一种分布式光纤燃气管道安全监控方法及系统与流程

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于光纤传感技术的安全监控技术。

背景技术：

随着城市燃气事业的发展，城市燃气管道也在不断的增加，城市燃气管道是城市建设的重要基础设施之一，城市燃气管网设施的发展已成为城市现代化的重要标志。中国上海是中国国内最早进行管道燃气供应的城市之一，目前天然气已成为能源基础设施的重要组成部分。如果将天然气能源比作城市经济发展的血液，那天然气管道就是绿色能源流淌的血脉，是保障天然气安全供应的生命线，作为城市绿色血脉的守护者，中国上海天然气管网肩负着保障上海城市经济运行、市民安居乐业的社会责任。

因此，确保城市燃气管网安全运行已成为发展燃气事业的重点。城市燃气管道的安全运行是一个庞大而复杂的系统工程，因城市燃气管道具有开放性(铺设在城市的大街小巷)、隐蔽性(埋设地下)、危险性(燃气泄漏后极易造成事故)和长期性(使用时间长)的特点。对城市燃气管道安全运行的管理，除了常规法律的、行政的、经济的等多种方法和手段，也需要引入技术的安全防范手段，来确保城市燃气管道安全运行。如何及时发现并精确定位破坏行为，及时报警，预防城市管网的破坏是城市燃气公司迫切需要解决的问题。

由于管道埋于地下、分支多、交叉多、密度大、距离长，破坏行为发生的时间和地点具有随机性，如何及时发现对管道有威胁的破坏行为是困扰这个行业多年的难题。随着光纤传感技术近几年的飞速发展，具有分布式传感能力、灵敏度高、远距离无源监测、抗电磁干扰能力强、施工维护简单的光纤分布式长距离定位监测技术，提供了一种公认的比较理想的解决方案，也是目前一致公认的城市燃气管道安全监控的研究发展方向。

技术实现要素：

针对现有城市燃气管道安全监控方面所存在的问题，需要一种高精度，高可靠性的城市燃气管道安全监控技术。

由此，本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式光纤燃气管道安全监控方法及系统，能够实时监测危害管道安全行为的发生，并精确定位危害行为发生的位置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的分布式光纤燃气管道安全监控方法，该监控方法以与燃气管道同沟铺设的光纤作为安全监测的感应体以及传送信息的通道，以对可能威胁燃气管道输运安全的机械行为进行监控。

作为安全监控方法的优选方案，光纤为单芯连续光纤。

作为安全监控方法的优选方案，安全监控方法中由光纤感应振动使得光纤内光信号的相位变化，且将该光信号的相位变化信息转变成可以检测的光强信号，再进行相位还原，实现振动信号的检测。

作为安全监控方法的优选方案，安全监控方法中针对同一振动形成对应不同光路位置的两路干涉光信号，通过对两信号的频谱特性的比较，过滤不构成威胁的振动信号；通过对两路信号的光程比对，定位威胁行为的发生位置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的分布式光纤燃气管道安全监控系统，包括：

光纤干涉光路，所述光纤干涉光路相对于对于燃气管道布置，实时检测燃气管道周围的振动信号，并形成对应的光信号；

光信号采集处理模块，所述光信号采集处理模块对光纤干涉光路输出的光信号进行处理形成对应的数字信号；

分析定位模块，所述分析定位模块对光信号采集处理模块提供的数字信号进行分析，过滤不构成威胁的振动信号，定位威胁振动行为现对于燃气管道的发生位置。

优选的，所述光纤干涉光路以与燃气管道同沟铺设的光纤作为安全监测的感应体以及传送信息的通道，利用光纤感应振动使得光纤内光信号的相位变化，且将该光信号的相位变化信息转变成可以检测的光强信号。

