一种海底管道泄漏监测系统及方法与流程

1.本发明属于光纤传感海底管道泄漏监测技术领域，具体为一种海底管道泄漏监测系统及方法。


背景技术：

2.海底管道运输由于其具有高效、便捷、长距离运输、经济可靠的特点已经作为一种主要的油、气等能源运输方式被广泛使用，而在长距离的海底能源运输过程中海底管道的健康监测尤为重要，海底运输管道长时间置于海底，若管道受到海水腐蚀、地质灾害、外力破坏等因素的影响使得海底管道发生损伤进而发生泄露就会造成海洋环境的污染、能源的浪费和不可估量的经济损失。


技术实现要素：

3.为解决上述背景技术中所出现的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种海底管道泄漏监测系统，可用于海底管道早期微小泄漏的准确监测和定位。本发明另一方面还提供一种海底管道泄漏监测方法。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种海底管道泄漏监测系统，该系统包括：
6.传感光纤，螺旋缠绕在海底管道上；
7.多参数监测解调单元，与设置在海底管道上的传感光纤的首段连接，向传感光纤注入脉冲光，并通过接收和解调瑞利散射光信号和拉曼散射光信号，对管道沿线的温度和振动信息获取；
8.上位机，通过光开关模块控制多参数监测解调单元的启动，并接收多参数监测解调单元采集的信号。
9.进一步地，所述多参数监测解调单元包括：激光光源模块、声光调制模块、信号放大模块、滤波模块、环形器、拉曼波分复用模块以及数据采集卡，其中，
10.所述激光光源模块发射出中心波长为1550nm的窄线宽、低频移相干光信号；
11.所述声光调制模块将光信号调制成高、低功率的周期性脉冲光信号；
12.脉冲光信号经过信号放大模块放大以及通过滤波模块滤波后经由环形器耦合到所述拉曼波分复用模块后进入传感光纤；
13.所述拉曼波分复用模块，还用于从单根传感光缆的散射信号中区分出拉曼散射光和瑞利散射光，分路解调瑞利散射光信号和拉曼散射光信号；
14.所述数据采集卡分别采集瑞利散射信号和拉曼散射信号并传递至上位机。
15.进一步地，所述多参数监测解调单元还包括光电探测器以及雪崩光电二极管，所述光电探测器与所述环形器连接，拉曼波分复用模块分出的瑞利散射光信号经过环形器后通过光电探测器进行转换，所述雪崩光电二极管与所述拉曼波分复用模块的另一分光输出端连接，将拉曼散射光信号传递至数据采集卡。
16.进一步地，所述上位机根据瑞利散射光信号和拉曼散射光信号返回的时间以及瑞利散射光信号和拉曼散射光信号幅值的变化进行泄露点的定位。
17.一种海底管道泄漏监测方法，包括：
18.将传感光纤螺旋缠绕在海底管道上；
19.向传感光纤注入脉冲光；
20.对传感光纤接收的信号进行解调，将瑞利散射光信号和拉曼散射光信号分离；
21.分析瑞利散射光信号和拉曼散射光信号，获取管道沿线的温度和振动信息；
22.根据温度和振动信息判断是否泄漏并定位。
23.进一步地，向传感光纤注入脉冲光包括：
24.发射出中心波长为1550nm的窄线宽、低频移相干光信号；将光信号调制成高、低功率的周期性脉冲光信号；
25.脉冲光信号经过放大以及滤波后经由环形器耦合到进入传感光纤。
26.进一步地，对传感光纤接收的信号进行解调，将瑞利散射光信号和拉曼散射光信号分离包括：采用拉曼波分复用模块从单根传感光缆的散射信号中区分出拉曼散射光信号和瑞利散射光信号，分路解调瑞利散射光信号和拉曼散射光信号；
27.分出的瑞利散射光信号经过环形器后通过光电探测器进行转换；
28.分出的拉曼散射光信号通过雪崩光电二极管将拉曼散射信号传递至数据采集卡。
29.进一步地，根据温度和振动信息判断是否泄漏并定位包括：根据瑞利散射光信号和拉曼散射光信号返回的时间以及瑞利散射光信号和拉曼散射光信号幅值的变化进行泄露点的定位。
