一种分布式管道检测方法及系统与流程

文档序号：17355861发布日期：2019-04-09 21:39阅读：176来源：国知局

本发明涉及到管道监测领域，具体涉及到一种分布式管道检测方法及系统。

背景技术：

在传统的管道监测领域中，输水管道、排污管道等地下设备大部分是采用定期人工检修的方式进行监测维护。在城市建设的过程中，随着地面建筑数量集聚增加，输水管道、排污管道等地下设备的监测维护成本越来越高；此外，随着管道网络的规模以及复杂性的增加，人工监测维护的工作量大大增加。因此，需要一种监测成本更低、作业难度更低的方法及系统对管道进行监测。

技术实现要素：

为了克服所述问题，本发明提供了一种分布式管道检测方法及系统，该分布式管道监测方法及系统具有监测信息汇总效果良好、管道监测成本低、施工难度低等特点。

相应的，本发明实施例还提供了一种分布式管道检测方法，包括以下步骤：

基于云服务器接收分布式检测管道的管道检测信息，所述管道检测信息由设置在管道主体上的光信号收发设备基于分布式光纤传感器采集后生成；

所述云服务器基于所述管道检测信息，分析所述管道状态，并将所述管道状态示出给用户。

所述分布式管道检测方法还包括以下步骤：

所述云服务器下发采集启动指令至设定的分布式检测管道，所述采集启动指令用于触发所述光信号收发设备基于分布式光纤传感器采集生成所述管道检测信息。

所述通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，所述有线通信模块包括光纤通信模块；所述光纤通信模块基于所述分布式光纤传感器与相邻的光信号收发设备连接；

所述布式检测管道基于所述无线通信模块发送所述管道检测信息至所述云服务器或基于所述有线通信模块，通过相邻的光信号收发设备发送管道检测信息至所述云服务器。

光信号收发设备基于分布式光纤传感器采集生成所述管道检测信息包括以下步骤：

基于中控模块控制光信号发射模块将原始光信号导入至所述分布式光纤传感器中；

基于光信号接收模块接收所述分布式光纤传感器中的调制光信号；

基于光电转换模块将所述调制光信号转换为调制光电信号；

基于中控模块接收所述调制光电信号，所述管道检测信息包括所述调制光电信号。

所述分布式管道检测方法还包括以下步骤：

所述管道检测信息包括光纤光栅调制光电转换信号、和/或瑞利散热调制光电转换信号、和/或布里渊散射调制光电信号、和/或拉曼散射调制光电信号、和/或反拉曼散射调制光电信号。

在所述基于中控模块控制光信号发射模块将原始光信号导入至所述分布式光纤传感器中的同时，所述原始光信号经所述光电转换模块后转换为调制原始光电信号后，被发送至所述中控模块；

所述中控模块接收所述调制光电信号的接收时间以所述中控模块接收到所述调制原始光电信号的时刻为基准，所述管道检测信息包括所述中控模块接收所述调制光电信号的接收时间。

所述云服务器基于所述管道检测信息，分析所述管道状态，并将所述管道状态示出给用户包括以下步骤：

所述云服务器内预设有所述分布式检测管道的分布示意图以及所述分布式检测管道的物理参量合理范围；

基于所述云服务器内的数据处理器对所述管道检测信息进行换算，得出所述分布式检测管道所有位置的实时物理参量值；

基于所述云服务器内的数据处理器将所述实时物理参量与所述物理参量合理范围做比较，对实时物理参量超出物理参量合理范围的位置进行标识并示意给用户。

所述分布式检测管道的任一位置与光信号收发设备的距离基于光信号收发设备对光信号的收发间隔时间进行确定，计算公式如下：其中，d为所述分布式检测管道任一位置距所述光信号收发设备的距离，t为光信号收发设备的原始光信号发射时间与调制光信号的接收时间间隔，c为真空光速，n为光纤折射率。

所述管道检测信息包括拉曼散射调制光电信号和反拉曼散射调制光电信号；所述实时物理参量为温度；所述实时物理参量值的计算方式为r(t)为管道一位置上的温度，ias为反斯托克斯光光强，is为斯托克斯光光强，λs为斯托克斯光波长，λas为反斯托克斯光波长，h为普朗克常数，c为光在真空中的速度，μ为波数偏移，k为波尔兹曼常数，t为绝对温度；