优选的，所述光纤干涉光路针对同一振动形成对应不同光路位置的两路干涉光信号。

优选的，所述光纤干涉光路包括：

光源、所述光源为白光光源；

光纤干涉模块，所述光纤干涉模块连接入光源，并与光纤的顶端和光信号采集处理模块连通；

光纤，所述光纤为一芯连续光纤，其与燃气管道同沟铺设，用于振动信号采集以及传送信息；

反射模块，所述反射模块与光纤的尾端连接。

优选的，所述光纤干涉模块由光纤延迟器X×Y耦合器、L×M耦合器和构成，X、Y为整数，L、M为整数，光纤延迟器的延迟为τ。

优选的，所述光源包括：

激光器；

热敏电阻，所述热敏电阻探测激光器温度；

制冷器，所述制冷器对激光器进行温度调整；

恒流源，所述恒流源对激光器和制冷器进行恒流驱动；

中央处理器，所述中央处理器控制激光器的驱动电流和制冷器的驱动电流，并根据温度检测和电流检测得到的数据来对激光器驱动电流和制冷器驱动电流进行矫正。

本发明提供的燃气管道安全监控方案，利用与燃气管道同沟铺设的光纤(单芯连续光纤)，构建无源的长距离连续传感单元，实现对燃气管道周边可能对管道安全构成威胁的行为进行实时监控和预警。

再者，本发明提供的燃气管道安全监控方案，在沿管道布设的全部为无源光纤，无需供电，可靠性高，抗干扰性好，易于实现，对正常的管道输运完全无影响。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中安全监控系统的布设示例图；

图2为本发明实例中光纤干涉光路的构成示意图；

图3为本发明实例中光纤的布设示意图；

图4为本发明实例中安全监控系统监控信号的处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明提供的燃气管道安全监控方案以光纤(具体为单芯连续光纤)作为传感和信号传输的双重介质，针对待监控的燃气管道，以通信光纤作为感应体，将其与将燃气管道同沟布设，用于管道运营进行监测。通过该同沟布设的通信光纤(具体为单芯连续光纤)感应通过土层、地面、河道水体等介质传递的机械施工、挖掘等行为，再通过解调设备还原信号，获取地层、水体结构传递的振动信息，以探测管道周边施工、机械挖掘、爆破等第三方破坏行为带来的机械冲击量可能对管道造成的破坏，对可能威胁燃气管道输运安全的机械行为进行警报。

据此，以下通过一具体实施例来具体说明本方案的实现过程。

本实例采用分布式光纤燃气管道安全监控方案，针对城市燃气管道具有破坏性，危害管道输运安全的工程施工行为，进行检测和预警。

该方案以与燃气管道同沟铺设的一芯(单芯)连续光纤为传感元来对管道周边的环境异动进行实时探测，该连续的单芯光纤上每一点都具有感应能力，实现一种分布式传感技术。

在此基础上，本方案进一步构建由一芯(单芯)连续光纤构成的光纤干涉光路，以及信号探测及分析技术，由此实现实时监测危害管道安全行为的发生，并定位危害行为发生的位置。

这样当管道附近有工程机械在施工或钻孔时，通过土层或其它介质传递的振动信号会被传感光纤感知，针对光纤感知到的信号，进行判别分析，在振动发生的时候及时报警，并且准确定位。据此，本光纤监控技术能完成空间分布中不同位置、不确定时间(随机)发生的环境振动特性监测，为振动信号分析提供包含空间位置信息在内的复合振动数据。

参见图1，其所示为本实例用于进行燃气管道安全监控的分布式光纤燃气管道安全监控系统。

由图可知，该分布式光纤燃气管道安全监控系统100主要包括三部分：光纤干涉光路110、光信号采集处理模块120以及分析定位模块130。

本安全监控系统100中的光纤干涉光路110相对于对于燃气管道布置，实时检测燃气管道周围的振动信号，并形成对应的光信号。

该光纤干涉光路110采用白光干涉测定法来实现对燃气管道周围的振动信号来进行高精度的监测和高精度的定位。其具体采用了基于弹光效应和干涉技术构成的分布式光纤传感技术，由光纤感应振动使得光纤内光信号的相位变化，且将该光信号的相位变化信息转变成可以检测的光强信号，从而实现将变化的微压力信号引起的光相位信息变化提取出，便于后续分析处理。

另外，该光纤干涉光路110为一套复用的光纤干涉结构，这样针对同一振动将形成对应不同光路位置的两路干涉光信号，后续通过这两路干涉光信号将能够过滤不构成威胁的振动信号，以及精确定位威胁行为的发生位置。

