基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法与流程

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法。

背景技术：

清管是管道投产前或运行中的一项重要且必不可少的工作，作用包括：提高生产效率，减少内部腐蚀，保障安全生产，延长管道寿命等。然而，清管是一项高风险作业，因为一旦清管器卡在某个位置且不能及时定位，则会影响油气的正常输送甚至危及管道安全，因此，清管器的跟踪定位是清管作业中一项极为重要的内容。传统的清管器追踪方法有放射性同位素法、机械法、声波法、压力法和磁场法等。

基于光纤传感原理的清管器跟踪定位方法，利用管道同沟敷设的通信光缆作为传感器，采集清管器在管道中移动时与管壁发生摩擦、碰撞产生的振动，获得清管器的实时位置。其设备安装简单，可以大幅降低清管跟踪作业成本和人工劳动强度，并可以对清管器位置进行全过程实时在线跟踪，且不依赖除光纤以外的任何条件，是未来清管器跟踪定位技术的重要发展方向。

现有专利中将脉冲光注入管道同沟敷设的光缆中，通过检测瑞利散射信号，查找瑞利信号变化最大的点，来确定清管器位置。但是未考虑管线沿线的其他振动源干扰。

也有论文通过计算上下包络差值曲线提高信噪比，突出清管器运行轨迹。但是未提供具体的定位算法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法，包括以下步骤：

将通信光缆作为传感光缆与油气管道同沟敷设；

在整条光纤链路上，按照距离将光纤划分为多个相等长度的小段，每个小段作为一个监测单元；

每一时刻读取各个监测单元的原始信号；

将每秒原始信号矩阵划分为d个时间片段，每个时间片段的行数相同，对每个时间片段求每列的最大值，得到d×n的矩阵；

将各个时刻得到的数据矩阵进行拼接，得到一段时间内的全段振动信号矩阵，根据该全段振动信号矩阵绘制光纤振动数据图像；

将全段振动信号矩阵进行二值化，得到二值化矩阵；

对二值化矩阵进行霍夫变换，找到区域中存在的直线线段，筛选出斜率小于-k的直线线段和斜率大于k的直线线段，并分别a组和b组；

对于a组中的每条直线线段，查找其与b组中的各条直线线段是否存在交点，若与b组的其中一条直线线段存在交点，则该交点为清管器引起的振动源，读取该交点的横轴坐标和纵轴坐标，其中横轴坐标表示清管器所在位置，纵轴坐标表示清管器行进到此位置的具体时刻，若与b组中的多条直线线段存在交点，则取纵轴坐标位于最上边的交点，该交点对应最新的时刻。

接上述技术方案，该方法还包括步骤：

根据清管器的行进状态对其到达指定位置的时间进行预判。

接上述技术方案，该方法还包括步骤：

对每秒原始信号矩阵的每一列进行差分运算，再取绝对值，当外界振动作用于传感光缆时，探测信号的波动范围增大，通过差分运算，得到信号波动范围变化的程度。

接上述技术方案，该方法还包括步骤：

根据清管器所在位置和清管器行进到此位置的具体时刻，计算清管器行进的速度。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法。

本发明产生的有益效果是：本发明利用管道同沟敷设的通信光缆作为传感器，不依赖除光纤以外任何条件，采集清管器在管道中移动时与管壁发生摩擦、碰撞产生的振动，获得清管器的实时位置。本发明可以大幅降低清管跟踪作业成本和人工劳动强度，并可以对清管器位置进行全过程实时在线跟踪。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法的流程图；

图2是本发明第二实施例的全段数据处理流程图；

图3是本发明第二实施例的清管器定位流程图；

图4是本发明第二实施例的清管作业过程中的光纤振动数据图像；

图5是本发明第二实施例的振动数据二值化图像；

图6是本发明第二实施例的线段提取结果图；

图7是本发明第二实施例的组a中的线段；

图8是本发明第二实施例的组b中的线段；

图9是本发明第二实施例的清管器定位结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

s1、将通信光缆作为传感光缆与油气管道同沟敷设；

s2、在整条光纤链路上，按照距离将光纤划分为多个相等长度的小段，每个小段作为一个监测单元；

s3、每一时刻读取各个监测单元的原始信号；

s4、将每秒原始信号矩阵划分为d个时间片段，每个时间片段的行数相同，对每个时间片段求每列的最大值，得到d×n的矩阵；

s5、将各个时刻得到的数据矩阵进行拼接，得到一段时间内的全段振动信号矩阵，根据该全段振动信号矩阵绘制光纤振动数据图像；

s6、将全段振动信号矩阵进行二值化，得到二值化矩阵；

s7、对二值化矩阵进行霍夫变换，找到区域中存在的直线线段，筛选出斜率小于-k的直线线段和斜率大于k的直线线段，并分别a组和b组；

s8、对于a组中的每条直线线段，查找其与b组中的各条直线线段是否存在交点，若与b组的其中一条直线线段存在交点，则该交点为清管器引起的振动源，读取该交点的横轴坐标和纵轴坐标，其中横轴坐标表示清管器所在位置，纵轴坐标表示清管器行进到此位置的具体时刻，若与b组中的多条直线线段存在交点，则取纵轴坐标位于最上边的交点，该交点对应最新的时刻。