所述反斯托克斯光光强和斯托克斯光光强基于所述拉曼散射调制光电信号和反拉曼散射调制光电信号生成。

相应的，本发明实施例还提供了一种分布式管道检测系统，包括云服务器和分布式检测管道；所述分布式检测管道包括管道主体、光信号收发设备和分布式光纤传感器；

所述云服务器包括

云服务器通信模块：用于下发采集启动指令至所述光信号收发设备并接收所述光信号收发设备上传的管道检测信息；

云服务器数据处理器：用于基于所述管道检测信息，分析所述管道状态，并将所述管道状态示出给用户；

所述光信号收发设备包括

光信号发射模块：用于生成原始光信号并导入至所述分布式光纤传感器；

光信号接收模块：用于接收所述分布式光纤传感器的调制光信号；

光电转换模块：用于将所述调制光信号进行光电转换，转换为对应的调制光电信号；

中控模块：用于控制所述光信号发射模块、基于所述调制光电信号生成管道检测信息；

通信模块：用于将所述管道检测信息上传至云服务器；

所述分布式光纤传感器设置在所述管道主体上，用于基于所述原始光信号生成调制光信号。

本发明提供的分布式管道检测方法及系统，基于云服务器对各分布式管道进行数据分析，数据汇总能力较强，对管道的监测更为全面；光信号收发设备只负责管道检测信息的采集，数据处理在云服务器进行，光信号收发设备的资源要求较低，分布式管道的造价较低，便于大规模推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1示出了本发明实施例的分布式管道检测方法流程示意图；

图2示出了光纤背向散射谱分布图；

图3示出了对应于光纤各状态的otdr测试曲线图；

图4示出了本发明实施例otdr机构原理图；

图5示出了本发明实施例的光纤光栅设置结构示意图；

图6示出了本发明实施例的分布式管道检测系统结构图；

图7示出了本发明实施例的光信号收发设备结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例的分布式管道检测方式流程图。本发明实施例提供了一种分布式管道检测方法，包括以下步骤：

s101：基于云服务器下发采集启动指令至设定的分布式检测管道上的光信号收发设备；

在一个城市管道系统中，分布式检测管道的总体数量以及每一根分布式检测管道上的光信号收发设备的数量都是多个的；理想情况下，所有分布式检测管道的光信号收发设备同时工作可实时获取整个城市管道系统的工况；当在实际作业中，受计算机资源、网络资源等资源限制，不可能对所有分布式检测管道和所有光信号收发设备进行信号获取，因此，每一根分布式检测管道以及每一个光信号收发设备的启动应该是触发性或周期性的，以节省资源。

在本发明实施例中，每一根分布式检测管道以及每一个光信号收发设备的启动是触发性的，通过云服务器下发采集启动指令进行启动。

由于光信号收发设备是设置在分布式检测管道上的，云服务器下发的采集启动指令是指上是发送至光信号收发设备中的。

s102：光信号收发设备基于通信模块接收所述采集启动指令，中控模块驱动所述光信号发射模块发射原始光信号至分布式光纤传感器；

具体实施中，光信号收发设备通过通信模块接收到云服务器下发的采集启动指令，设备开始进行工作；首先，中控模块需要控制光信号发射模块生成原始光信号并导入所述分布式光纤传感器中。

具体的，光信号发射模块包括激光发生器和激光调制器，激光发生器和激光调制器均受所述中控模块进行控制；通过中控模块控制，光信号发射模块可以发射出多种频率、波长等光特性不同的原始光信号，用于多种光散射效应。

同时，为了使中控模块基于otdr原理的计时更为准确，本发明实施例在激光调制器的输出端接入光分路器，光分路器具有两个输出端，分别为外输出端和内输出端，内输出端与光电转换模块的输入端连接，并经光电转换模块转换为调制原始光信号，用于作为中控模块的计时基准时间。

s103：所述分布式光纤传感器对所述原始光信号进行调制后生成调制光信号；

分布式光纤传感器的主要类型有两种，一种为物性型光纤传感器，一种为结构型光纤传感器。

实施例一：

物性型光纤传感器是利用光纤自身对环境变化的敏感性，将环境的物理量变换为调制的光信号，其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等因素影响下，其光特性，如相位、波长和光强等光特性会发生变化。因此，通过对光纤的光相位、波长和光强的测量与计算，可以获取被测物理量的变化情况。

物性型光纤传感器同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质根据光纤内传输的光在不同光纤位置上所产生的光特性变化，可获取光纤任意位置上的物理量变化情况。图2示出了光纤背向散射谱分布图，具体的，当激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用，会发生瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射三种效应，散射光的波长和强度之间都具有明显的差异性，通过波长可对各种光进行区分；基于该原理衍生出三类传感技术，分别为利用后向瑞利散射的传感技术、利用拉曼效应的传感技术、利用布里渊效应的传感技术；以下分别对各种传感技术进行介绍。