参见图2，在具体实现时，光纤干涉光路110主要光源111，光纤干涉模块112，光纤113以及反射模块114配合构成。

光源111优选白光光源，用于产生光纤干涉光路中相应的光信号。

本实例中的光源111采用由激光器、热敏电阻、制冷器、恒流源以及中央处理器配合构成的高稳定性光源。

其中，激光器为发光源，热敏电阻探测激光器温度，制冷器对激光器进行温度调整，恒流源用于对激光器和制冷器进行恒流驱动，中央处理器控制激光器的驱动电流和制冷器的驱动电流，并根据温度检测和电流检测得到的数据来对激光器驱动电流和制冷器驱动电流进行矫正，由此获得高稳定功率和波长的光源。

光纤干涉模块112，其连接入光源111，并与光纤113的顶端和光信号采集处理模块120连通，用于对光纤113内反射的光形成干涉，将光纤113内因外界传递的振动而产生的光的相位变化信息转变成可以检测的光强信号。

该光纤干涉模块112是由光器件构成的前端无源干涉模块，由光纤延迟器X×Y耦合器、L×M耦合器和构成，其中X、Y为整数，L、M为整数，光纤延迟器的延迟为τ。

本实例中光纤干涉模块112优选由3×3均分耦合器，2×2耦合器组成；a1、a2、…、aX、b1、b2为3×3均分耦合器的端口，a1、a2、…、aX是同向端口，共X个，b1、b2是3×3均分耦合器的另一组同向端口共Y个中的两个端口；c1、c2、c3是L×M耦合器的端口。

由此构成的光纤干涉模块112将形成两路光路(以箭头所指方向表示光经过的路径)

Ⅰ：端口b1→光纤延迟模块→端口c1→端口c3→传感/传输光缆→反射模块→传感/传输光缆→端口c3→端口c2→端口b2；

Ⅱ：端口b2→端口c2→端口c3→传感/传输光缆→反射模块→传感/传输光缆→端口c1→端口c1→光纤延迟模块→端口b1。

光纤113作为安全监测的感应体以及传送信息的通道，用于传感和传输。

参见图3，该光纤113优选一芯(单芯)连续光纤，其与燃气管道同沟铺设，作为无源感应器，感应通过土层、地面、河道水体等介质传递的振动信息，传递的振动信息将改变光缆中传输的光的相位、偏振、光强或频率等信息，这样当光纤任一位置置感应到介质传递的振动信号时，由于光弹效应，光纤会产生微变，振动点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制。

另外，根据需要可对光纤113套管后在进行铺设。

反射模块114，其与光纤的尾端连接，用于将光纤内传输的光信号返回至光纤干涉模块112。

本安全监控系统100中的光信号采集处理模块120，用于对光纤干涉光路110输出的光信号进行采集并处理形成对应的数字信号。

该光信号采集处理模块120主要由光探测器121、放大处理模块122以及数字信号采集模块123配合构成。

这里的光探测器121，其输入端与光纤干涉光路110中的光纤干涉模块112的输出端连接，探测光纤干涉光路110输出的两路干涉光信号，并将其转换成对应的两路模拟信号，传输至放大处理模块122。

放大处理模块122对光探测器121传输的两路模拟信号进行统一放大处理，并将放大处理的两路模拟信号传输至数字信号采集模块123。

数字信号采集模块123将放大处理模块122传输的放大的两路模拟信号转换成便于后续处理的两路数字信号，并传至分析定位模块130。

本安全监控系统100中的分析定位模块130与光信号采集处理模块120数据连接，用于对光信号采集处理模块120提供的两路数字信号进行分析，过滤不构成威胁的振动信号，定位威胁振动行为现对于燃气管道的发生位置。

该分析定位模块130主要包括相位还原模块131和定位模块132。

其中相位还原模块131与光信号采集处理模块120中的数字信号采集模块123数据连接，获取光信号采集处理模块120传输的两路数字信号，并对这两路数字信号进行相位还原处理，并处理好的信号传至定位模块132。

定位模块132对相位还原模块131传输的信号进行定位运算，确定该振动信号是否构成威胁，以及定位威胁振动行为现对于燃气管道的发生位置。

该定位模块132通过比较两信号的频谱特性，消去振动信息对位置信息的干扰，可获得准确的振动位置信息。通过两信号频谱幅值比值的平均值获得位置信息，消除了检测信号不稳定所造成的差异性，可大大提高定位的精确性。

