一种基于光纤传感的清管器卡堵定位装置和方法与流程

本发明涉及石油和天然气管道清管设备技术领域，特别涉及一种基于光纤传感的清管器卡堵定位装置和方法。

背景技术：

石油和天然气作为重要的能源物资，与各行各业的发展紧密相关，管道作为输送石油和天然气的主要方式，比其他运输方式具有安全、经济和便捷的优点。但是，清管作业是管道投产前和运行中一项必不可少的工作，清管的作用主要包括提高生产效率、降低维护成本和延长管道寿命。然而，清管作业存在很大的风险，一旦清管器发生卡堵现象且不能及时定位时，就会影响油气的正常输送，甚至会破坏管道安全。因此，清管作业时对清管器的跟踪定位是一项重要内容。

管道清管器的跟踪定位，目前主要有以下几种方法：放射性同位素法、机械撞针法、声学法、电磁脉冲法、分布式光纤振动传感法等，但是每种方法都有一定的局限性。

放射性同位素法的缺点主要是：放射源的安装和拆卸费用很高，且对人体和环境的危害很大，目前基本不用。

机械撞针法的缺点主要是：安装在管壁上，撞针直接和管道内壁接触，对管道内壁会有一定的损害，且沿管道的指示器隔一定距离放置一个，这种方法只能检测清管器的通过指示，不能实时跟踪定位。

声学法的缺点主要是：通过检测管道内清管器产生的噪声，来对清管器进行定位和跟踪，清管器运行噪声传播距离较短，监测距离有限，定位精度差，且受外界干扰影响较大。

电磁脉冲法需要人工在管道沿线放置信号接收机，检测清管器是否通过，无法实时跟踪定位清管器的位置，卡堵后需要人工携带电磁接收仪沿管道寻找清管位置。管道沿线需要安排大量人员，人力物力成本高，无法连续实时跟踪，卡堵后不能及时确定卡堵准确位置。

基于上述缺陷，实用新型cn201420525513公开了一种清管器跟踪定位系统，包括：检测装置，用于产生脉冲光信号，并将脉冲光信号传输至管道同沟敷设光缆中的光纤；以及在向光纤传输脉冲光信号之后，检测获得管道同沟敷设光缆的瑞利散射信号；数据处理装置，连接于检测装置，用于接收检测装置发送至的瑞利散射信号，并基于瑞利散射信号确定清管器的位置。

该系统介绍了基于分布式光纤振动传感的清管器跟踪定位原理和系统结构，但检测装置和数据处理装置不具备激光脉冲、发射功率、光电转换增益的动态调节功能，不能满足长距离、不同损耗水平光缆的应用；未实现清管器的动态跟踪、信号存储和信号回放，未实现清管器卡堵时地理位置的检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的清管器卡堵定位装置和方法，实现了清管器位置的实施检测和跟踪，并能存储清管器振动信号，实现清管器轨迹的回放和卡堵位置确定。通过特定的信号处理算法，实现了管道清管器的实时跟踪和显示，无需现场人工跟踪。通过信号回放，可检测清管器卡堵的光缆长度，现场人工敲击地面产生振动，可快速检测卡堵的地理位置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光纤传感的清管器卡堵定位装置，包括光学模块、光电转换器、高速采集卡、计算机、振动光缆；

所述光学模块的光学模块端口a输出激光脉冲，与振动光缆连接，光学模块的光学模块端口b输出管道同沟敷设光缆返回的携带有振动信号的激光信号，光学模块端口b与光电转换器的输入端口连接，光学模块的光学模块端口c与高速采集卡的高速采集卡同步端口c连接，光学模块的光学模块端口d与计算机端口c连接；

所述光电转换器通过光电转换器端口a接收来自光学模块的激光信号，并将其转换为电信号，光电转换器通过光电转换器端口c输给高速采集卡的高速采集卡同步端口a；

所述高速采集卡通过高速采集卡同步端口c接收光学模块的同步信号，高速采集卡通过高速采集卡同步端口a接收光电转换器输出的电信号，并将其转换为数字信号，高速采集卡并通过高速采集卡同步端口b输出给计算机；