利用后向瑞利散射的传感技术：瑞利散射主要特点有：瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长；散射光强与入射光波长的四次方成反比λ为入射光波长，i为瑞利散射光光强；散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为i(θ)＝i0(1+cos²θ)，其中，θ为入射光方向与瑞利散射光方向的夹角；i0是方向上的散射光强；瑞利散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角θ。

当光波在光纤中向前传输时，会在光纤沿线不断产生背向的瑞利散射光，瑞利散射光的功率与引起散射的光波功率成正比；由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传播时的能量会不断衰减，因此光纤中不同位置处产生的瑞利散射信号中携带有光纤沿线的损耗信息。另外，由于瑞利散射发生时会保持散射前光波的偏振态，所以瑞利散射信号同时包含光波偏振态的信息。因此，当瑞利散射光返回到光纤入射端后，通过检测瑞利散射信号的功率、偏振态等信息，可对外部因素作用后光纤中出现的缺陷等现象进行探测，从而实现对作用在光纤上的相关参量如压力、弯曲等物理进行测量。

图3示出了对应于光纤各状态的otdr测试曲线图。具体实施中，otdr，即光时域反射仪其应用的原理即为后向瑞利散射原理；假设光纤发生熔接、弯曲等非反射事件时，otdr测试曲线表现为衰减；假设光纤发生活动连接、机械连接、断裂等反射事件时，otdr测试曲线表现为阶跃后衰减；光纤末端则为会产生不规则震动，光强接近于0。

传统otdr的作业过程为：处理器发出驱动信号至光源，驱动光源开始发出光信号，并从发出驱动信号的瞬间开始计时；光信号经光纤耦合器后导出至光纤，随着光信号的传播，光纤上各点产生后向瑞利散射；后向瑞利散射光经光纤耦合器和光电转换器后，转换为电信号供处理器处理；处理器根据接收到的后向瑞利散射光时间，判断产生该后向瑞利散射光的光纤距离；实际实施中，由于光电转换器需要一定的转换时间，且光信号在光纤中的传播速度较快，微小的时间差异会导致光纤距离测算出现偏差。

图4示出了本发明实施例otdr机构原理图。在本发明实施例中，处理器驱动光源发出光信号，光源输出的光信号经过光分路器等分光元件从外输出端和内输出端两路进行同步输出，其中，外输出端经光纤耦合器连接至光纤，内输出端经光电转换器后与处理器连接，作为计时信号的启动信号；由于计时信号的启动信号和结束信号均经历同样的处理过程，因此，计时更为准确，光纤距离的测算更加准确。

需要说明的是，光纤距离d的计算公式为其中d为光纤距离，t为计时时间，c为真空光速，n为光纤折射率。以下所介绍的拉曼效应、布里渊效应同样需要应用该光纤距离计算公式进行光纤距离的计算。

利用拉曼效应的传感技术：拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光，称为斯托克斯光；如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论，在自发拉曼散射条件下，斯托克斯光与温度无光，反斯托克斯光的强度则随温度变化，具体计算公式为r(t)为温度，ias为反斯托克斯光光强，is为斯托克斯光光强，λs为斯托克斯光波长，λas为反斯托克斯光波长，h为普朗克常数，c为光在真空中的速度，μ为波数偏移，k为波尔兹曼常数，t为绝对温度。

具体实施中，由于这两种不同波长光的衰减差异和探测器对这两种光的响应差异，需要通过设定定标区来消除影响。具体的，定标区可设置在光纤的前200m，可把光纤放入恒温箱中作为参考光纤，设定其温度为t0，则在测温系统标定后，通过测定r(t)即可确认沿光纤各测量点的温度值。

利用布里渊效应的传感技术：布里渊散射是光波、声波相互作用而产生的一种非弹性散射，在散射过程中产生的斯托克斯光相对于泵浦光会有一频移，称为布里渊频移，对于常用的光线，其值大约为十几个吉赫；布里渊散射信号的功率和频移与光纤的温度和应力有关。基于布里渊散射的分布式传感技术可分为两大类：基于受激布里渊散射(stimulatedbrillouinscattering，sbs)的技术和基于自发布里渊散射的技术(spontaneousbrillouinscattering，spbs)。基于分析技术的传感器或传感系统一般有较好的性能，因为基于sbs的系统有较高的信噪比(signal－to－noiseratio，snr)，从而使其信号探测和信号处理较为简单，但是分析技术一般需要从光纤两端同时探测；另一方面，基于spbs的反射技术信号较弱，需要复杂的信号处理方法，但是其优点是只需在光纤的一端探测，并且在光纤断裂的时候仍可测量从探测端到断点之间的光纤。具体实施中，有botdr、botda、bocda、bocdr、bofda五种实施方式。