基于方案构成的分布式光纤燃气管道安全监控系统100，其在应用运行时，沿燃气管道布设传感和传输合二为一的光纤，在光纤的末端设置反射模块，在输气站场内设置光纤干涉模块，再与光源、光纤的顶端、光信号采集处理模块120连接；而分析定位模块130与光信号采集处理模块120数据连接，并运行在相应的客户端中，用于对燃气管道实施安全监控。

这样激光光源从光纤干涉模块中输入一路光，这路光沿传感传输的光缆行至尾端反射模块后，反射模块再将光信号返回至干涉模块。当光缆上的任一位置感应到介质传递的振动信号时，由于光弹效应，光纤会产生微变，振动点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制，光纤干涉光路110将相位的变化转换为光强的变化，且返回的光在干涉模块处发生干涉，再返回给光信号采集处理模块120两路干涉光信号，通过光信号采集处理模块120的数据采集，由分析定位模块130对相干的两路光进行分析比对，从而将环境干扰因数带来的振动信号滤除，将可能存在威胁的行为信号进行警报，并通过两路信号的光程比对，定位威胁行为的发生位置(如图4所示)。

对于本实例提供的安全监控系统100方案，在实际应用时，可采用如下的具体技术，以保证安全监控系统的实施性能。

1、白光干涉测定技术。

白光干涉测定技术，采用了基于弹光效应和干涉技术构成的分布式光纤传感技术。基于该白光干涉测定技术，本实例通过构建一套复用的白光光纤干涉系统(即白光光纤干涉光路)，得到同一振动对应不同光路位置的两路干涉信号，后续比较两信号的频谱特性，消去振动信息对位置信息的干扰，由此获得准确的振动位置信息。通过两信号频谱幅值比值的平均值获得位置信息，消除了检测信号不稳定所造成的差异性，可大大提高定位的精确性。

这里的白光光纤干涉光路为整个安全监控方案监控性能优越的关键，其具体通过将光纤内因振动产生的光的相位变化信息转变成可以检测的光强信号，便于后续的采集和分析。该白光光纤干涉光路主要由光纤干涉模块，待寻光纤(光纤)以及反射器件共同构成，并借助待寻光纤内光纤自身的后向散射、反射特性或是在光纤另一端人为连接的反射器件实现完整的干涉光路。

2、高稳态光信号的提取技术。

由于光纤自身易受外界环境温度影响，光纤的长度、偏振状态等都会受到环境温度改变的影响。如果温度的敏感性时刻改变着光纤的性能参数，那么信号分析处理的根本基础就出现了不稳定性，而这也是决定技术是否稳定可靠的关键所在。严重时甚至出现偏振衰落，光路瘫痪。

为此，本实例中采用解调的信号拾取的干涉方法，利用光纤的光弹效应对光的相位进行调制，而非光强的调制，使用干涉光路来解调光纤感应到的信号，采用白光干涉技术消除光纤对温度、偏振的敏感性，保证干涉光路的稳定性。

据此，进一步采用以下几种技术消除温度、偏振的敏感性，获得稳定光信号。

2.1)单芯无环回光纤感应技术。

本实例中采用连续的一芯光纤作为振动信号采集的传感元，并据此构造白光干涉结构解调感应信号，并对事件进行事件辨识与位置的分析、定位。

构造的白光干涉结构将光的相位变化信息转变成可以检测的光强信号，这样沿着管道布设的光纤采集到经过土壤等介质传递的振动信号，进行相位还原，并通过相位还原技术，最终实现信号的检测。

2.2)构建白光干涉光路。

通过白光干涉光路将单芯光纤采集到的信号转换成能够被电路处理的信号具有如下的优点：

A、通过白光干涉光路的构建获得：

a、极小的噪声。光纤光路中，由于瑞利散射，会产生许多散射光，传统的采用窄光源的干涉技术中，由于光源的时间相干性好，相隔很远距离的点产生的散射光都可能发生干涉，造成系统内背景噪声很大。而白光光源光谱宽，时间相干性小，可降低由于光纤瑞利散射等带来的系统噪声。很大程度改善噪声的影响，获得良好的信噪比，为获得良好的分析信号，保证系统稳定性提供基础。

b、温度低敏感度。由于白光干涉光路的相互干涉的光路平衡性很好系统，其一致性明显优于窄带光源干涉光路，因此光纤受外界环境温度变化的影响小。由于两个干涉光路保持了相干光路变化的一致性，因此干涉光路的工作点不受温度影响，系统灵敏度高稳定性好。

