序列的采样频率较高，因此，同时采用第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列来进行振源定位，既保证了振源检测的采样频率，又保证了检测精度。
[0104]本发明实施例通过采用光纤干涉仪对管道振动事件进行检测，得到第二混合振动信号序列，同时，根据脉冲激光在光纤中传输形成的后向相干瑞利散射光对管道振动事件进行检测，得到第一混合振动信号序列，根据第一混合振动信号序列和第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号，既保证了检测时对不同振源产生的振动事件的准确区分，以保证了采用频率，使得安全预警更为准确。
[0105]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0106]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0107]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种管道安全预警系统，所述系统包括: 第一激光器，用于提供第一激光； 光纤干涉仪，用于接收所述第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波； 光电转换模块，用于将所述第一干涉光波和所述第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号； 其特征在于，所述系统还包括: 沿管道铺设的第一光纤； 脉冲激光产生装置，用于提供脉冲激光； 耦合模块，用于将所述脉冲激光输入所述第一光纤，并输出所述脉冲激光在所述第一光纤中传输时产生的后向相干瑞利散射光； 光电探测器，用于对所述相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号； 处理模块，用于对所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号进行处理，得到不同振源产生的振动信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲激光产生装置包括第二激光器和声光调制器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲激光产生装置包括脉冲激光器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合模块为耦合器或环行器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 掺铒光纤放大器，用于对所述脉冲激光进行能量放大，所述掺铒光纤放大器设于所述脉冲激光产生装置和所述耦合模块之间。
6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述光纤干涉仪为马赫-曾德光纤干涉仪，所述马赫-曾德光纤干涉仪包括: 第一合分波器和第二合分波器，设于所述第一合分波器和所述第二合分波器之间且沿管道铺设的第二光纤、第三光纤和第四光纤。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 设于所述第一激光器和所述第一合分波器之间的偏振调制器，以及设于所述偏振调制器和所述处理模块之间的偏振控制器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 与所述第二光纤串联的第一相位调制器、与所述第三光纤串联的第二相位调制器、与所述处理模块连接的相位控制器，所述相位控制器与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器中的一个电连接，所述偏振控制器与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器中的另一个电连接。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光器为连续单色激光器。
10.一种管道安全预警方法，其特征在于，所述方法包括: 提供第一激光； 采用光纤干涉仪接收所述第一激光，并产生第一干涉光波和第二干涉光波； 将所述第一干涉光波和所述第二干涉光波转换为第一电信号和第二电信号； 根据所述第一电信号和所述第二电信号，得到第二混合振动信号序列； 将脉冲激光输入沿管道铺设的第一光纤，并输出所述脉冲激光在所述光纤中传输产生的后向相干瑞利散射光； 对所述相干瑞利散射光进行光电转换，得到第三电信号； 对所述第三电信号进行处理，得到第一混合振动信号序列； 根据所述第一混合振动信号序列和所述第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一混合振动信号序列和所述第二混合振动信号序列，得到不同振源产生的振动信号，包括: 根据所述第一混合振动信号序列，确定振源的个数及不同振源的位置； 根据所述振源的个数及不同振源的位置，将所述第二混合振动信号序列分为不同振源产生的振动信号。
【文档编号】F17D5/02GK104456086SQ201310418381
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】张金权, 李香文, 焦书浩, 祁君, 刘素杰, 杨依光, 祝宝利, 于立成, 赵锋, 杨文明, 张海潮, 高强 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局, 中国石油天然气管道通信电力工程总公司