一种基于分布式光纤传感的埋地管道实时监测系统

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的埋地管道实时监测系统。


背景技术：

2.近年来，随着我国经济的快速发展，对油气资源的需求也在逐年增加。目前，石油和天然气的运输方式主要有公路运输、铁路运输、水路运输、航空运输和管道运输。相比其他四种运输方式，管道运输因其成本低、损耗小、安全系数高，是我国油气资源运输的主要方式。
3.在埋地管道快速发展的同时，埋地管道也存在潜在的危险。由于管道运输距离长，沿线环境复杂，易受到腐蚀和人为破坏。管道中输送的介质一般具有易燃性、毒性、窒息性和环境危害性，一旦管道发生泄漏，很容易造成重大事故。管道泄漏造成的危害很大，一方面管道发生泄漏如果不能及时的发现，会造成大量的资源浪费，带来巨大的经济损失；另一方面埋地的泄漏会对泄漏处周围生态造成影响，对环境造成污染，对周围的生物产生威胁。对于目前主要的管道检测方法，泄漏介质巡检效率低、电缆检测法不能重复使用、空气采样法响应时间长、超声检测法需要选择导波、流体质量平衡法易误检，而分布式光纤传感技术结构简单，且可以长距离探测，是十分理想的埋地管监测技术。
4.目前已有的基于分布式光纤传感的埋地管道监测系统主要有以下几种。
5.（1）基于光时域反射技术系统：通过发生光脉冲, 检测光纤中返回的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的接头、末端等特征点，该方法仅能发现光纤中较大弯曲或断裂处的散射或反射光时，衰减损耗较大, 甚至造成光缆断裂的扰动, 无法检测动态或微小振动扰动, 并不适用于长输油管道的安全检测。
6.（2）光纤温度传感器检测泄漏法：该方法对于检测加热输送的原油泄漏效果较好, 但对于非加热输送的成品油或天然气管道效果较差。另外, 由于管道沿途引起温度变化的原因很多, 该方法无法辨别是何种原因造成的温度变化。
7.（3）基于sagnac光纤干涉仪原理的泄漏检测法：光源发出的光经耦合器分为两束，分别沿sagnac干涉仪光纤环的顺时针和逆时针方向传播一周后会合，在屏幕上产生干涉，条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比，泄漏会造成两路光产生相位差，检测器检测二者的干涉信息从而进行信号处理，可以获得外部干扰事件的信息，但该方法光路中需要的器件较多，信号处理复杂，且sagnac环对缓变的扰动不敏感。
8.该方法将sagnac传感光路置于长输管道中, 以期望得到较高的检测灵敏度。但是该方案不便于系统的维护与安装, 同时也有碍管内检测器的检测。除此之外, 由于管道内的压力波动, 介质流动, 气泡串扰等, 极易引起系统误报。
9.（4）基于光纤bragg光栅的泄漏监测技术：该技术的灵敏度很高, 但缺点是其检测信号较其他光纤监测方法更容易受到管道沿线噪声干扰, 需要进行复杂的信号处理和模式识别。另外, 由于该方法需要专用的光栅光纤, 不适用于已经投产的油气管道。
10.基于上述现有技术的缺陷，需要一种能够对埋地管道沿线异常事件的有效、全面、实时监测和精确定位，且易于改装、成本低廉的管道监测系统。