所述计算机通过计算机端口a接收高速采集卡输出的数字电压信号，通过信号分析处理；计算机通过计算机端口a对高速采集卡进行控制；计算机通过计算机端口b与光电转换器的光电转换器端口b连接，控制光电转换器的增益，计算机通过计算机端口c与光学模块端口d连接，控制激光功率、激光脉冲宽度、激光脉冲频率；

所述振动光缆与管道同沟埋设。

进一步地，所述光学模块内置脉冲信号源、窄线宽激光源、激光脉冲调制器、激光脉冲放大器、光纤环形器、拉曼放大器、波分复用器、mcu控制器，其中：

脉冲信号源输出指定频率的电压脉冲信号给激光脉冲调制器，并通过光学模块端口d同步输出同步信号；

激光脉冲调制器接收电压脉冲信号，将窄线宽激光源发射的连续激光调制为脉冲激光；

激光脉冲放大器将脉冲激光功率放大，输出至光纤环形器的光学模块端口a，通过光学模块端口b输出；

波分复用器将拉曼放大器输出的激光和光纤环形器输出的脉冲激光合束，通过光学模块端口a输出；

mcu控制器通过光学模块端口d接收外部计算机控制信号，通过控制协议解析，分别对窄线宽激光源输出功率、脉冲信号源频率及脉冲宽度、激光脉冲放大器增益、拉曼放大器输出功率进行控制。

进一步地，所述光电转换器采用的光探测器为光电二极管或雪崩光电二极管。

进一步地，所述高速采集卡以光学模块中脉冲信号源输出同步信号具备外部信号触发采集功能。

进一步地，所述计算机通过计算机端口a接收高速采集卡采集的数字信号，通过信号解调、降噪获得清管器振动信号，通过振动波形检测、振动波形定位。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于光纤传感的清管器卡堵定位的方法，包括如下步骤：

s1：通过信号回放，对计算机记录的清管器卡堵位置进行复核；

s2：人工敲击定位清管器卡堵位置。

进一步地，s1的具体步骤如下：

s101：从计算机读取保存的二维信号，以滑窗方式检测每一列信号不同时刻的信号强度，并记录超过设定阈值的信号时刻和信号列编号作为数据样本；

s102：对记录有样本数据的信号进行特征分析，去除不符合清管器振动特征的数据样本；

s103：对记录的数据样本做曲线拟合，将拟合曲线与信号强度数据叠加，在屏幕上回放清管器的位置；

s104：快速回放信号至计算机记录的卡堵位置附近，观测清管器振动信号消失、或清管器振动信号位置不再变化时的位置，即清管器卡堵位置到本装置的光缆长度l1

进一步地，s2的具体步骤如下：

s201：采用人工在管道沿线敲击地面产生振动信号，由计算机检测人工敲击位置l2；

s202：若l2小于l1，代表敲击位置在清管器卡堵位置之前，沿管道向远端移动一定距离，再次敲击地面；

s203：若l2大于l1，代表敲击位置在清管器卡堵位置之后，沿管道向近端移动一定距离，再次敲击地面；

s204：直至人工敲击位置l2与清管器卡堵位置l1相等，此时的敲击位置l2即清管器卡堵位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用分布式光纤传感技术，实现了清管器位置的实施检测和跟踪，并能存储清管器振动信号，实现清管器轨迹的回放和卡堵位置确定。

2、本发明的光学模块的激光脉冲宽度、光功率，以及光电转换器增益可由计算机控制调节，可适应不同长度、不同损耗水平的光缆。

3、本发明的计算机控制高速采集卡延时采集、信号采集长度，对管道光缆局部信号进行分析处理和存储，而非管道光缆全线信号，降低了信号数据量和信号分析运算量，有助于低功耗和低成本的实现。