B、通过白光干涉光路使得系统输出两路干涉信号，有效降低了光路系统受噪声的影响，同时保证了系统的高灵敏度。

C、待寻光纤(光纤)的光经后向散射(或反射)后返回光纤干涉模块，该技术采用单芯结构，使得系统的结构灵敏度不受监控距离影响。由于反射作用，光信号来回两次经过同一感应光纤，成倍增加了信号拾取的灵敏度，也保证了各传感点的敏感性的一致。

D、针对待寻光纤的特性参数，对全光纤干涉模块进行分析和设计。

E、采用偏振控制技术，减小偏振对系统的影响。

3、高敏性的光信号探测。

由于土壤、光纤外包覆层对振动信号的减弱，使得直接或间接作用于光纤的振动，获得的光强变化很微弱，需要有极高的灵敏度，高的放大倍数以及低的工作噪声，同时，要求有高稳定的光载体。为此，本实例采用如下的技术。

1)设计高稳定性光源；

采用内部集成热敏电阻和电致制冷器的光源模块，采用恒流源对光源进行驱动，同时，通过对制冷器的控制，来达到温度稳定的目的，从而获得高稳定功率和波长的光源，且达到APC(自动功率控制)，ATC(自动温度控制)。

具体以中央处理器作为控制激光器的发光功率和制冷器的核心，控制激光器的驱动电流和制冷器的驱动电流，从而根据温度探测和电流检测得到的数据来对激光器驱动电流和制冷器驱动电流进行矫正，然后进行解析、分析达到ATC和APC的目的。

2)光电转换和信号处理；

两路干涉的光信号，保证放大倍数的一致性，优选用失真度小、放大倍数准、共模抑制比高的仪器放大器；同时对光电转换及放大部分的噪声、带宽和放大倍数等几个参数进行理论计算。对光电转换电路系统(即光信号采集处理模块)的噪声进行分析，消除光电二极管的结电容、原件的杂散电容及电路的主要噪声源的干扰。

4、噪声的隔离。

与待寻光纤相连接的光路在外界噪声声压的作用下同样会引起干涉光强的变化，光纤寻踪过程中难免会遇到嘈杂的环境。首先在保证信号获取效果的前提下，通过光路参数的设计，减小这部分光路的噪声拾取能力；其次，采用特殊的材料及结构设计，进一步提升噪声隔离能力。

5、模式识别分析。

模式空间：所有待识别对象的全体；

特征参数：将环境模式通过特征抽取形成特征矢量，即现实模式的参数化过程；

检测距离：衡量两个特征参数距离远近的尺度；

模式训练：将同类模式进行统一描述的参数化过程。

对提取到的振动信号的分析、模式识别是系统从软件部分分析的关键，系统后端通过对模式空间、特征参数、检测距离、模式训练等方法，完成模式识别的全过程。从而准确的判断并分离出有效报警信号，隔离干扰信号，减少系统的误、漏报。尽可能多地采集待识别事件；提取合适的特征参数，将模式空间转变为高位空间中的点集；通过模式训练求取将同类点集的空间分布特性；通过特征参数提取未知类别的事件在空间中的点；利用检测距离和模式训练得到每类空间分布，选取可能的或距离最小的那一类作为该事件的所属。

6、光纤传感器的布设。

通过最合适的方式将光纤沿燃气管道进行预埋，从而敏感管道周边区域的振动，避免探测敏感度分布不均，出现盲区。光纤套管后，声腔效应对振动的放大效应，因此对于不同介质的传导特性，光纤采取直埋或套管埋设对信号传递的敏感作用，针对不同土质采取最优化的铺设方式，减少振动传递，增大信号传递的能量敏感度。由于光纤本身不易受电磁干扰，对于城市燃气管道多样性的布设环境，创造了优良的应用基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。