技术实现要素：

11.基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于分布式光纤传感的埋地管道实时监测系统。
12.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于分布式光纤传感的埋地管道实时监测系统，具体包括：依次连接的激光源，电动偏振控制器，振动干涉传感组件，光电探测器，激光源的输出端通过光纤连接振动干涉传感组件的输入端，电动偏振控制器夹持并对光纤施力，控制光纤中激光的偏振态，振动干涉传感组件监测管道振动对光纤中激光的干涉，输出端连接光电探测器；光电探测器输出振动监测信号。
13.作为优选方案，电动偏振控制器包括三个分别以第一方向、第二方向、第三方向安装的压电陶瓷夹，每个压电陶瓷夹包括两个夹持光纤的压电陶瓷片，两个压电陶瓷片的间隙根据施加于压电陶瓷片的电压值增减。
14.作为优选方案，第一方向、第二方向、第三方向分别与竖直方向成度、度、度夹角。
15.作为优选方案，振动干涉传感组件包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，第一光纤耦合器具有两个输出端和，分别连接第二光纤耦合器和第三光纤耦合器的输入端；第二光纤耦合器具有两个输出端和，输出端连接参考光纤；输出端连接传感光纤，传感光纤绑定于振动监测区域，随振动监测区域的振动产生位移；参考光纤和传感光纤另一端连接第三光纤耦合器的输入端；第二光纤耦合器的另两个输出端和及第三光纤耦合器的两个输出端和分别连接至光电探测器的四个输入端。
16.作为优选方案，传感光纤以螺旋式盘绕于管道。
17.作为优选方案，传感光纤的盘绕螺距为管道外径的一半。
18.作为优选方案，管道及传感光纤外部包裹防腐层。
19.作为优选方案，系统还包括数据采集单元、计算机；数据采集单元与光电探测器的输出端连接，获取振动监测信号；数据采集单元与计算机通信连接。
20.本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明的系统能够实现对埋地管道沿线异常事件的有效、全面、实时监测和精确定位；本发明的系统利用电动偏振控制器调节干涉光路中光的偏振态，从而提高检测的准确度。
附图说明
21.图1是本发明实施例的基于分布式光纤传感的埋地管道实时监测系统的结构示意图；图2为本技术实施例的电动偏振控制器的结构示意图；图3为本技术实施例的振动干涉传感组件的结构示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
23.在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本技术的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本技术也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征a、b、c，另一个实施例包含特征b、d，那么本技术也应视为包括含有a、b、c、d的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
24.下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本技术内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
25.实施例：本实施例提供一种基于分布式光纤传感的埋地管道实时监测系统，其结构框图如图1所示，具体包括如下结构：激光源1，用于生成并发射激光。
26.在本技术的某些实施例中，激光器1采用分布反馈式激光源，能够输出较小功率的激光，减短传播路径、提高激光温度，同时具备较窄的光谱线宽，适用于分布式光纤传感系统结构。
27.电动偏振控制器2，激光源1的输出端连接至振动干涉传感组件3的输入端，将激光通过光纤输出至振动干涉传感组件3。电动偏振控制器加载于光纤上，能够精确调整光纤中光波的输入偏振态到想要得到的输出的偏振态。
28.本技术的某些实施例提供了电动偏振控制器2的具体结构：如图2所示，电动偏振控制器2由三个倾斜不同角度的立式压电陶瓷夹组成，分别倾斜0
°
、45
°
和90
°
。每对压电陶瓷片有两片尺寸规格为长12mm、宽8mm、厚3mm的压电陶瓷片组成，两片压电陶瓷之间留有一定间隙，光纤从间隙中穿过，间隙大小可根据施加在压电陶瓷片上的电压值进行调节，从而对间隙中的光纤产生挤压作用，改变光纤中光的偏振态。
29.电动偏振控制器2的信号输入端与数据采集单元5的电压输出端相连，而数据采集单元5通过数据总线与计算机6相连，由计算机6根据光纤监测信号的分析结果输出控制信号到数据采集单元5，数据采集单元5根据控制信号输出相应的电压信号到电动偏振控制器2，从而对电动偏振控制器2进行调控，改变光纤中光波的偏振态。
30.单个立式压电陶瓷夹由卡扣槽21、卡扣22、压电陶瓷输电线23、上压电陶瓷固定板
24、上压电陶瓷25、下压电陶瓷26、下压电陶瓷固定板28、立柱29组成。压电陶瓷通过粘胶的形式固定在固定板上，上压电陶瓷固定板24与下压电陶瓷固定板28采用铰链连接，从而实现两板之间的开合。卡扣槽21与卡扣22配合使用，用于固定两板，从而夹紧光纤27。
31.另外，在下压电陶瓷固定板26的中心处设有5mm的正方形开口，能够将压电陶瓷输电线23焊接至下压电陶瓷25。立柱29通过焊接的形式连接底座210与下压电陶瓷固定板28，能够将压电陶瓷悬空从而减少外界干扰。三条压电陶瓷输电线排布在底座凹槽211中，起到保护输电线的作用。
32.振动干涉传感组件3的结构如图3所示，包括一个1
×
2的第一光纤耦合器31，两个3
×
3的第二、第三光纤耦合器32、33。
33.电动偏振控制器2的输出端连接至第一光纤耦合器31的输入端，当一束光从电动偏振控制器2传输至第一光纤耦合器31时，由其将光路拆分成两路，从第一光纤耦合器31的输出端311和312分别输出至后续安装的第二光纤耦合器32和第三光纤耦合器33的输入端。
34.在第二光纤耦合器32中，光波被再一次分为两路，一路通过第二光纤耦合器32的第一输出端321输出至参考光纤34；另一路通过第二光纤耦合器32的第二输出端322输出至传感光纤35。其中参考光纤34不与管道绑定，作为参考；传感光纤35绑定在监测管道上，随监测管道的振动发生扰动。
35.当光波从传感光纤35经过时，若监测管道具有振动，传感光纤35中的光束会产生相位变化。
36.在本技术的某些实施例中，传感光纤35按照螺旋盘绕的方式等间距地缠绕被测管道7上，相邻缠绕光纤的间距为被测管道7外径的二分之一。被测管道7缠绕传感光纤35后，外层再包裹管道防腐层，对传感光纤35和被测管道7进行保护参考光纤34和传感光纤35的输出端共同接入第三光纤耦合器33的两个输入端331、332，同时，第二光纤耦合器32的另两个输出端323、324再次输出两路分流至第三光纤耦合器33的另两个输入端333、334，参考光纤34及传感光纤35中经过的光波与第一光纤耦合器31分流的另两路共同输出至光电探测器4，光电探测器感知光波的强度大小并转换为电信号输出。电信号输出至数据采集单元5，数据采集单元5计算扰动前后的强度差，从而将传感光纤35受到的扰动转换为表征其受到振动的监测电信号，并将结果发送至计算机6。
37.计算机6从数据采集卡5采集到数据后进行一系列信号分析和数据处理，实时判断被测管道7的当前状态，若出现异常事件则同时定位异常事件出现位置。
38.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。