管道泄漏检测方法及系统与流程

1.本技术涉及油气储运领域，特别涉及一种管道泄漏检测方法和系统。


背景技术：

2.管道运输是石油和天然气产品的主要运输方式。泄漏是影响油气管道安全的主要因素，管道的腐蚀穿孔、突发性的自然灾害以及人为破坏等都会造成管道泄漏。油气管道一旦泄漏，极易引发重大安全事故，因此对油气管道的泄漏进行实时检测十分重要。
3.相关技术中，由于油气管道泄漏会产生泄漏声波，因此一般可以在管道上设置声波传感器，并通过该声波传感器检测泄漏声波，从而可以实现对管道泄漏的检测。
4.但是，由于声波在管道中传播的衰减较大，因此若声波传感器之间的距离较远，则无法有效检测到较小的泄漏声波，泄漏检测的精度较低。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种管道泄漏检测方法及系统，可以解决相关技术中管道泄漏检测的精度较低的问题。所述技术方案如下：
6.一方面，提供了一种管道泄漏检测系统，所述系统包括：第一光电采集子系统、第二光电采集子系统、声波采集子系统以及泄漏检测子系统；
7.所述第一光电采集子系统包括：第一激光器、第一管道伴行光缆以及第一信号处理组件，所述第一激光器用于向所述第一管道伴行光缆发射第一激光，所述第一信号处理组件用于将所述第一激光在所述第一管道伴行光缆中产生的第一散射光信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号传输至所述泄漏检测子系统，其中，所述第一散射光信号由声音振动产生；
8.所述第二光电采集子系统包括：第二激光器、第二管道伴行光缆以及第二信号处理组件，所述第二激光器用于向所述第二管道伴行光缆发射第二激光，所述第二信号处理组件用于根据所述第二激光在所述第二管道伴行光缆中产生的第二散射光信号，生成第二电信号，并将所述第二电信号传输至所述泄漏检测子系统，其中，所述第二散射光信号由温度变化产生；
9.所述声波采集子系统包括：多个声波传感器和第三信号处理组件，所述多个声波传感器间隔设置在管道上，用于将采集到的声波信号传输至所述第三信号处理组件，所述第三信号处理组件用于对所述声波信号进行处理，得到第三电信号，并将所述第三电信号传输至所述泄漏检测子系统；
10.所述泄漏检测子系统，用于根据所述第一电信号和所述第三电信号确定所述管道周围的声音振动规律，根据所述声音振动规律检测所述管道是否泄漏，以及用于根据所述第二电信号确定所述管道周围的温度变化情况，并根据所述温度变化情况检测所述管道是否泄漏。
11.可选的，所述第一信号处理组件包括：第一环形器(circulator，cir)、第一放大
器、第一滤波器、第一光电探测器以及第一模数转换器；
12.其中，所述第一环形器分别与所述第一激光器、所述第一管道伴行光缆和所述第一放大器连接，用于将所述第一激光传输至所述第一管道伴行光缆，以及将所述第一管道伴行光缆中产生的第一散射光信号传输至所述第一放大器；
13.所述第一放大器还与所述第一滤波器连接，用于将所述第一环形器传输的第一散射光信号放大后传输至所述第一滤波器；
14.所述第一滤波器还与所述第一光电探测器连接，用于对所述第一放大器传输的第一散射光信号滤波后传输至所述第一光电探测器；
15.所述第一光电探测器还与所述第一模数转换器连接，用于将所述第一滤波器传输的滤波后的第一散射光信号转换为模拟的第一电信号，并将所述模拟的第一电信号传输至所述第一模数转换器；
16.所述第一模数转换器还与所述泄漏检测子系统连接，用于将所述模拟的第一电信号转换为数字的第一电信号并传输至所述泄漏检测子系统。
17.可选的，所述第一信号处理组件还包括：串联在所述第一激光器和所述第一环形器之间的第一声光调制器(acousto-optic modulator，aom)和第二放大器；
18.所述第一声光调制器，用于对所述第一激光器发射的第一激光进行声光调制，并将声光调制后的第一激光传输至所述第二放大器；
19.所述第二放大器，用于将所述第一声光调制器传输的第一激光放大后传输至所述第一环形器。
20.可选的，所述第二管道伴行光缆包括第一光纤段和第二光纤段；所述第二信号处理组件包括：分束器、第二声光调制器、电光调制器(electro-optic modulator，eom)、第二滤波器、第二环形器、第二光电探测器和第二模数转换器；
21.所述分束器分别与所述第二激光器、所述第二声光调制器和所述电光调制器连接，用于将所述第二激光分束后分别传输至所述第二声光调制器和所述电光调制器；
22.所述第二声光调制器与所述第二环形器连接，用于对所述分束器传输的一束激光进行声光调制，并将声光调制后的激光传输至所述第二环形器；
23.所述电光调制器还与所述第二滤波器连接，用于对所述分束器传输的另一束激光进行电光调制，并将电光调制后的激光传输至所述第二环形器；
24.所述第二滤波器还与所述第一光纤段的一端连接，用于对所述电光调制器传输的激光滤波后传输至所述第一光纤段；
25.所述第二环形器还分别与所述第二光纤段的一端以及所述第二光电探测器连接，用于将所述第二声光调制器传输的激光传输至第二光纤段，以及用于将所述第二光纤段传输的第二散射光信号传输至所述第二光电探测器，其中所述第一光纤段的另一端与所述第二光纤段的另一端连接；
26.所述第二光电探测器还与所述第二模数转换器连接，用于将所述第二环形器传输的光信号转换为模拟的第二电信号，并将所述模拟的第二电信号传输至所述第二模数转换器；
27.所述第二模数转换器还与所述泄漏检测子系统连接，用于将所述模拟的第二电信号转换为数字的第二电信号，并将所述数字的第二电信号传输至所述泄漏检测子系统。
