一种管道泄漏与防开挖预警方法及系统与流程

本发明涉及管道探测技术领域，尤其涉及一种管道泄漏与防开挖预警方法及系统。

背景技术：

目前，针对地下管道泄漏以及第三方非法开挖监测通常采用分布式光纤振动探测系统。这类系统主要基于两种原理：(1)窄线宽激光脉冲后向散射自相干技术，(2)双光纤mz干涉技术。

(1)窄线宽激光脉冲后向散射自相干技术

当一束窄线宽激光脉冲注入到光纤中时，光在向前传输的同时，由于光纤芯折射率的微弱不均匀性，会引起光的散射，其中后向散射光沿光纤原路返回，任意时刻的后向散射光是在该时刻该光脉冲空间所有光散射的叠加：

光强度表达式为：

式中rm为第m个反射中心的反射率：

ni为第i个散射中心的折射率，是第i个散射中光的相位，从式中可已看出，其强度与光脉冲所处位置的折射率有关，当该处的折射率随外界的振动而变化时，光脉冲每次经过该区域的强度将随着外界的振动而振动而改变，以目前常用的250mhz的采样率，50km的长的光纤，每个光脉冲将获得125000个位置处光纤上的光强，相当于12.5万个振光强传感器的光强，为获得每个点的实时振动情况，系统必须连续不定地往光纤中发送脉冲，并同时采集各个点处的光强值，然后再进行数学分析，得出每个点处的振动情况。

为获得每个点处的振动特征，按照数据处理理论，必须采集到足够的样本，如以常用数字傅里叶变换的需要，一般至少需要1024个数据，每个点的光强一般以浮点数表示，即每个光脉冲将获得数据为：500kbyte，那么需要处理的数据将是500kb*1024的矩阵，显然一般的监控工程用的计算机无法胜任！因此通常的做法只是简单的差分运算，再加上本系统采样的是后向散射信号，噪声大，信噪比差，导致系统误报较多，如投入大型服务器，在造价上又难以承受。而在实际的工程应用中，在某一具体时刻，通常只需关注光纤上某些位置处的振动情况，而不需要关注其它位置处的振动情况，也就是在任一确定时刻，500kb*1024的数据中，有大量的数据是不必要处理的数据，如能预先决定需要处理的数据，只处理需要处理的数据，将有效降低系统数据处理的负担！

(2)双光纤mz干涉技术。

双光纤mz干涉技术是将两个光纤mz干涉仪头尾相对排列，如下图所示，激光器ld输出的激光进入前端光器件，经分支器f平均分为两路，一路进入分支器f1后，再分为两路，出前端光器件，进入光路l1和l2，然后到达末端光器件的耦合器o1，进行耦合，形成干涉光，经光纤返回至前端光器件后，出前端光器件，进入光电接受器pd1；另一路经出前端光器件，经光纤进入末端光器件的分支器f2，也均分成两路光分别进入光路l3和l4，然后在前端光器件的耦合器o2进行耦合，形成干涉光后出前端光器件，进入光电探测器pd2。

参照图2，首末端之间的光纤是处于同一根光缆中，当在p点处有振动时，该点处引起光缆中两个干涉仪干涉臂产生相位变化，该项位变化沿l1和l2传输末端并返回至pd1的时间与沿l3和l4传输至首端并到达pd2的时间差为：

δt＝t1-t2＝(l-r)2n/c

通过测量该时间差，可以计算出振动点距首端的距离：

式中c是光在真空中的传播速度，n为光纤芯的折射率，然而由于mz光纤干涉仪的输出信号为余弦函数：

式中i1，i2分别是两束光的强度，δs(t)是外界因素作用到两条光纤上引起的相位差，是无外界因素是两束光的相位差。δs(t)反演将有无穷个，实践中将对两路干涉仪输出的波包络中进行时间比较，以决定二者的时间差δt，但由于干涉仪输出的波形为余弦波(通常≤10khz)，导致计算两列波形中心的差，比较困难，并产生较大误差，根据理论计算及实际产品的应用，该误差在200米左右，显然偏大。