4、本发明通过特定的信号处理算法，实现了管道清管器的实时跟踪和显示，无需现场人工跟踪。

5、本发明通过信号回放，可检测清管器卡堵的光缆长度，现场人工敲击地面产生振动，可快速检测卡堵的地理位置。

附图说明

图1为本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位装置的模块连接示意图；

图2为本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位装置的光学模块结构示意图；

图3本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位的方法的流程图；

图4本发明一实施例计算机记录的清管器卡堵位置复核流程图；

图5本发明一实施例人工敲击定位清管器卡堵位置流程图；

图6本发明本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位装置的清管器跟踪定位方法。

图中：1、光学模块；11、光学模块端口a；12、光学模块端口b；13、光学模块端口c；14、光学模块端口d；101、脉冲信号源；102、窄线宽激光源；103、激光脉冲调制器；104、激光脉冲放大器；105、光纤环形器；106、拉曼放大器；107、波分复用器；108、mcu控制器；2、光电转换器；21、光电转换器端口a；22、光电转换器端口b；23、光电转换器端口c；3、高速采集卡；31、高速采集卡同步端口a；32、高速采集卡同步端口b；33、高速采集卡同步端口c；4、计算机；41、计算机端口a；42、计算机端口b；43、计算机端口c；5、振动光缆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1展示了本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位装置的模块连接示意图，如图1所示，一种基于光纤传感的清管器卡堵定位装置，包括光学模块1、光电转换器2、高速采集卡3、计算机4、振动光缆5。

光学模块1的光学模块端口a11输出激光脉冲，与振动光缆5连接，用于清管器振动信号的探测，光学模块1的光学模块端口b12输出管道同沟敷设光缆返回的携带有振动信号的激光信号，光学模块端口b12与光电转换器2的输入端口21连接，光学模块1的光学模块端口c13与高速采集卡3的高速采集卡同步端口c33连接，光学模块1的光学模块端口d14与计算机端口c43连接。光学模块1的激光脉冲宽度、光功率，以及光电转换器2增益可由计算机控制调节，可适应不同长度、不同损耗水平的光缆。

光电转换器2通过光电转换器端口a21接收来自光学模块1的激光信号，并将其转换为电信号，光电转换器2通过光电转换器端口c23输给高速采集卡3的高速采集卡同步端口a31。

高速采集卡3通过高速采集卡同步端口c33接收光学模块1的同步信号，高速采集卡3通过高速采集卡同步端口a31接收光电转换器2输出的电信号，并将其转换为数字信号，高速采集卡3并通过高速采集卡同步端口b32输出给计算机4。

计算机4通过计算机端口a41接收高速采集卡3输出的数字电压信号，通过信号分析处理，实现清管器位置跟踪；计算机4通过计算机端口a41对高速采集卡3进行控制；计算机4通过计算机端口b42与光电转换器2的光电转换器端口b22连接，控制光电转换器2的增益，实现不同强度激光信号的自适应，计算机4通过计算机端口c43与光学模块端口d14连接，控制激光功率、激光脉冲宽度、激光脉冲频率。

振动光缆5与管道同沟埋设。

图2展示了本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位装置的光学模块结构示意图，如图2所示，光学模块1内置脉冲信号源101、窄线宽激光源102、激光脉冲调制器103、激光脉冲放大器104、光纤环形器105、拉曼放大器106、波分复用器107、mcu控制器108，其中：脉冲信号源101输出指定频率的电压脉冲信号给激光脉冲调制器103，并通过光学模块端口d14同步输出同步信号；激光脉冲调制器103接收电压脉冲信号，将窄线宽激光源102发射的连续激光调制为脉冲激光；激光脉冲放大器104将脉冲激光功率放大，输出至光纤环形器105的光学模块端口a11，通过光学模块端口b12输出；波分复用器107将拉曼放大器106输出的激光和光纤环形器105输出的脉冲激光合束，通过光学模块端口a11输出；mcu控制器108通过光学模块端口d14接收外部计算机控制信号，通过控制协议解析，分别对窄线宽激光源102输出功率、脉冲信号源101频率及脉冲宽度、激光脉冲放大器104增益、拉曼放大器106输出功率进行控制。

光电转换器2具备增益调节功能，可适应不同功率光信号的检测；采用的光探测器可以是光电二极管或雪崩光电二极管。

高速采集卡3以光学模块中脉冲信号源输出同步信号具备外部信号触发采集功能。可接收计算机4控制信号，实现触发延时采集、特定长度信号采集。

计算机4通过计算机端口a41接收高速采集卡3采集的数字信号，通过信号解调、降噪获得清管器振动信号，通过振动波形检测、振动波形定位，实现清管器位置的实施跟踪。计算机4控制高速采集卡3延时采集、信号采集长度，对管道光缆局部信号进行分析处理和存储，而非管道光缆全线信号，降低了信号数据量和信号分析运算量，有助于低功耗和低成本的实现。