28.可选的，所述第三信号处理组件包括：第三模数转换器、多个第三放大器和多个第三滤波器；
29.每个所述第三滤波器分别与一个所述声波传感器和一个所述第三放大器连接，用于对所述声波传感器传输的声波信号进行滤波后发送至所述第三放大器；
30.每个所述第三放大器均与所述第三模数转换器连接，用于对所述第三滤波器传输的滤波后的声波信号进行放大后传输至所述第三模数转换器；
31.所述第三模数转换器还与所述泄漏子系统连接，用于将每个所述第三放大器传输的放大后的声波信号转换为第三电信号，并将所述第三电信号传输至所述泄漏检测子系统。
32.可选的，所述声波采集子系统还包括：太阳能电池和无线通信组件；
33.所述太阳能电池分别与所述多个声波传感器，所述第三信号处理组件，以及所述无线通信组件连接，用于为所述多个声波传感器，所述第三信号处理组件，以及所述无线通信组件供电；
34.所述无线通信组件分别与所述第三信号处理组件和所述泄漏子系统连接，用于将所述第三电信号传输至所述泄漏子系统。
35.可选的，所述第三信号处理组件还包括：采样保持器，多路开关；
36.所述采样保持器分别与所述多个第三放大器和所述多路开关连接，用于对每个所述第三放大器传输的声波信号进行采样，并将采样得到的多路声波信号传输至所述多路开关；
37.所述多路开关还与所述模数转换器连接，用于将接收到的多路采样后的声波信号逐路传输至所述模数转换器。
38.可选的，所述泄漏子系统包括：通信组件、第四信号处理组件以及报警组件；
39.所述通信组件分别与第四信号处理组件和报警组件连接，用于接收所述第一电信号，所述第二电信号，以及所述第三电信号，并将所述第一电信号，所述第二电信号，以及所述第三电信号传输至所述第四信号处理组件；
40.所述第四信号处理组件，用于根据所述第一电信号和所述第三电信号确定所述管道周围的声音振动规律，以及根据所述声音振动规律检测所述管道是否泄漏，以及根据所述声音振动规律检测所述管道是否泄漏，以及用于根据所述第二电信号确定所述管道周围的温度变化情况，并根据所述温度变化情况检测所述管道是否泄漏；
41.所述第四信号处理组件，还用于在根据任一电信号确定所述管道存在泄漏时，确定泄漏位置并向所述报警组件发送报警指令；
42.所述报警组件，用于响应于所述报警指令，产生报警信号。
43.可选的，所述第四信号处理组件用于：
44.将所述第一电信号输入至非线性系统，得到第一相轨迹；
45.将所述第三电信号输入至非线性系统，得到第二相轨迹；
46.若所述第一相轨迹和所述第二相轨迹中的任一相轨迹为周期性轨迹，则确定所述管道存在泄漏；
47.若根据所述第二电信号，确定所述管道周围的温度下降，且温度变化量的最小值与温度变化量的平均值的差值大于温度阈值，则确定所述管道存在泄漏。
48.另一方面，提供了一种管道泄漏检测方法，应用于泄漏检测子系统，所述方法包括：
49.接收第一光电采集子系统发送的第一电信号，所述第一电信号是由第一管道伴行光缆中产生的第一散射光信号转换得到的，且所述第一散射光信号由声音振动产生；
50.接收第二光电采集子系统发送的第二电信号，所述第二电信号是根据第二管道伴行光缆中产生的第二散射光信号生成的，且所述第二散射光信号由温度变化产生；
51.接收声波采集子系统发送的第三电信号，所述第三电信号是对声波传感器采集到的声波信号进行处理得到的；
52.根据所述第一电信号和所述第三电信号确定所述管道周围的声音振动规律，并根据所述声音振动规律检测所述管道是否泄漏；
53.根据所述第二电信号确定所述管道周围的温度变化情况，并根据所述温度变化情况检测所述管道是否泄漏。
54.本技术提供的技术方案带来的有益效果至少可以包括：
55.本技术实施例提供了一种管道泄漏检测方法及系统，该系统可以通过第一光电采集子系统采集用于反映声音振动规律的第一电信号，通过第二光电采集子系统采集用于反映温度高低的第二电信号，以及通过声波采集子系统采集用于反映声音振动规律的第三电信号。由此，使得泄漏检测子系统可以根据三种类型的电信号检测管道是否泄漏，从而有效提高了管道泄漏检测的可靠性。并且，由于该第一光电采集系统和第二光电采集系统采用了管道伴行光缆，因此可以实现对管道的长距离检测，有效提高了泄漏检测的范围。又由于该声波检测子系统的检测精度较高，因此可以通过将该声波采集子系统部署在高后果区域，以确保对该高后果区域的管道泄漏的精确检测。
附图说明
56.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
57.图1是本技术实施例提供的一种管道泄漏检测系统的结构示意图；
58.图2是本技术实施例提供的一种第一光电采集子系统和第二光电采集子系统的结构示意图；
59.图3是本技术实施例提供的一种声波采集子系统的结构示意图；
60.图4是本技术实施例提供的一种泄漏子系统的结构示意图；
61.图5是本技术实施例提供的一种大尺度周期状态的相轨迹示意图；
62.图6是本技术实施例提供的一种混沌状态的相轨迹示意图；
63.图7是本技术实施例提供的一种对电信号进行检测和分析的方法流程图；
64.图8是本技术实施例提供的另一种对电信号进行检测和分析的方法流程图；
65.图9是本技术实施例提供的一种管道泄漏检测方法的流程图。
具体实施方式
66.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
