基于高频参量融合的PCCP管道断丝监测系统和方法与流程

本发明涉及分布式光纤pccp管道断丝监测系统领域，特别涉及一种基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统和方法。

背景技术：

1、预应力钢筒混凝土管(pre-stressed concrete cylinderpipe，pccp)是一种复合型管道，其制造过程是将带有钢筒的高强度混凝土管芯浇筑养护完成后，在其管芯上环向缠绕高强度预应力钢丝，再喷涂水泥砂浆保护。从上世纪40年代起，大口径、长距离的pccp管道开始在高压输水工程中大量使用。国内的pccp应用始于上世纪90年代，近几年国内城市化进程加快和pccp生产企业增多，使得pccp已经在水利、电力、市政给排水等多个领域广泛应用。

2、pccp管道在实际应用过程中，由多个管道前后连接使用，每根管道的长度在4-5米左右，由于受到周边环境中各种因素的影响，易出现管道腐蚀、断丝的现象，如果pccp管道的同一部位出现多股断丝，管道强度将显著降低，并最终导致爆管。由于管道内部钢丝自身存在的应力和握裹力的存在，管道内部断丝发生的瞬间，会产生瞬态弹性信号，频率主要集中在10khz-15khz的较高频段，断丝信号的持续时间只有几十毫秒，所以，为了实现对pccp管道断丝信号的实时在线监测，需要监测系统具备较高的空间定位精度，监测系统的监测带宽应该大于15khz，另外，监测系统应该具备瞬时信号的捕捉和分析能力，以精准的对pccp断丝信号进行定位，辅助管道维护人员对管道运行状态进行精确的判断。

3、目前，相敏光时域反射仪(phase-sensitive optical time domainreflectometer，φ-otdr)被越来越多的应用在管道断丝监测领域，其原理是基于光纤中的瑞利散射信号对振动、声波的敏感性对断丝信号进行测量，系统中的窄线宽激光器发出连续相干探测光，经过声光调制器3调制成脉冲光，然后再经过脉冲光放大后注入至振动光缆中。探测脉冲光在光缆中传输过程中产生后向的瑞利散射信号，通过对瑞利散射信号进行采集、解调、分析后，可以对光纤中的微弱信号和声波信号进行监测和定位。但是，相敏光时域反射仪存在监测距离和监测带宽相互影响的关系，在满足长距离监测的时候，系统的监测带宽会随之降低，使得相敏光时域反射仪在长距离监测场景中测量带宽很难达到15khz，导致该系统对断丝信号的捕捉能力较弱。

4、综上，现有的分布式光纤传感方法应用在pccp管道断丝监测领域时存在监测带宽受限的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的为提供一种基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统和方法，旨在解决现有的分布式光纤传感方法应用在pccp管道断丝监测领域时存在监测带宽受限的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统，包括：

3、φ-otdr系统，包括顺序连接的窄线宽激光器、第一光纤分束器、声光调制器、光纤环形器和光纤波分复用器，光纤环形器与光纤波分复用器之间接入有拉曼泵浦激光器，光纤环形器还出有光学滤波器、光纤合束器、第一光电探测器，其中，光纤波分复用器的输出端用于连接外部的第一传感光纤，第一光纤分束器与光纤合束器之间还连接有参考光路；

4、迈克尔逊干涉仪系统，包括第二光纤分束器和第二光电探测器，第二光纤分束器的第一输入端口连接到第一光纤分束器，第二光纤分束器的第一输出端口输出连接参考光纤，参考光纤的尾端熔接有用于对探测信号的反射的第一法拉第旋转镜，第二光纤分束器的第二输出端口用于连接外部的第二传感光纤，第二传感光纤的尾端熔接用于对探测光信号的反射第二法拉第旋转镜，其中，第二光电探测器与第二光纤分束器的第二输入端口连接；

5、数据采集分析系统，连接第一光电探测器和第二光电探测器，数据采集分析系统接收第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号并进行解调和处理。

6、进一步地，所述数据采集分析系统还包括数据采集卡和解调模块；

7、采集卡用于采集第一光电探测器和第二光电探测器的信号为第一电信号和第二电信号；

8、解调模块包括：

9、第一解调模块，用于对第一电信号进行相位解调、强度解调得到第一时域信号；

10、异常点位置初步分析模块，用于对第一时域信号进行能量谱分析和频谱分析，确定pccp管道是否发生异常事件，并对异常点进行初步的定位；

11、第二解调模块，用于对第二电信号进行相位解调得到第二时域信号；

12、异常点位置高频信息分析模块，用于对第二时域信号进行能量谱分析和高频频谱分析，完成对异常点位置的高频频谱分析。

13、进一步地，所基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统还包括适配数据采集分析系统设置的融合算法系统，融合算法系统用于对数据采集分析系统输出的信号进行融合算法判断。

14、进一步地，所述融合算法系统包括：

15、融合算法模块，用于接收第一时域信号及其能量谱信号、频率谱信号、第二时域信号及其高频频谱信号，并对其进行融合判断；

16、管道断丝位置分析模块，用于完成对断丝事件的最终筛选和位置确定。

17、进一步地，声光调制器和光纤环形器之间还设置有脉冲掺铒光纤放大器。

18、进一步地，第一光纤分束器和第二光纤分束器之间还设置有隔离器。

19、进一步地，所述基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统还包括声光调制器驱动器；

20、声光调制器驱动器分别与数据采集卡以及声光调制器连接；数据采集分析模块向声光调制器驱动器发送脉冲调制信号和射频信号；声光调制器驱动器根据脉冲调制信号和射频信号而向声光调制器输出高电平脉冲调制信号。

21、本发明还提供了一种基于高频参量融合的pccp管道断丝监测方法，应用于上述的基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统，包括：

22、s1、获取第一光电探测器输出的第一电信号以及第二光电探测器输出的第二电信号；

23、s2、对第一电信号进行相位解调、强度解调得到第一时域信号；

24、s3、对第一时域信号进行能量谱分析和频谱分析，确定pccp管道是否发生异常点事件并给出所有异常点的位置信息；

25、s4、对第二电信号进行相位解调得到第二时域信号；

26、s5、对第二时域信号进行能量谱分析和高频频谱分析，确定异常点的高频信号；

27、进一步地，所述s3的步骤包括：

28、对第一时域信号进行相位能量谱分析，确定第一时域的相位短时能量谱；

29、对比第一时域信号的相位短时能量谱和预先标定的系统本地噪声能量谱，超过系统本地噪声短时能量谱一定差值的第一时域信号，确定为异常信号；

30、进一步地，所述s5的步骤包括：

31、对第二时域信号进行频谱分析，得到异常点信号的频谱特征；

32、对比异常信号的频谱特征和系统中已经保存的pccp断丝数据库中的频谱特征，若异常信号的频谱特征与pccp断丝数据库中的频谱特征一致，则确定pccp管道发生疑似断丝事件。

33、本发明提供的基于高频参量融合的pccp管道断丝监测系统和方法，通过在传统φ-otdr的基础上增加了迈克尔逊干涉仪探测系统，通过迈克尔逊干涉仪系统提供的高频信号，与φ-otdr的精确定位信号深度融合，有效的解决了传统单φ-otdr监测pccp的缺点，解决的φ-otdr探测带宽受限的问题，极大的提高了pccp管道断丝监测的效率。