技术实现要素：

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种管道泄漏与防开挖预警系统。

本发明提出的一种管道泄漏与防开挖预警方法，包括下列步骤：

s1、通过双光纤干涉监测装置监控扰动事件，并根据扰动事件确定扰动区域；

s2、通过窄线宽激光脉冲后向散射自相干监测装置对s1中得到的扰动区域进行分析，确定扰动事件发生的位置。

优选地，在s2中，预先对s1中得到的扰动区域扩大，然后对扩大后的扰动区域进行分析。

本发明还提出一种实现上述管道泄漏与防开挖预警方法的管道泄漏与防开挖预警系统，包括：第一分光纤、第二分光纤、第二传感光纤、第三分光纤、第一传感光纤、第四分光纤、主激光器、第一光电转换器、第二光电转换器、主分光器、第一支路分光器、第二耦合器、环形器、波分复用器、第二支路分光器和第一耦合器、脉冲激光器；

主分光器上设有主输入端、第一主输出端、第二主输出端；第一支路分光器上设有第一分输入端、第一分输出端、第二分输出端；第二耦合器上设有第三耦合输入端、第四耦合输入端和第二耦合输出端；环形器上设有环形输入端、环形输出端和环形连接端；波分复用器上设有第一波分连接端、第二波分连接端、第三波分连接端；第二支路分光器上设有第二分输入端、第三分输出端、第四分输出端，第一耦合器上设有第一耦合输入端、第二耦合输入端和第一耦合输出端；

主激光器与主分光器的主输入端连接，第一主输出端与第一支路分光器的第一分输入端连接，第一分输出端通过第一分光纤与第一耦合输入端连接，第二分输出端通过第二分光纤与第二耦合输入端连接，第一耦合输出端通过第一传感光纤与第一光电转换器连接；第二主输出端与波分复用器的第一波分连接端连接，第二波分连接端通过第二传感光纤与第二支路分光器的第二分输入端连接，第三分输出端通过第三分光纤与第三耦合输入端连接，第四分输出端通过第四分光纤与第四耦合输入端连接，第二耦合输出端与第二光电转换器连接；

脉冲激光器与环形器的环形输入端连接，环形连接端与第三波分连接端连接，环形输出端与第三光电转换器连接。

优选地，主激光器、第一光电转换器、第二光电转换器、脉冲激光器、第三光电转换器共同构成信号主机；主分光器、第一支路分光器、第二耦合器、环形器、波分复用器共同构成前端；第二支路分光器和第一耦合器共同构成末端；第一分光纤、第二分光纤、第二传感光纤、第三分光纤、第一传感光纤、第四分光纤共同构成传感光缆。

优选地，还包括第一滤波器，第一滤波器连接在第一光电转换器与第一耦合器之间。

优选地，还包括第二滤波器，第二滤波器连接在第二光电转换器与第二耦合器之间。

优选地，还包括第三滤波器，第三滤波器连接在环形器与第三光电转换器之间。

本发明中，所提出的管道泄漏与防开挖预警系统，通过主分光器将激光器出射的光分为两路，采用两组支路分光器、两个分光纤、耦合器、光电转换器分别形成两个方向的光纤mz干涉仪，通过两个光纤mz干涉仪进行监测，同时采用脉冲激光器、传感光纤、环形器、光电传感器配合实现窄线宽激光脉冲后向散射自相干监测，一旦监测到光纤中发生扰动事件，迅速定位扰动区域，然后启动窄线宽激光脉冲检测，对扰动区域进行精确检测，确定扰动点的具体位置，从而减少检测误差的同时，大大降低检测的运算量，降低监测成本，提高监测精度。

附图说明

图1为本发明提出的一种管道泄漏与防开挖预警系统的结构示意图。

图2为现有技术中双光纤mz干涉技术的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提出的一种管道泄漏与防开挖预警系统的结构示意图。

本发明提出的一种管道泄漏与防开挖预警方法，包括下列步骤：

s1、通过双光纤干涉监测装置监控扰动事件，并根据扰动事件确定扰动区域；

s2、通过窄线宽激光脉冲后向散射自相干监测装置对s1中得到的扰动区域进行分析，确定扰动事件发生的位置。

为了实现上述管道泄漏与防开挖预警方法，参照图1，本发明还提出了一种管道泄漏与防开挖预警系统，包括：第一分光纤8、第二分光纤9、第二传感光纤17、第三分光纤19、第一传感光纤11、第四分光纤20、主激光器5、第一光电转换器13、第二光电转换器26、主分光器6、第一支路分光器7、第二耦合器21、环形器15、波分复用器16、第二支路分光器18和第一耦合器10、脉冲激光器14；