67.本技术实施例提供了一种管道泄漏检测系统，如图1所示，该管道泄漏检测系统可以包括：第一光电采集子系统01、第二光电采集子系统02、声波采集子系统03以及泄漏检测子系统04。
68.该第一光电采集子系统01可以包括：第一激光器011、第一管道伴行光缆012以及第一信号处理组件013。该第一激光器011用于向该第一管道伴行光缆012发射第一激光，该第一信号处理组件013用于将该第一激光在该第一管道伴行光缆012中产生的第一散射光信号转换为第一电信号，并将该第一电信号传输至该泄漏检测子系统04，其中，该第一散射光信号由声音振动产生。
69.管道泄漏产生的声波或者环境噪声都会引起管道周围土壤的振动，该振动会使得第一管道伴行光缆012中传输的第一激光产生瑞利散射。该第一信号处理组件013可以接收到该瑞利散射光信号，并可以将该瑞利散射光信号转换为第一电信号。该第一电信号能够反映声音振动的规律。
70.该第二光电采集子系统02可以包括：第二激光器021、第二管道伴行光缆022以及第二信号处理组件023，该第二激光器021用于向该第二管道伴行光缆022发射第二激光，该第二信号处理023组件用于根据该第二激光在该第二管道伴行光缆022中产生的第二散射光信号生成第二电信号，并将该第二电信号传输至该泄漏检测子系统04，其中，该第二散射光信号由温度变化产生。
71.管道周围土壤的温度变化会引起第二管道伴行光缆022中传输的第二激光产生拉曼散射和布里渊散射。该第二信号处理023组件可以接收到该拉曼散射光信号和布里渊散射光信号中的至少一种散射光信号，并可以根据接收到的散射光信号，生成用于反映温度变化的第二电信号。由于管道泄漏会导致管道周围土壤的温度发生较大变化，因此可以根据管道周围土壤的温度变化情况来判断管道是否存在泄漏。
72.应理解的是，在本技术实施例中，该管道伴行光缆是指与管道同沟敷设的光缆，采用管道伴行光缆可以实现对管道的长距离检测。并且，该第一光电采集子系统01和第二光电采集子系统02可以部署在管道沿线的站控室中，且该第一光电采集子系统01和第二光电采集子系统02均可以采用交流电供电。该第一激光器01和第二激光器02均可以为分布式反馈(distributed feedback，dfb)激光器。
73.还应理解的是，在本技术实施例中，该第一管道伴行光缆012和第二管道伴行光缆022可以为同一根管道伴行光缆。
74.该声波采集子系统03可以包括：多个声波传感器031和第三信号处理组件032，该多个声波传感器031间隔设置在管道的外壁上，用于将采集到的声波信号传输至该第三信号处理组件032，该第三信号处理组件032用于对该声波信号进行处理，得到第三电信号，并将该第三电信号传输至该泄漏检测子系统04。
75.如前文所述，管道泄漏或者环境噪声都会引起管道周围土壤的振动，声波传感器031可以直接采集到振动产生的声波信号。由于声波传感器031的检测精度较高，因此该声波采集子系统03可以部署在高后果区域。其中，该高后果区域是指管道发生泄漏后，可能造
成严重后果的区域。
76.如图1所示，该泄漏检测子系统04可以分别与该第一信号处理组件013，第二信号处理组件023，以及第三信号处理组件032连接(可以是有线连接，也可以是无线连接)，该泄漏检测子系统04用于根据该第二电信号确定该管道周围的温度，并根据该温度检测该管道是否泄漏，以及用于根据该第一电信号和该第三电信号确定该管道周围的声音振动规律，以及根据该声音振动规律检测该管道是否泄漏。
77.在本技术实施例中，该泄漏检测子系统04可以通过管道通信管线分别与该第一信号处理组件013和第二信号处理组件023连接，并可以与该第三信号处理组件建立无线通信连接。
78.综上所述，本技术实施例提供了一种管道泄漏检测系统，该系统可以通过第一光电采集子系统采集用于反映声音振动规律的第一电信号，通过第二光电采集子系统采集用于反映温度高低的第二电信号，以及通过声波采集子系统采集用于反映声音振动规律的第三电信号。由此，使得泄漏检测子系统可以根据三种类型的电信号检测管道是否泄漏，从而有效提高了管道泄漏检测的可靠性。并且，由于该第一光电采集系统和第二光电采集系统采用了管道伴行光缆，因此可以实现对管道的长距离检测，有效提高了泄漏检测的范围。又由于该声波检测子系统的检测精度较高，因此可以通过将该声波采集子系统部署在高后果区域，以确保对该高后果区域的管道泄漏的精确检测。
79.图2是本技术实施例提供的一种第一光电采集子系统和第二光电采集子系统的结构示意图。如图2所示，该第一光电采集子系统01中的第一信号处理组件013可以包括：第一环形器013a、第一放大器013b、第一滤波器013c、第一光电探测器013d以及第一模数转换器013e。
80.该第一环形器013a分别与该第一激光器011、该第一管道伴行光缆012和该第一放大器013b连接。该第一环形器013a用于将该第一激光器011发射的第一激光传输至该第一管道伴行光缆012，以及采集该第一管道伴行光缆012中产生的第一散射光信号并传输至该第一放大器013b。
81.其中，该第一环形器013a采集到的第一散射光信号是由于该第一管道伴行光缆012中的第一激光受到声音振动的影响而产生的后向瑞利散射光信号，该后向瑞利散射光信号是指沿着与第一激光发射方向相反的方向传输的瑞利散射光信号。
82.该第一放大器013b还与该第一滤波器013c连接，用于将该第一环形器013a采集到的第一散射光信号放大后传输至该第一滤波器013c。该第一滤波器013c还与该第一光电探测器(photoelectric detector，pd)013d连接，用于将该第一放大器013b传输的放大后的第一散射光信号滤波后传输至该第一光电探测器013d。由于瑞利散射产生的散射光信号比较微弱，因此需要通过第一放大器013b将微弱的散射光信号进行放大，并通过第一滤波器013c对信号放大过程中产生的噪声进行滤除。