30.本发明与现有技术相比，有益效果在于：
31.传统的管道泄漏监测技术主要是点式测量，通过监测管道一定距离内的压力、流速、流量等信息的变化，判断出泄漏事件的发生和定位。而海底管道具有传输距离长、海下环境复杂、无源等特点，传统的点式测量方案不能满足海底管道全线的实时健康监测。基于上述现有技术方法的不足，本发明利用光纤测量的优势实现长距离、分布式、高精度的无源实时测量，并且利用单芯光纤就能实现温度、振动参数的解调，对管道沿线的温度和振动信息进行实时监测，多参数监测系统还能够避免仅使用单一振动参数受海底环境噪声的影响问题，其具有结构简单、长距离连续监测、对振动、温度事件敏感等特点。
附图说明
32.图1为一实施例的海底管道泄漏监测方法的流程图。
33.图2为一实施例的海底管道泄漏监测系统的结构框图。
34.图3为一实施例的解调系统示意图。
具体实施方式
35.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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.如图2所示，本发明一种海底管道泄漏监测系统，该系统包括：
37.传感光纤，螺旋缠绕在海底管道上；在海底管道沿线铺设传感光纤，为确保光纤与海底管道的耦合效果采用螺旋缠绕的方式进行布置。
38.多参数监测解调单元，与设置在海底管道上的传感光纤的首段连接，向传感光纤注入脉冲光，并通过接收和解调瑞利光散射和拉曼光散射，对管道沿线的温度和振动信息获取；
39.上位机，通过光开关模块控制多参数监测解调单元的启动，并接收多参数监测解调单元采集的信号。
40.将所述传感光纤缠绕到水下管道上，传感光纤首端连接到多参数监测解调单元；由多参数监测解调单元解调出来的温度和振动信号输送到上位机进行处理和实时显示。
41.多参数监测解调单元如图3所示，包括：激光光源模块、声光调制模块、信号放大模块、滤波模块、环形器、拉曼波分复用模块以及数据采集卡，其中，
42.所述激光光源模块发射出中心波长为1550nm的窄线宽、低频移相干光信号；
43.所述声光调制模块将光信号调制成高、低功率的周期性脉冲光信号；
44.脉冲光信号经过信号放大模块放大以及通过滤波模块滤波后经由环形器耦合到所述拉曼波分复用模块后进入传感光纤；放大模块为掺饵式放大器(edfa)。
45.所述拉曼波分复用模块，还用于从单根传感光缆的散射信号中区分出拉曼散射光和瑞利散射光，分路解调瑞利散射光信号和拉曼散射光信号；
46.所述数据采集卡分别采集瑞利散射信号和拉曼散射信号并传递至上位机。
47.当光开关模块触发时，激光光源模块发射出的光信号通过脉冲调制、放大、滤波后经环形器进入传感光纤。
48.还包括：光电探测器以及雪崩光电二极管，光电探测器与所述环形器连接，拉曼波分复用模块分出的瑞利散射光信号经过环形器后通过光电探测器进行转换，所述雪崩光电二极管与所述拉曼波分复用模块的另一分光输出端连接，将拉曼散射光信号传递至数据采集卡。
49.本发明通过对传感光纤后向瑞利散射信号的解调实现振动信息的测量；通过对传感光纤后向拉曼散射信号的解调实现温度信息的测量。从温度和振动两个方面实现对海底管道的实时监测，通过获取因海底管道泄漏所产生的温度和振动变化的信息实现对泄漏事件的监测和定位，并将信息传输到上位机进行实时显示。
50.本发明声光调制模块，对于温度参数解调而言，由于反斯托克斯散射光较弱，因此就需要有较高的光功率，否则就会导致温度解调的信噪比较低，从而影响温度解调的结果。采用窄线宽的激光光源模块，在高功率下极易产生非线性效应，这就会对多参数测量的结果带来影响。在多参数测量系统中，采用波分复用技术和脉冲调制技术为监测系统提供高、低功率脉冲序列，以此来获得高信噪比的自发散射信号，以达到更佳的振动和温度信号的解调效果，实现在单根的传感光纤上进行多点的分布式光纤振动及温度测量。