进一步地，根据清管器的行进状态对其到达指定位置的时间进行预判。

进一步地，还可对每秒原始信号矩阵的每一列进行差分运算，即d(an)＝an+1-an，再取绝对值，其中，an+1指第n+1个采样值，an指第n个采样值，d()为得到的新数列。当外界振动作用于传感光缆时，探测信号的波动范围增大，通过差分运算，得到信号波动范围变化的程度。

进一步地，还可根据清管器所在位置和清管器行进到此位置的具体时刻，计算清管器行进的速度。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法。

本发明另一实施例基于分布式光纤传感的清管器跟踪定位方法，如图2所示，包括以下步骤：

1)每一时刻，读取各个监测单元的原始信号。

利用与油气管道同沟敷设的通信光缆其中空余的一芯作为传感光缆，在整条光纤链路上，按照距离，将光纤划分为多个相等长度的小段，每个小段称为1个监测单元(实现分布式)。记采样率为f，监测单元数量为n，则得到f×n的矩阵。

2)对每秒原始信号矩阵的每一列(即每个监测单元的时域数据)，进行差分运算，即每个数据点的后一点与其相减，d(an)＝an+1-an，再取绝对值，当外界振动作用于传感光缆时，探测信号的波动范围会增大，通过差分运算，可以描述信号波动范围变化的程度。

3)对上一步的矩阵按行进行d等分(每一部分的行数相同，可以部分重合)，对每一部分，求每列的最大值，得到d×n的矩阵。即：将每一时刻的数据划分为d个时间片段，取每个片段的最大值，用以进一步增强探测到的振动信号。

4)将各个时刻得到的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，用于绘制成光纤振动数据图像。

如图3所示，清管器定位包括以下步骤：

1)对一段时间内的全段振动信号矩阵，进行二值化，得到01矩阵。

2)对01矩阵进行霍夫变换，找到区域中存在的直线线段。筛选出斜率小于-k的直线线段(存入组a)和斜率大于k的直线线段(存入组b)。(该斜率由声波在金属管壁介质中的传播速度确定)

3)对于组a中的每条直线线段，查找其与组b中的各条直线线段是否存在交点，若与组b的其中一条直线线段存在交点，则这个交点即为清管器引起的振动源，读取这个交点的横轴坐标(清管器所在位置)和纵轴坐标(据此可以得到清管器行进到这个位置的具体时刻)。若与组b中的多条直线线段存在交点，则取纵轴坐标位于最上边的交点(对应最新的时刻)。

4)通过定位清管器在多个时刻的位置，可以对清管器的行进状态进行全过程的实时跟踪，并可以根据清管器的行进状态对其到达指定位置的时间进行预判。

清管器的外沿与管道内壁弹性密封，用管输介质产生的压差为动力，推动清管器沿管道运行。依靠清管器自身或其所带机具所具有的刮削、冲刷作用来清除管道内的结垢或沉积物。清管器在经过管道焊接缝隙时，与管道焊接缝隙撞击会产生较为强烈的振动波，并且振动波会沿着金属管壁向前后两个方向传播。因此，每一次清管器与管道焊接缝隙的撞击，在一段区域振动波形所绘制的瀑布图上(瀑布图横轴为探测距离，纵轴为时间)，会呈现出一个类似“字母v”的形状(见图4)。“字母v”的底端所在位置，即指示了这次撞击的振动源的位置，根据纵轴对应的时间点，即可得到这次撞击发生的时刻。通过提取每次清管器与管道焊接缝隙撞击发生的时刻和位置，即可推算清管器在管道中行进的速度和状态。

清管作业过程中，分布式光纤振动传感系统接收到的数据，经过差分运算取绝对值，再每秒划分为多个时间片段(可根据实际调整，建议值为2-20个时间片段)取最大值，本发明实施例取5个时间片段，得到图像如图4所示，图像上部为较新时刻的数据。

当清管器经过一处管道焊缝产生撞击振动时，光纤振动数据图像中对应的，会出现一个v字形，v字形的底部即振动源位置。

采用最大类间方差法(大津法，otsu)，对振动数据矩阵进行二值化，二值化后如图5所示。

对二值化后的数据矩阵进行霍夫变换，找到区域中存在的直线线段，如图6所示。筛选出斜率小于-10的直线线段(存入组a)和斜率大于10的直线线段(存入组b)，所得结果如图7、图8所示。

对于组a中的每条直线线段，查找其与组b中的各条直线线段是否存在交点，若与组b的其中一条直线线段存在交点，则这个交点即为清管器引起的振动源，读取这个交点的横轴坐标(清管器所在位置)和纵轴坐标(据此可以得到清管器行进到这个位置的具体时刻)。若与组b中的多条直线线段存在交点，则取纵轴坐标在最上边的交点(对应最新的时刻)。清管器定位结果如下，每个圆圈代表一次定位结果(如图9所示)：

得到清管器在这个时间段内的行进状态信息：

因此可以估算得到，此时清管器的行进速度约为3m/s。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。