83.该第一光电探测器013d还与该第一模数转换器(analog to digital converter，adc)013e连接，用于将该第一滤波器013c传输的滤波后的第一散射光信号转换为模拟的第一电信号，并传输至该第一模数转换器013e。该第一模数转换器013e还与该泄漏检测子系统04连接，用于将该第一光电探测器013d传输的该模拟的第一电信号转换为数字的第一电信号并传输至该泄漏检测子系统04。
84.在本技术的实施例中，该第一放大器013b可以为掺铒光纤放大器(erbium doped fiber application amplifier，edfa)。该第一滤波器013c可以为带通滤波器(band-pass filter，bpf)。该bpf的通带范围可以根据待检测的振动信号的频率以及周围土壤环境选择。
85.可选的，如图2所示，该第一信号处理组件03还可以包括：串联在该第一激光器01和该第一环形器013a之间的第一声光调制器013f和第二放大器013g。该第一声光调制器013f，用于对该第一激光器011发射的激光进行声光调制，并将调制后的激光传输至该第二放大器013g。该第二放大器013g，用于将该第一声光调制器013f传输的激光放大后传输至该第一环形器013a。
86.可选的，如图2所示，该第二管道伴行光缆022可以包括第一光纤段022a和第二光纤段022b。该第二信号处理组件023还可以包括：分束器023a、第二声光调制器023b、电光调制器023c、第二滤波器023d、第二环形器023e、第二光电探测器023f和第二模数转换器023g。
87.其中，该分束器023a分别与该第二激光器021、该第二声光调制器023b和该电光调制器023c连接，用于将该第二激光分束后分别传输至该第二声光调制器023b和该电光调制器023c。可选地，该分束器023a可以为光耦合器(optical coupler，oc)。
88.该第二声光调制器023b与该第二环形器023e连接，用于对该分束器023a传输的分束后的一束激光进行声光调制，并将声光调制后的该束激光传输至该第二环形器023e。
89.该电光调制器023c还与该第二滤波器023d连接，用于对该分束器023a传输的分束后的另一束激光进行电光调制，并将电光调制后的该束激光传输至该第二滤波器023d。
90.该第二滤波器023d还与该第一光纤段022a的一端连接，用于对该电光调制器023c传输的激光滤波后传输至该第一光纤段022a。
91.该第二环形器023e还分别与该第二光纤段022b的一端以及该第二光电探测器023f连接，用于将该第二声光调制器023b传输的激光传输至该第二光纤段022b中，以及用于将该第二光纤段022b传输的第二散射光信号传输至该第二光电探测器023f。
92.其中，如图2所示，该第一光纤段022a和该第二光纤段022b在远端是连接在一起的，即该第一光纤段022a和该第二光纤段022b可以属于一根光纤。其中，管道的远端可以是指距离站控室较远的一端，例如，管道的远端可以距离站控室80千米。
93.该第二光电探测器023f还与该第二模数转换器023g连接，用于根据该第二环形器023e传输的光信号，生成模拟的第二电信号并传输至该第二模数转换器023g。
94.该第二模数转换器023g还与该泄漏检测子系统04连接，用于将该第二光电探测传输的模拟的第二电信号转换为数字的第二电信号，并将该数字的第二电信号传输至该泄漏检测子系统04。
95.可选的，如图2所示，该第二信号处理组件023还可以包括：第一偏振控制器(polarization control，pc)023h和第二偏振控制器023i。该两个偏振控制器可以用于避免激光在传输过程中发生偏振衰落。
96.该第一偏振控制器023h分别与该第二声光调制器023b和该第二环形器023e连接，用于对第二声光调制器023b传输的激光进行偏振处理，并将偏振处理后的激光传输至该第二环形器023e。
97.该第二偏振控制器023i分别与该分束器023a和该电光调制器023c连接，用于对该分束器023a传输的激光进行偏振处理，并将偏振处理后的激光传输至该电光调制器023c。
98.应理解的是，如图2所示，该第一信号处理组件013和第二信号处理组件023中的每个信号处理组件均可以包括一个模数转换器。或者，该两个信号处理组件还可以共用一个模数转换器。也即是，该第一光电探测器013d和该第二光电探测器023f可以与同一个模数转换器连接。由此，可以简化第一光电采集子系统和第二光电采集子系统的复杂度，节约制造成本。
99.图3是本技术实施例提供的一种声波采集子系统的结构示意图。如图3所示，该声波采集子系统03可以包括：多个声波传感器031和第三信号处理组件032。
100.该多个声波传感器031可以间隔设置在管道的外壁上，每个声波传感器031用于将采集到的声波信号传输至该第三信号处理组件032。
101.该第三信号处理组件032用于对所述声波信号进行处理，得到第三电信号，并将第三电信号传输至泄漏检测子系统04。其中，该多个声波传感器031采集到的声波信号均为模拟的电信号。
102.可选的，如图3所示，该第三信号处理组件032可以包括：第三模数转换器032a、多个第三放大器032b和多个第三滤波器032c。其中，该第三信号处理组件032包括的第三放大器032b的数量，以及包括的第三滤波器032c的数量，均与该声波传感器031的数量相同。
