引言

近年來,我國油氣消耗大幅度增加,對低成本、高安全性油氣管道運輸?shù)男枨笈c日俱增。但隨著管道運輸?shù)膹V泛應用,各類管道泄漏事故層出不窮,造成了巨大的經濟、能源損失,環(huán)境污染以及人員傷亡,因此油氣輸送管道的泄漏監(jiān)測及泄漏點的精準定位已成為管道安全運行的重要保障。對油氣運輸管道進行實時泄漏監(jiān)測和定位,可為泄漏管道的及時報警和維修提供便利條件,從而極大地減少經濟損失和能源浪費,盡可能避免因泄漏引起的環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的輸油管道泄漏監(jiān)測定位方法中,有的是沿光纜全線逐點進行人工檢驗,效率低下,實施難度大,有的是通過測量管道內各種參數(shù)再配合軟件技術來進行監(jiān)測,但這些方法基本都存在不能提前預警、定位難以及成本較高等缺點。因此,本文提出了一種基于φ-OTDR(Phase-sensitiveiotipactilem1laindefcept1letdy）的分布式光纖管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng),其安裝更加方便,且提高了定位精度。

1系統(tǒng)工作原理

1.1分布式光纖監(jiān)測原理

分布式光纖傳感是一種比較先進的監(jiān)測技術,其中的光纖集傳輸介質和傳感元件于一體,可以實時獲取光纖敷設區(qū)域隨時空變化的溫度、壓力、振動、應變等被測量信息及環(huán)境信息。其工作原理是當光線在光纖中傳播時會產生后向散射效應,其中與入射光頻率相同的為瑞利散射,與入射光頻率不同的為拉曼散射或布里淵散射,這些散射光中攜帶光纖纖芯的幾何與物理特性變化信息。當傳感區(qū)域內某些被測參數(shù)的改變作用于光纖某處時,會改變該處光纖纖芯的尺寸和折射率,從而使光纖中光波信號的相位和強度等發(fā)生改變,通過監(jiān)測該點光信號的偏振狀態(tài)、相位、波長等參數(shù)的變化,就可以獲得該處的壓力、溫度等被測參數(shù)的信息。分布式光纖傳感技術的優(yōu)點是施工簡單、成本較低且受環(huán)境影響較小,因此其近年來在管道監(jiān)測領域的應用發(fā)展迅速。

1.2φ-OTDR泄漏監(jiān)測原理

相位敏感光時域反射φ-OTDR的監(jiān)測原理:光線在沿光纖傳播的過程中會產生后向瑞利散射,當光纖某點受到外界泄漏干擾時,該點就會發(fā)生彈光效應,改變光纖纖芯的折射率,繼而散射光的光強也由于干涉的作用發(fā)生變化,散射光強隨著傳播距離的延長而衰減,且在一定條件下傳播距離正比于時間。

設光纖長為l,入射光的中心波長為λ,光纖折射率為n,則相位,當光纖受擾動時,光的相位變化為:

式(1）中,光纖長度的改變量Al=sl,其中s表示光纖的縱向應變張量[5],由于相位被調制發(fā)生改變,則相應的光電探測器所測得的電流也會發(fā)生改變。假設第n個散射點受到擾動,則干擾前后的電流變化為:

綜合式(1）和式(2）可知,根據相位變化就可以計算出瑞利散射相干光強的變化,并得到相應的泄漏擾動信息。

2系統(tǒng)結構設計

2.1系統(tǒng)硬件設計

本實驗系統(tǒng)結構如圖1所示。由于光源線寬越窄,光的干涉效果越好,因此系統(tǒng)采用超窄線激光器作為監(jiān)測光源。函數(shù)發(fā)生器和聲光調制器通過強度調制把光源發(fā)出的光調制成脈沖光,再經摻餌光纖放大器放大至23dBm后進入管道內的傳感光纖。脈沖光在傳感光纖中傳輸時,受到纖芯折射率不均勻性的影響,產生在光纖內逆向傳播的后向瑞利散射光,當管道發(fā)生泄漏時,會對傳感光纖產生擾動,光纖內瑞利散射光的相位也會受到相應調制而攜帶泄漏信息,通過分析這些后向瑞利散射信號即可獲得傳感光纖上不同位置的擾動情況進而獲得泄漏信息。后向瑞利散射相干光通過環(huán)形器被光電探測器接收,轉變?yōu)橐子跍y量的電信號,然后通過數(shù)據采集系統(tǒng)對其進行采集以形成傳感光纖內完整的空域信號并送到上位機進行小波消噪處理,以確定是否產生泄漏并完成泄漏位置的定位計算。