本实施例还提出一种基于光纤传感的清管器卡堵定位的方法，流程图如图3，包括如下步骤：

s1：通过信号回放，对计算机4记录的清管器卡堵位置进行复核，具体步骤如下：

如图4，s101：从计算机4读取保存的二维信号，以滑窗方式检测每一列信号不同时刻的信号强度，并记录超过设定阈值的信号时刻和信号列编号作为数据样本；s102：对记录有样本数据的信号进行特征分析，去除不符合清管器振动特征的数据样本；s103：对记录的数据样本做曲线拟合，将拟合曲线与信号强度数据叠加，在屏幕上回放清管器的位置；s104：快速回放信号至计算机记录的卡堵位置附近，观测清管器振动信号消失、或清管器振动信号位置不再变化时的位置，即清管器卡堵位置到本装置的光缆长度l1。

s2：人工敲击定位清管器卡堵位置，具体步骤如下：

如图5，s201：采用人工在管道沿线敲击地面产生振动信号，由计算机4检测人工敲击位置l2；s202：若l2小于l1，代表敲击位置在清管器卡堵位置之前，沿管道向远端移动一定距离，再次敲击地面；s203：若l2大于l1，代表敲击位置在清管器卡堵位置之后，沿管道向近端移动一定距离，再次敲击地面；s204：直至人工敲击位置l2与清管器卡堵位置l1相等，此时的敲击位置l2即清管器卡堵位置。

图6展示了本发明一实施例基于光纤传感的清管器卡堵定位装置的清管器跟踪定位方法，包括以下步骤：

s100：高速采集卡3以外触发方式采集信号，触发信号为光学模块1中脉冲信号源101输出的同步信号。s200：计算机通过端口41接收高速采集卡采集的电压信号；电压信号为二维数字信号，信号的行与同步信号对应，信号的列与振动光缆距离对应。s300：对每一列信号做带通滤波，去除低频干扰和高频噪声。滤波降噪后的二维信号将实时存储到计算机硬盘上，同时以滑窗方式检测每一列信号不同时刻的信号强度，并记录超过设定阈值的信号时刻和信号列编号作为数据样本。s400：对记录有样本数据的信号进行特征分析，去除不符合清管器振动特征的数据样本。s500：对记录的数据样本做曲线拟合，将拟合曲线与信号强度数据叠加，实时更新并在屏幕上显示，实现清管器位置的实时跟踪和下一时刻位置预测。s600：计算机检测到清管器振动信号消失超过设定时间，或振动信号位置保持不变超过设定时间时，记录最后检测到的清管器振动信号位置作为清管器卡堵位置，并给出卡堵报警。由于监测的管道长度很长，一般数十公里，而空间分辨率要求又很高，因此采集卡采样率很高，可到100msamples/s，采集的信号数据量很大，本发明采用如下方式减小信号数据量，降低对系统硬件的要求：控制采集卡触发延时，每次触发采集较短长度的振动信号。在采集的信号范围内实时跟踪清管器位置。清管器位置即将达到采集信号范围边缘时，动态调节采集卡触发延时，使清管器位置始终处于采集范围内。

本发明采用分布式光纤传感技术，实现了清管器位置的实施检测和跟踪，并能存储清管器振动信号，实现清管器轨迹的回放和卡堵位置确定。其中，本发明的光学模块1的激光脉冲宽度、光功率，以及光电转换器2增益可由计算机控制调节，可适应不同长度、不同损耗水平的光缆。计算机4控制高速采集卡3延时采集、信号采集长度，对管道光缆局部信号进行分析处理和存储，而非管道光缆全线信号，降低了信号数据量和信号分析运算量，有助于低功耗和低成本的实现。通过特定的信号处理算法，实现了管道清管器的实时跟踪和显示，无需现场人工跟踪。通过信号回放，可检测清管器卡堵的光缆长度，现场人工敲击地面产生振动，可快速检测卡堵的地理位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。