103.其中，每个第三滤波器032c分别与一个声波传感器031和一个第三放大器032b连接，每个第三滤波器032c用于对其所连接的声波传感器031传输的声波信号进行滤波后发送至该第三放大器032b。第三滤波器032c对采集到的声波信号进行滤波可以滤除声波信号中的环境噪音。在本技术的实施例中，每个第三滤波器032c均可以为低通滤波器(low-pass filter，lpf)，该lpf的截止频率可以为300赫兹(hz)。
104.继续参考图3，每个第三放大器032b均与该第三模数转换器032a连接，每个第三放大器032b用于对其所连接的第三滤波器032c传输的滤波后的声波信号进行放大后传输至该第三模数转换器032a。由于管道泄漏产生的声波信号比较微弱，因此需要通过第三放大器032b对滤波后的声波信号进行放大。
105.该第三模数转换器032a还与该泄漏子系统04连接，该第三模数转换器032a用于将每个第三放大器032b传输的放大后的声波信号转换为第三电信号，并将该第三电信号传输至该泄漏检测子系统。
106.可选地，如图3所示，该声波采集子系统03还可以包括：太阳能电池033和无线通信组件034。
107.该太阳能电池033分别与该多个声波传感器031，该第三信号处理组件032，以及该无线通信组件034连接，用于为该多个声波传感器031，该第三信号处理组件032，以及该无线通信组件供电034。由于该声波采集子系统03采用太阳能电池供电，使得该声波采集子系统03的部署更加灵活，并且采用太阳能供电也可以节约能源。
108.示例的，参考图3，该太阳能电池033可以包括：太阳能板033a，太阳能控制器033b，以及蓄电池033c。
109.该太阳能板033a用于将太阳能转换为电能。该太阳能控制器033b与该太阳能板033a和蓄电池033c连接，用于控制太阳能板033a为蓄电池033c充电，以及控制蓄电池033c
为该多个声波传感器031，该第三信号处理组件032，以及该无线通信组件034供电。
110.该无线通信组件034分别与该第三信号处理组件032和该泄漏子系统04连接，用于将该第三电信号传输至该泄漏子系统04。示例的，该无线通信组件034可以是第3代(3rd-generation，3g)移动通信组件，或者是4g移动通信组件，或者是5g移动通信组件。
111.可选的，如图3所示，该第三信号处理组件03还可以包括：采样保持器032d，多路开关032e。
112.该采样保持器032d分别与该多个第三放大器032b和该多路开关032e连接，该采样保持器032d用于对每个第三放大器032b传输的声波信号进行采样，并将采样得到的多路声波信号传输至该多路开关032e。
113.该多路开关032e还该模数转换器032a连接，用于将接收到的多路采样后的声波信号逐路传输至该模数转换器032a。
114.可选的，如图3所示，该第三信号处理组件032还可以包括：先进先出(first input first output，fifo)存储器032f，以及微控制单元(micro controller unit，mcu)032g，以及网络控制器032h。
115.该先进先出存储器032f分别与该模数转换器032a和该无线通信组件034连接，用于缓存模数转换器032a传输的第三电信号。
116.该微控制单元032g与该模数转换器032a连接，用于控制该模数转换器032a按照顺序对该采样保持器032d传输的声波信号进行模数转换。
117.该网络控制器032h与该无线通信组件034连接，该网络控制器032h可以用于控制无线通信组件034按照先进先出的顺序从该先进先出存储器032f中读取该第三电信号，并传输至泄漏检测子系统04。
118.图4是本技术实施例提供的一种泄漏检测子系统的结构示意图，如图4所示，该泄漏检测子系统04可以包括：通信组件041、第四信号处理组件042以及报警组件043。
119.该通信组件041分别与第四信号处理组件042和报警组件043连接，用于接收该第一电信号，该第二电信号，以及该第三电信号，并将该第一电信号，该第二电信号，以及该第三电信号传输至该第四信号处理组件042。
120.该第四信号处理组件042，用于根据该第一电信号和该第三电信号确定该管道周围的声音振动规律，根据该声音振动规律检测该管道是否泄漏，以及根据该声音振动规律检测该管道是否泄漏，以及用于根据该第二电信号确定该管道周围的温度变化情况，并根据该温度变化情况检测该管道是否泄漏。
121.该第四信号处理组件042，还用于在根据任一电信号确定该管道存在泄漏时向该报警组件043发送报警指令。
122.该报警组件043，用于响应于该报警指令，产生报警信号。其中，该报警信号可以是声音信号，或者是光信号，或者该报警信号包括声音信号和光信号。
123.由于第一光电采集子系统01传输的第一电信号和该声波采集子系统03传输的该第三电信号均能够反映管道周围声音振动的规律，因此可以采用相同的方法处理该第一电信号和该第三电信号。
124.由于管道泄漏会导致管道周围的土壤在特定的频率范围内周期性振动，因此当管道出现泄漏时，该第四信号处理组件042接收到的第一电信号和该第三电信号也是具有特
定频率范围的周期信号。而当管道未出现泄漏时，该第四信号处理组件042接收到的第一电信号和该第三电信号均是不具有特定规律的非周期信号。因此，在本技术的实施例中，该第四信号处理组件042可以采用一种对周期性信号敏感的非线性系统来检测该第一电信号和该第三电信号。