2.2閾值函數(shù)與閾值選取

常用的小波閾值降噪方法有軟閾值函數(shù)降噪和硬閾值函數(shù)降噪兩種,其中硬閾值函數(shù)的表達式為:

軟閾值函數(shù)的表達式為:

式中:λ為閾值。

其中硬閾值函數(shù)只處理絕對值比設定閾值小的小波系數(shù),所以不能消除比較大的噪聲,且連續(xù)性不好:軟閾值函數(shù)處理后的小波系數(shù)與原始值之間存在固定誤差,從而有可能導致小波重構信號出現(xiàn)較大的誤差,丟失原始信息的某些特征。

為了在保留這兩種降噪函數(shù)優(yōu)點的基礎上盡量彌補其缺陷,本實驗選取指數(shù)閾值函數(shù),其函數(shù)表達式為

,指數(shù)閾值函數(shù)連續(xù)性較好,因此不會引起振蕩現(xiàn)象,且能夠處理所有的小波系數(shù),避免了有用的小信號被濾除的危險,適合泄漏噪聲的處理。

閾值是區(qū)分噪聲信號和泄漏信號的關鍵數(shù)據,它的選取直接影響著去噪效果的好壞,因此閾值應根據分解尺度的變化而改變,可利用下式選取最佳閾值:

式中:期為泄漏噪聲的方差:N為泄漏信號長度:j為分解尺度。

2.3小波去噪流程設計

原始信號中有用信息和噪聲混疊在一起,有用信息甚至會被噪聲湮沒,經小波分析去噪后可以濾掉暫態(tài)和瞬態(tài)信號,抑制高頻噪聲的影響,從而保留所需的信號尖峰及突變信號。其過程是經過小波分解后,有用信號與噪聲信號被分解到不同區(qū)域,通過選取恰當?shù)拈撝捣蛛x開高頻和低頻區(qū)域的小波系數(shù),保留滿足閾值條件的有效信息,再對這些保留的有效小波系數(shù)進行逆變換重構并顯示結果,若沒有泄漏則輸出管道運行正常信息,如有泄漏則發(fā)出報警。小波去噪流程如圖2所示。

3實驗結果

在實驗管道上加裝一段長為20m的PE管道,加裝部分一段埋在沙土中,一段埋在水中,并開兩個直徑為8mm、間距為10m的小孔。將一根長為2km的單模光纖敷設于管道表面作為傳感光纖。選用中心波長為1550nm、線寬為100Hz的超窄線寬激光器作為光源,探測脈沖為150ns,采樣頻率為50MHz,精度為14位,實驗結果如表1所示。

由表1數(shù)據可得,在2km的測試范圍內,該實驗系統(tǒng)的泄漏定位精度可控制在8m以內。

4結語

本文提出了一種基于相位敏感光時域反射技術和小波去噪的管道泄漏定位系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對管道沿線發(fā)生的泄漏事故進行實時監(jiān)測和報警,并且能較精準地確定泄漏點的位置。通過小波去噪可以有效去除噪聲,提高定位精度,在2km范圍內可達到8m以內的精度。分布式光纖管道泄漏監(jiān)測技術,采用光纖作為傳感元件,安裝簡單,精度較高,不易受電磁干擾,電絕緣性能優(yōu)越,且光纖具有較好的耐腐蝕性,更適用于潮濕復雜的管道敷設環(huán)境,在油氣輸送管道泄漏監(jiān)測領域有著良好的應用前景。