结合附图图2所示的光纤背向散射谱分布图，各散射效应所产生的散射光信号具有较为明显的波长差异，通过波分复用器将各种散射光分别提取，并进行相应的光电转换，可实现多种散射效应同步监测或分时监测的目的，大大节省了设备资源。

综上所述，物性型光纤传感器利用光纤自身作为传感器，通过将光纤布置在管道主体上，可检测管道主体的工况，根据光纤布置形式的不同，可实现对管道主体二维、三维的检测效果。

实施例二：

结构型光纤传感器是通过光检测元件进行环境物理量检测，光检测原件在环境物理量的影响下，会改变经过光检测原件的光的光特性，通过光纤对光的传导作用，在光纤中捕抓相对应的光信号，即可获取管道的环境物理量。在使用结构性光纤传感器的情况下，光纤仅作为光的传播媒介。具体的，光检测元件可以为光纤光栅等光检测原件，其中，应用最为广泛的为布拉格光纤光栅传感器。

图5示出了本发明实施例的光纤光栅设置结构示意图。具体的，应变光栅传感器会在外界的物理条件影响下，改变自身光纤光栅的波长漂移，具体应用中，经过该光纤光栅的光信号特性会发生改变；通过光信号收发设备获取光纤中光信号特性的变化情况，即可获取光纤光栅除的外界物理条件。

具体实施中，由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用，目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。

具体的，在管道应用中，主要应用的为压力光栅传感器、应变光栅传感器和温度光栅传感器；其中，压力光栅传感器用于布置在管道主体的外壁上，用于测量外界环境对管道主体外壁的压力；应变光栅传感器可嵌入安装在管道主体的内壁与外壁之间，获取管道主体的变形情况；温度光栅传感器可设置在管道主体的内壁中，获取水温度的变化，判断污水是否产生危险的高温化学反应。

由于结构性光纤传感器只能在传感器设置的位置上产生作用，通常在特定的位置中使用。在排污管道应用中，应变光栅传感器可设置在公路底部、山体底部等高载荷区域的管道主体上；而温度光栅传感器可设置在高原区域、高地热区域等与常温温度差异较大的主体上；相应的，光纤光栅传感器可同样设置在管道主体的内壁、外周或嵌入至管道主体中。

结构性光纤传感器可以与物性型光纤传感器同时使用，也可以单独使用。

当结构性光纤传感器可以与物性型光纤传感器同时使用时，物性型光纤传感器可获取管道主体的连续长度工况，对于一些易发生故障，如管道主体的连接接口处、管道主体的入口和出口、管道主体的线径改变点，可针对故障类型，在光纤中接入相关的结构性光纤传感器，并将结构性光纤传感器设置在相应的管道主体的内壁、外壁或嵌入至内壁与外壁之间。

需要说明的是，当结构性光纤传感器与物性型光纤传感器同时使用时，，结构性光纤传感器的波长漂移需要与物性型光纤传感器的散射效应波长产生区别，以供光信号收发模块进行识别。

综上所述，分布式光纤传感器的工作原理为，分布式光纤传感器自身对光信号具有一定的调制功能，且调制功能随自身所处的外界物理环境所影响；调制后的调制光信号包括了外界物理环境信息，通过对调制光信号的分析处理，即可获取外界物理环境信息。

因此，在本发明实施例中，利用所述分布式光纤传感器对所述原始光信号进行调制，并生成相应的调制光信号；由于光在光纤中的传播的方向是随机的，因此，在光纤的任意位置上均可捕抓到相应的调制光信号，如本发明实施例在光纤的一端上同时设置光信号发射模块和光信号接收模块。

s104：光信号收发设备基于光信号接收模块接收所述分布式光纤传感器中的调制光信号；

具体实施中，常用的调制光信号包括光纤光栅调制光转换信号、瑞利散热调制光转换信号、布里渊散射调制光信号、拉曼散射调制光信号、反拉曼散射调制光信号；各种调制光信号之间具有明显的波长差异，因此，可使用波分复用器对各种调制光信号进行单独提取。