125.也即是，该第四信号处理组件042可以将接收到的第一电信号输入至该非线性系统，得到第一相轨迹。并且，可以将接收到的第三电信号输入至该非线性系统，得到第二相轨迹。该非线性系统可以采用如下非线性微分方程表示：
[0126][0127]
其中，该s(t)为该第四信号处理组件042在时刻t接收到的用于反映声音振动规律的电信号(即第一电信号或第三电信号)。第四信号处理组件042将该电信号s(t)输入上述公式(1)所示的非线性微分方程，即可求解得到对应时刻t的第一坐标x和第二坐标y。其中，该第一坐标可以为横坐标，第二坐标可以为纵坐标。通过将不同时刻t的电信号依次输入该非线性微分方程，即可计算出不同时刻的第一坐标x和第二坐标y。将获取到的不同时刻的(x，y)均绘制在相平面上即可得到相轨迹。
[0128]
若第四信号处理组件042检测到该相轨迹为周期性轨迹，即该相轨迹呈大尺度周期状态，则可以确定该管道存在泄漏。若第四信号处理组件042检测到该相轨迹不为周期性轨迹，即该相轨迹呈混沌状态，则可以确定该管道不存在泄漏。
[0129]
示例的，若第四信号处理组件042获取到的第一相轨迹或第二相轨迹为如图5所示的大尺度周期状态，则可以确定该管道存在泄漏。若第四信号处理组件042获取到的第一相轨迹或第二相轨迹为如图6所示的混沌状态，则可以确定该管道不存在泄漏。
[0130]
可选地，由于管道泄漏会导致管道周围的土壤在特定的频率范围内周期性振动，因此该第四信号处理组件042还可以检测接收到的电信号中是否存在的目标频率的分量，其中该目标频率位于该频率范围内。具体的，该第四信号处理组件042可以对该第一电信号进行尺度变换，得到该第一电信号中目标角频率的第一信号分量；将该目标角频率的第一信号分量输入至非线性系统，得到第一相轨迹；若该第一相轨迹为周期性轨迹，则确定该第一电信号中存在与该目标角频率对应的目标频率的分量。
[0131]
例如，假设待检测的目标频率为f0，则该目标频率f0用角频率可以表示为：ω0＝2πf0。第四信号处理组件042可以对该待检测的电信号s(t)在时间轴上进行变换得到之后，该第四信号处理组件042可以将变换后的电信号输入非线性微分方程，即可求解得到相轨迹。
[0132]
若该第四信号处理组件042检测到该相轨迹为周期性轨迹，即该相轨迹呈大尺度周期状态，则可以确定接收到的电信号中存在频率为f0的分量，进而可以确定该管道存在泄漏。
[0133]
为了实现对管道泄漏的可靠检测，该第四信号处理组件042可以在该频率范围内确定出多个目标频率，并依次对每个目标频率的分量进行检测。参考图7，该第四信号处理组件042对第一电信号和第三电信号中的任一电信号进行检测和分析的过程可以包括：
[0134]
步骤101、获取待检测的电信号。
[0135]
示例的，以第四信号处理组件042对第一电信号进行分析处理为例进行说明。假设该第一光电采集子系统采集电信号的采样频率为500hz，则该第四信号处理组件042在150秒的时长内接收到的第一电信号可以表示为：
[0136]
s(t)，t∈{0,0.002,0.004,...,149.998}。
[0137]
步骤102、确定待检测的目标频率。
[0138]
在本技术实施例中，假设待检测的频率范围为f0至fn,其中n为大于1的整数。则第四信号处理组件042可以在该频率范围内确定出n+1个待检测的目标频率。假设该n+1个待检测的目标频率呈等差数列，则第i个目标频率fi与第i-1个目标频率f
i-1
可以满足：fi＝f
i-1
+δf。
[0139]
可选地，该第四信号处理组件042可以从目标频率f0开始，依次对各个目标频率进行检测。
[0140]
示例的，假设f0＝10hz，fn＝100hz，δf＝1hz，则第四信号处理组件042首次确定的目标频率可以为10hz。在完成对10hz的目标频率的检测后，第四信号处理组件042可以确定下一个待检测的目标频率为11hz，以此类推，直至该第四信号处理组件042将待检测的目标频率更新为fn＝100hz。
[0141]
应理解的是，该第四信号处理组件042可以按照频率由小到大的顺序，依次确定待检测的目标频率；或者，该第四信号处理组件042也可以按照频率由大到小的顺序，依次确定待检测的目标频率；再或者，该第四信号处理组件042还可以从频率范围内随机选取待检测的目标频率，仅需确保能够遍历该频率范围内的各个目标频率即可。
[0142]
步骤103、根据该目标频率，对电信号进行尺度变换，得到电信号中目标角频率的信号分量。
[0143]
示例的，假设待检测的目标频率f0＝10hz，则该目标频率采用角频率可以表示为ω0＝20π。第四信号处理组件042可以对待检测的电信号s0(t)采用三次样条插值法进行尺度变换得到
[0144]
步骤104、将目标角频率的信号分量输入至非线性系统，得到相轨迹。
[0145]
示例的，该第四信号处理组件042可以将变换后的电信号输入至如公式(1)所示的非线性系统中，得到相轨迹。
[0146]
步骤105、根据相轨迹确定管道是否存在泄漏。
[0147]
该第四信号处理组件042若检测到该相轨迹为周期性轨迹，即该相轨迹呈大尺度周期状态，则可以确定管道存在泄漏，并执行步骤106。若第四信号处理组件042检测到该相轨迹不为周期性轨迹，即该相轨迹呈混沌状态，则可以确定该电信号中不存在频率为f0的分量，并可以执行步骤108。
[0148]
步骤106、确定泄漏位置。
[0149]
可选的，该第四信号处理组件042还可以在根据该电信号确定管道存在泄漏后，确定管道泄漏的位置。