51.本发明拉曼波分复用模块，用于从单根传感光缆的散射信号中区分出拉曼散射光和瑞利散射光，分路解调瑞利散射信号和拉曼散射信号。由于管道沿线发生泄漏时，泄露点位置周围会因泄漏产生温度和振动变换，通过对两路散射光信息的解调即可实现利用单根光缆的管道沿线振动信息和温度信息的采集测量。
52.海底管道多参数监测解调单元工作流程为：激光光源模块发射出中心波长为
1550nm的窄线宽、低频移相干光，光信号由声光调制器aom调制成高、低功率的周期性脉冲光信号，再经掺饵式放大器(edfa)放大后由滤波器滤除自发辐射噪声，滤波后的脉冲信号经环形器耦合到拉曼波分复用器后进入传感光纤。
53.脉冲光注入传感光纤后，当光缆沿线发生管道泄漏事件时，产生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射以及反斯托克斯拉曼散射信号会发生变化，三种散射光将沿传感光纤后向散射返回到拉曼波分复用器，通过拉曼波分复用器的1450nm和1663nm的两个不同波长带宽的滤波端口将背向散射光中的斯托克斯拉曼散射光及反斯托克斯拉曼散射光提取出来，并通过双路雪崩光电二极管(apd)进行光电转换。背向瑞利散射信号则通过环形器进入另一个光电探测器(pd)进行光电转换。利用数据采集卡(daq)对两路电信号进行采集并传输到计算机进行处理分析，从而能够解调得到管道沿线的振动和温度信息。通过对温度和振动信息的分析则能够准确判断管道泄漏的情况，定位到泄漏位置。
54.当海底管道发生泄露事件时，会因管内液体的泄漏从而使得泄露点周围产生振动和温度信息的改变，通过本发明提出的基于分布式光纤多参数传感的监测方法可以实现管道沿线温度和振动信息的实时监测。当泄漏发生时，系统会实时监测到管道沿线某个位置处其温度和振动信息发生变化，进而定位到泄漏位置。当泄漏未发生时，管道沿线的温度和振动信息不会发生较大波动的变化，从而不会使监测系统响应，判断出管道沿线没有泄露事件的发生。通过单根光缆的多参数实时监测系统可以提高监测的准确性，避免使用单一振动或温度信息进行海底管道监测时，会由于海底地震、海啸、气候变化等自然灾害的发生产生误报的问题。同时，本发明通过引入脉冲功率调制和拉曼波分复用模块，实现利用单根光缆就可以实现多参数信息的测量采集，减少了海底复杂环境下的光缆铺设施工难度和工作量。
55.参见图1所示，一种海底管道泄漏监测方法，包括：
56.将传感光纤螺旋缠绕在海底管道上；
57.向传感光纤注入脉冲光；包括：
58.发射出中心波长为1550nm的窄线宽、低频移相干光信号；将光信号调制成高、低功率的周期性脉冲光信号；
59.脉冲光信号经过放大以及滤波后经由环形器耦合到进入传感光纤。
60.对传感光纤接收的信号进行解调，将瑞利散射光信号和拉曼散射光信号分离；包括：采用拉曼波分复用模块从单根传感光缆的散射信号中区分出拉曼散射光信号和瑞利散射光信号，分路解调瑞利散射光信号和拉曼散射光信号；
61.分出的瑞利散射光信号经过环形器后通过光电探测器进行转换；
62.分出的拉曼散射光信号通过雪崩光电二极管将拉曼散射信号传递至数据采集卡。
63.分析瑞利散射光信号和拉曼散射光信号，获取管道沿线的温度和振动信息；
64.根据温度和振动信息判断是否泄漏并定位。定位以及泄露的判断包括：系统接收瑞利散射光信号和拉曼散射光信号，并在脉冲光发射时开始计时，接收背向瑞利散射光信号和拉曼散射光信号，在瑞利散射光信号幅值、相位与拉曼散射光信号幅值发生变化时，确定该瑞利散射光信号和拉曼散射光信号对应的位置发生泄露，根据时间和光的传输速度计算对泄露点进行定位。在不发生泄露时，瑞利散射光信号和拉曼散射光信号的幅值是趋近定值。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。