具体的，光信号接收模块包括波分复用器；所述波分复用器包括一个输入端、一个输出端和多个分路输出端；波分复用器的输入端与光分路器的外输出端连接，输出端与分布式光线传感器连接；多个分路输出端分别用于提取不同波长的散射光，如瑞利散射光、反斯托克斯光、斯托克斯光、布里渊散射光等，多个分路输出端与光电转换模块的输入端连接。

s105：光信号收发设备基于光电转换模块将所述调制光信号转换为调制光电信号；

调制光信号需要进行光电转换后才能够进行电子化的采集，因此，本发明实施例的调制光信号需经过光电转换模块转换为调制光电信号。

具体的，光电转换模块内部设置有多个光电转换器件，每一个光电转换器件分别对应光信号分离模块中的每一路光信号分离线路，将光信号分离线路的光信号转换为电信号；同时，光电转换模块中的一个光电转换器件还需要对应于内输出端，将内输出端的光信号转换为电信号。

经过光电转化后，所述光纤光栅调制光转换信号、瑞利散热调制光转换信号、布里渊散射调制光信号、拉曼散射调制光信号、反拉曼散射调制光信号转换为相对应的光纤光栅调制光电转换信号、瑞利散热调制光电转换信号、布里渊散射调制光电信号、拉曼散射调制光电信号、反拉曼散射调制光电信号；原始光信号转换为相对应的原始光电信号。

s106：光信号收发设备基于中控模块接收所述调制光电信号并生成管道检测信息；

中控模块接收到步骤s105所得到的多种调制光电信号和原始光电信号，多种调制光电信号的接收时间是以原始光电信号作为基准时间开始计时的，基于此计时方式，可得到一系列的有关调制光电信号与时间的对应关系数据，该调制光电信号与时间的对应关系数据即为本发明实施例所需的管道检测信息；中控模块将管道检测信息生成后，基于通信模块发送至云服务器。

s107：光信号收发设备基于通信模块发送所述管道检测信息至云服务器；

本发明实施例的通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，有线通信模块在本发明实施例中为光纤通信模块；当光信号收发设备所设置的位置无线信号较为良好时，可通过无线通信模块将中控模块的打包采集信息上传至云服务器；如果光信号收发设备所设置的位置无线信号较差时，可利用分布式光纤传感器，即本发明实施例的光纤进行数据传输，将中控模块的打包采集信息经过光纤传输至前级光信号收发设备或后级光信号收发设备，经过中继后再发送至云服务器。

s108：基于所述云服务器内的数据处理器对所述管道检测信息进行换算，得出所述分布式检测管道所有位置的实时物理参量值；

基本的，所述云服务器内预设有所述分布式检测管道的分布示意图，每一个光信号收发设备的测量位置都记录在分布示意图中，相应的，所述分布式检测管道的每一个位置的预设有物理参量合理范围；

基于所述云服务器内的数据处理器对所述管道检测信息进行换算，得出所述分布式检测管道所有位置的实时物理参量值；具体的，本发明实施例以实时物理参量温度为例进行介绍。

所述分布式检测管道的任一位置基于光信号收发设备对光信号的收发间隔时间进行确定，计算公式如下：其中d为所述分布式检测管道任一位置距所述光信号收发设备的距离，t为光信号收发设备的原始光信号发射时间与调制光信号的接收时间间隔，c为真空光速，n为光纤折射率。

基于以上两个计算公式，可计算出管道任一位置的温度信息。

s109：基于所述云服务器内的数据处理器将所述实时物理参量与所述物理参量合理范围做比较，对实时物理参量超出物理参量合理范围的管道位置进行标识并示意给用户。

由于云服务器中标识有城市管道网络的示意图，因此，通过图示标识的方式，可以很好的将管道工况示意给用户。

具体的，可对实时物理参量超出物理参量合理范围的管道位置进行标识并示意给用户；如步骤s108中所测量的温度物理参量，当管道上某一位置的温度物理参量值超出该位置的温度参量合理范围时，可通过在分布式检测管道的分布示意图上进行标注，以警示使用者。

图6示出了本发明实施例的分布式管道检测系统结构图，图7示出了本发明实施例的光信号收发设备结构示意图。相应的，本发明实施例还提供了一种分布式管道检测系统，该分布式管道检测系统包括云服务器和分布式检测管道；所述分布式检测管道包括管道主体、光信号收发设备和分布式光纤传感器；