[0150]
在本技术的实施例中，该第一光电采集子系统01通过该第一管道伴行光缆012获取管道周围土壤的振动强度，该第一管道伴行光缆012相当于若干个等间距排布的振动传感器。假设第一管道伴行光缆012的空间分辨率为d，长度为l，则该第一管道伴行光缆012即
相当于个传感器，其中，表示向下取整。第四信号处理组件042根据第一电信号确定管道存在泄漏时，可以将第一时刻检测到泄漏的振动传感器的位置确定为管道泄漏的位置。其中，振动传感器的位置可以由第一散射光信号的传播距离计算得到，定位误差为管道发生泄漏时，第一激光经过泄漏位置处的振动传感器时，受到声音振动的影响会发生瑞利散射。第四信号处理组件042可以根据该振动传感器发出的第一散射光信号到达第一光电探测器013d的时间，以及光速确定管道泄漏的位置。每个传感器发出的散射光到达第一光电探测器013d的时间不同，从而可以分辨各个振动传感器的位置。例如，第四信号处理组件042可以确定第一激光器011发射第一激光的第一时刻，以及确定第一光电探测器013d接收到第一散射光信号的第二时刻。第四信号处理组件042进而可以根据该第一时刻和第二时刻确定第一散射光信号的传输时长，并根据该时长和光速确定管道泄漏的位置。
[0151]
由于声波采集子系统03中各个声波传感器031的部署位置是确定的，因此第四信号处理组件042根据声波采集子系统03采集到的第三电信号确定管道存在泄漏时，可以将采集到泄漏导致的声波信号的声波传感器031的位置确定为管道泄漏的位置。其中，采集到时间上最早进入大尺度周期状态的声波信号的声波传感器031为最靠近泄漏点的声波传感器。假设单个声波传感器031的检测半径为r，相邻两个声波传感器031之间的距离为m，则当时，定位误差为当时，定位误差为
±
r。
[0152]
步骤107、发送报警指令。
[0153]
该第四信号处理组件042在根据电信号确定管道存在泄漏后，可以向报警组件043发送报警指令。
[0154]
步骤108、判断是否完成对频率范围内所有目标频率的检测。
[0155]
该第四信号处理组件042在上述步骤105中，若根据相轨迹确定该电信号中不存在频率为f0的分量，则可以继续检测是否完成对频率范围内所有目标频率的检测。若未完成对频率范围内所有目标频率的检测，则可以执行步骤102，即第四信号处理组件042可以确定下一个待检测的目标频率，并继续执行上述步骤103至105，若第四信号处理组件042确定已完成对频率范围内所有目标频率的检测，则可以执行步骤101，即可以继续获取下一个时段的电信号。
[0156]
在本技术实施例中，该第四信号处理组件042还可以通过第二电信号计算出管道周围的温度的变化量。由于环境温度的变化引起的管道周围土壤温度的变化速率基本一致，而管道泄漏引起的温度变化会使得泄漏位置的管道周围土壤温度的变化量与其他位置不同。因此，该第四信号处理组件042可以通过检测管道温度变化的情况确定管道是否存在泄漏。当某处管道周围温度的变化过大时，即可确定该处管道存在泄漏。
[0157]
该第四信号处理组件042通过第二电信号来计算管道周围温度的变化量，并根据该温度变化确定管道是否存在泄漏。参考图8，该第四信号处理组件042根据第二电信号确定管道是否存在泄漏的过程可以包括：
[0158]
步骤201、根据获取到的第二电信号确定管道周围的温度变化量。
[0159]
在本技术实施例中，第四信号处理组件042接收到的第二电信号后，可以根据该第
二电信号确定管道周围的温度变化量。
[0160]
管道周围的温度变化会导致光缆发生形变，该第二管道伴行光缆022中传输的激光会产生布里渊散射和拉曼散射。其中，布里渊散射光相对于第二激光器021发射的第二激光(即入射光)存在一定的频移，称为布里渊频移。第二管道伴行光缆022中各处发生布里渊频移的变化量与各处管道周围的温度成线性关系，因此第四信号处理组件042可以基于接收到的布里渊散射光的频移量来确定各处管道周围的温度变化量。
[0161]
可选地，第二光电采集子系统02可以通过频率扫描(简称扫频)的方式确定第二管道伴行光缆022中各处的布里渊频移。如图3所示，第二激光器021发出的第二激光经过分束器023a分成两束激光，一束激光经过第二声光调制器023b调制为脉冲光并传输至第一光纤段022a，另一束激光经过电光调制器023c调制为连续光并传输至第二光纤段022b，该第一光纤段022a与第二光纤段022b属于同一根光纤，也即是脉冲光和连续光分别从光纤的两端射入同一根光纤中。其中，该光纤中的脉冲光会受温度影响发生布里渊散射。脉冲光与连续光在第二伴行光缆022中相重叠时，由于受激布里渊放大作用，脉冲光与连续光之间会通过声波场发生能量转移。由于能量转移的大小与两个光波之间的频率差有关，当频率差落在布里渊频移范围内都会发生能量转移，脉冲光发生的布里渊散射会得到增强，所以通过扫描两个束激光之间的频率差和每个频率差下转移的能量大小，便可得到第二管道伴行光缆022中各处的布里渊散射光的频移量。
[0162]
假设该第二管道伴行光缆022长度为l，空间分辨率为d，则该第二管道伴行光缆022可以等价于个温度传感器，其中，表示向下取整。第四信号处理组件042以第i个温度传感器为中心，以m
×
d为半径可以获取2m+1个温度传感器采集的温度。其中，m为大于1的整数，第四信号处理组件042在t0时刻获取到的2m+1个温度可以表示为：
[0163][0164]
在t0时刻之后的t0+δt时刻获取到的2m+1个温度可以表示为：
[0165][0166]