主分光器6上设有主输入端、第一主输出端、第二主输出端；第一支路分光器7上设有第一分输入端、第一分输出端、第二分输出端；第二耦合器21上设有第三耦合输入端、第四耦合输入端和第二耦合输出端；环形器15上设有环形输入端、环形输出端和环形连接端；波分复用器16上设有第一波分连接端、第二波分连接端、第三波分连接端；第二支路分光器18上设有第二分输入端、第三分输出端、第四分输出端，第一耦合器10上设有第一耦合输入端、第二耦合输入端和第一耦合输出端；

主激光器5与主分光器6的主输入端连接，第一主输出端与第一支路分光器7的第一分输入端连接，第一分输出端通过第一分光纤8与第一耦合输入端连接，第二分输出端通过第二分光纤9与第二耦合输入端连接，第一耦合输出端通过第一传感光纤11与第一光电转换器13连接；第二主输出端与波分复用器16的第一波分连接端连接，第二波分连接端通过第二传感光纤17与第二支路分光器18的第二分输入端连接，第三分输出端通过第三分光纤19与第三耦合输入端连接，第四分输出端通过第四分光纤20与第四耦合输入端连接，第二耦合输出端与第二光电转换器26连接；

脉冲激光器14与环形器15的环形输入端连接，环形连接端与第三波分连接端连接，环形输出端与第三光电转换器24连接。

为了保证检测可靠性，减小噪声影响，还包括第一滤波器12、第二滤波器25、第三滤波器22，第一滤波器12连接在第一光电转换器13与第一耦合器10之间，第二滤波器25连接在第二光电转换器26与第二耦合器21之间，第三滤波器22连接在环形器15与第三光电转换器24之间。

本实施例的管道泄漏与防开挖预警系统的具体工作过程中，主激光器5发出连续激光进入主分光器6，将激光分为均等的两份，一份进入第一支路分光器7，再分为相等的两份，分别进入第一分光纤8和第二分光纤9后，进入第一耦合器10，构成一个光纤mz干涉仪，该干涉仪的输出经第一传感光纤11依次进入第一滤波器12滤出干涉光进入第一光电转换器13；主分光器6分出的另一路光进入波分复用器16后进入第二传感光纤17，传输至第二支路分光器18，分成均等的两份，分别进入第三分光纤19，第四分光纤20，然后进入第二耦合器21，构成一个方向的光纤mz干涉仪，干涉光进入第二滤波器25，滤出干涉光进入第二光电转换器26，同时监测第一光电转换器13和第二光电转换器26的信号，一旦监测中光纤中有扰动事件，迅速定位，并以该值为中心，作为监测目标区域，同时启动脉冲激光器14发出脉冲激光，进入环形器15后进入第二传感光纤17，第二传感光纤17中的后向散射信号沿第二传感光纤17返回至波分复用器16，进入环形器15，然后进入第三滤波器22滤出后向散射光，进入第三光电转换器24，对第三光电转换器24的中的信号截取目标监测区域的数据，进行精细分析，确定光纤上扰动点的具体位置，并分析其事件特征。

在扰动区域的确定方式中，在s2中，预先对s1中得到的扰动区域扩大，然后对扩大后的扰动区域进行分析，从而减小误差和误判。

在本系统的具体设计方式中，主激光器5、第一光电转换器13、第二光电转换器26、脉冲激光器14、第三光电转换器24共同构成信号主机1；主分光器6、第一支路分光器7、第二耦合器21、环形器15、波分复用器16共同构成前端2；第二支路分光器18和第一耦合器10共同构成末端4；第一分光纤8、第二分光纤9、第二传感光纤17、第三分光纤19、第一传感光纤11、第四分光纤20共同构成传感光缆3。

通过将各个器件集成在信号主机、前端、传感光缆、末端几个区域，便于各器件的布置和连接，同时保证探测的可靠性。

在本实施例中，所提出的管道泄漏与防开挖预警系统，通过主分光器将激光器出射的光分为两路，采用两组支路分光器、两个分光纤、耦合器、光电转换器分别形成两个方向的光纤mz干涉仪，通过两个光纤mz干涉仪进行监测，同时采用脉冲激光器、传感光纤、环形器、光电传感器配合实现窄线宽激光脉冲后向散射自相干监测，一旦监测到光纤中发生扰动事件，迅速定位扰动区域，然后启动窄线宽激光脉冲检测，对扰动区域进行精确检测，确定扰动点的具体位置，从而减少检测误差的同时，大大降低检测的运算量，降低监测成本，提高监测精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。