应理解的是，上述每个时刻获取到的2m+1个温度均可以是第四信号处理组件042根据预先测量得到的初始温度，以及基于布里渊散射光的频移量确定的温度偏移量得到的。
[0167]
该第四信号处理组件042确定出的2m+1个温度传感器采集到的温度的变化量可以表示为：
[0168][0169]
步骤202、根据多个温度变化量确定温度变化量的平均值和最小值。
[0170]
该2m+1个温度传感器采集到的温度的变化量δt的平均值可以表示为：
[0171][0172]
该2m+1个温度传感器采集到的温度的变化量的最小值可以表示为：
[0173][0174]
步骤203、判断管道周围的温度是否下降，以及判断温度变化量的平均值和最小值的差值是否大于温度阈值。
[0175]
该第四信号处理组件042若确定该管道周围的温度下降，且温度变化量的平均值和最小值的差值大于温度阈值，则可以确定管道存在泄漏，并可以执行步骤204；第四信号处理组件042若确定该管道周围的温度未下降，或者该温度变化量的平均值和最小值的差值不大于温度阈值，则可以确定管道不存在泄漏，并可以继续执行步骤201，即可以继续获取下一个时间段的第二电信号。
[0176]
示例的，假设温度阈值为2，则当该第四信号处理组件042检测到t
min
《0，并且|t
min-t
mean
|》2时，可以确定该管道发生泄漏。
[0177]
步骤204、确定泄漏位置。
[0178]
该第四信号处理组件042在确定管道存在泄漏后，可以进一步确定管道泄漏的位置。t
min
对应的温度传感器的位置即为管道泄漏的位置。其中，温度传感器的位置可以由第二散射光信号的传播距离计算得到，定位误差为该第二散射光信号的传播距离可以采用光时域反射(optical time-domain reflectometer，otdr)原理确定。
[0179]
可选的，如图4所示，该泄漏检测子系统还可以包括数据管理组件044，该数据管理组件044与该第四信号处理组件042连接，用于存储历史数据和报警记录。其中，该历史数据可以包括第四信号处理组件042接收到的电信号，以及对电信号进行处理得到的处理结果(例如相轨迹)。该数据管理组件044中存储的数据可以用于进行回放分析和报警统计。
[0180]
综上所述，本技术实施例提供了一种管道泄漏检测系统，该系统可以通过第一光电采集子系统采集用于反映声音振动规律的第一电信号，通过第二光电采集子系统采集用于反映温度高低的第二电信号，以及通过声波采集子系统采集用于反映声音振动规律的第三电信号。该系统还通过泄漏检测子系统将第一电信号和第三电信号输入至非线性系统得到相轨迹，并可以根据相轨迹的状态来判断管道是否存在泄漏，提高了管道泄漏检测的准确性。
[0181]
另外，该系统还通过泄漏检测子系统根据第二电信号获取管道温度变化情况，实现对管道泄漏的检测，由此实现了通过多种方式来检测管道是否泄漏，从而有效提高了管道泄漏检测的可靠性。并且，由于该第一光电采集系统和第二光电采集系统采用了管道伴行光缆，因此可以实现对管道的长距离检测，有效提高了泄漏检测的范围。又由于该声波检测子系统的检测精度较高，因此可以通过将该声波采集子系统部署在高后果区域，以确保对该高后果区域的管道泄漏的精确检测。
[0182]
本技术实施例提供了一种管道泄漏检测方法，该方法可以应用于上述实施例提供的管道泄漏检测系统中的泄漏检测子系统04。例如，可以应用于如图4所示的泄漏检测子系统04中的第四信号处理组件042。如图9所示，该管道泄漏检测方法可以包括：
[0183]
步骤301、接收第一光电采集子系统发送的第一电信号，该第一电信号是由第一管道伴行光缆中产生的第一散射光信号转换得到的，且该第一散射光信号由声音振动产生。
[0184]
步骤302、接收第二光电采集子系统发送的第二电信号，该第二电信号是根据第二管道伴行光缆中产生的第二散射光信号生成的，且该第二散射光信号由温度变化产生。
[0185]
步骤303、接收声波采集子系统发送的第三电信号，该第三电信号是对声波传感器采集到的声波信号进行处理得到的。
[0186]
步骤304、根据该第一电信号和该第三电信号确定该管道周围的声音振动规律，并根据该声音振动规律检测该管道是否泄漏。
[0187]
步骤305、根据该第二电信号确定该管道周围的温度变化情况，并根据该温度变化情况检测该管道是否泄漏。
[0188]
步骤306、若确定管道存在泄漏，则确定泄漏位置并发送报警指令。
[0189]
应理解的是，上述步骤301至步骤306的实现过程可以参考前述系统实施例中关于第四信号处理组件042的相关描述，此处不再赘述。
[0190]
还应理解是，本技术实施例提供的管道泄漏检测方法的步骤的执行顺序可以根据情况调整，例如步骤301、步骤302和步骤303的先后顺序可以调换，以及步骤305也可以在步骤304之前。
[0191]
综上所述，本技术实施例提供了一种管道泄漏检测方法，泄漏检测子系统可以根据第一电信号和第三电信号确定管道周围的声音振动规律，并根据该声音振动规律检测管道是否存在泄漏。泄漏检测子系统还可以根据第二电信号获取管道温度变化情况，实现对管道泄漏的检测，由此实现了通过多种方式来检测管道是否泄漏，从而有效提高了管道泄漏检测的可靠性。
[0192]
在本技术中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
[0193]
以上所述仅为本技术的示例性实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。