CN102352963A

CN102352963A - 基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置

Info

Publication number: CN102352963A
Application number: CN2011103023124A
Authority: CN
Inventors: 杨其华; 乔波; 王强; 胡正松
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2011-10-09
Filing date: 2011-10-09
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-10-09
Also published as: CN102352963B

Abstract

本发明公开了一种基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，包括光纤感测***、信号解调***、信号处理与通信***、人机交互***；光纤感测***的低同调长度高功率光源、光环形器、第一耦合器、延迟光纤、第二耦合器、感测光纤、法拉第旋转镜、相位调制器构成Sagnac/Mach-Zehnder混合型干涉仪，干涉仪输出的光信号经信号解调***转换为电信号并被解调，然后传输至信号处理与通信***，通过DSP处理器进行信号处理并确定泄漏点位置信息，再通过3G模块与人机交互***通信，最终在人机交互***显示监测信息；本装置可实时检测水下长输管道沿线泄漏状况，具有很高的灵敏度和定位精度。

Description

基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置

技术领域

本发明属于管道泄漏检测领域，尤其涉及一种采用混合干涉型分布式光纤传感技术进行水下长输管道泄漏检测的装置。

背景技术

管道输送具有投资省、建设周期短、输送量大、输送费用低、对生态环境影响小、管理方便、可靠性高等优点，国内外已普遍采用长输管道输送石油与天然气。随着海上油气田的开发，对于水下长输管道的健康监测受到了高度的关注，水下长输管道运行的检测技术也在不断发展。

现有的对海底长途输气管道的安全检测***采用的方法包括射线法、系缆式漏磁法、清管球、水下遥控机器人、声发射法等，存在工作效率低、需要逐点检测（或只能间断性进行检测）、检测距离短、定位精度低等缺点。而且由于水下长输管道铺设环境复杂，水体对于声、光等信号的吸收性强，长距离管线泄漏点准确定位困难，使得上述方法对水下长输管道的检测中难以满足实时监测、准确定位的要求。分布式光纤传感是近年来发展起来的一项新技术，具有长距离连续监测、抗电磁干扰性好、使用寿命长等优点，能够取代传统的单点式传感器阵列，用于水下长输管道检测***中。

中国发明专利申请200610113044.0基于Sagnac光纤干涉仪进行管道泄漏检测，采用由两根独立的光纤形成的两个Sagnac干涉仪构成传感部分，当管道发生泄漏时对光纤产生扰动，利用光纤的应力应变效应对光纤中的光波进行调制，引起输出干涉光的相位发生改变，进而判断有无泄漏发生并定位。由于这种传感***为了解决当管径较大或泄漏孔背向光纤方向时检测问题，架构采用了两个干涉仪。这使得整个传感***结构复杂，不利于在水下复杂情况下的长输管道上进行布放，且该装置没有实时人机交互***，不便于陆上人员对于水下管线的实时管理。

发明内容

本发明的目的在于克服了以上所述的缺陷，提供一种基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，本发明分布式光纤感测架构简单，便于在水下复杂情况下的长输管道上进行布放，采用DSP进行信号快速处理，通过人机交互界面进行管线的实时管理，且装置的检测灵敏度高、光信号损耗小、定位精度高、能实现水下管道的长距离实时监测。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案，一种基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，它包括：光纤感测***、信号解调***、信号处理与通信***和人机交互***；

其中，光纤感测***包括：低同调长度高功率光源、光环形器、第一耦合器、延迟光纤、相位调制器、第二耦合器、感测光纤和法拉第旋转镜；信号解调***包括：光电探测器、第一混频模块、第二混频模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一运算放大器、第二运算放大器、第一微分交叉相乘模块、第二微分交叉相乘模块、减法器和积分器；信号处理与通信***主要由DSP处理器、串口和第一3G模块依次相连组成；人机交互***主要由第二3G模块和计算机相连组成；

低同调长度高功率光源通过第一单模光纤与光环行器的一个端口连接，光电探测器通过第三单模光纤与光环行器同侧的另一个端口连接，光环行器异侧的端口通过第二单模光纤与第一耦合器的一个端口连接，第一耦合器异侧的两个端口分别通过延迟光纤和相位调制器与第二耦合器的一个端口连接，第二耦合器异侧的一个端口通过感测光纤与法拉第旋转镜连接；

光电探测器分别与第一混频模块和第二混频模块连接，第一混频模块、第一低通滤波器、第一运算放大器和第一微分交叉相乘模块依次相连，第二混频模块、第二低通滤波器、第二运算放大器和第二微分交叉相乘模块依次相连，第一微分交叉相乘模块和第二微分交叉相乘模块分别与减法器相连，减法器与积分器相连，积分器与DSP处理器连接，第一3G模块与第二3G模块相连。

本发明的有益效果是：本发明采用了同轴式Mach-Zehnder和Sagnac混合干涉型分布式光纤传感技术对管道进行实时监测，整个传感部分由一根铺设在管壁夹层中的光纤构成，可适应水下复杂环境中长输管道的检测。为了降低信号损耗，整个信号感测、解调、处理都在水下模块内完成，并通过3G模块与人机交互***通信，传输管道的实时监测情况，实现实时动态和高速的数据获取。结合计算机科学的因素分析、传递比对、风险预测、可靠性评价，达到快速应急响应的目的。整个装置的传感、信息汇集、远程发送传输可形成一个物联网***，利用其远程监控、批量数据汇集、便于资源共享等优势，实现水下长输管道质量、安全相关的快捷溯源、追踪、查询与管理，从而构建一个区域监控网络，实现陆上监控中心对水下多条长输管线的实时、集中、有效的监测与管理。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图；

图2光路径一示意图；

图3光路径二示意图；

图1中：光纤感测***1、信号解调***2、信号处理与通信***3、人机交互***4、低同调长度高功率光源5、第一单模光纤6、第三单模光纤7、光环行器8、第二单模光纤9、第一耦合器10、延迟光纤11、相位调制器12、第二耦合器13、感测光纤14、法拉第旋转镜15、光电探测器16、第一混频模块17、第二混频模块18、第一低通滤波器19、第二低通滤波器20、第一运算放大器21、第二运算放大器22、第一微分交相乘模块23、第二微分交相乘模块24、减法器25、积分器26、DSP27、串口28、第一3G模块29、第二3G模块30、计算机31、外部设备32、密闭容器33。

具体实施方式

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，包括：光纤感测***1、信号解调***2、信号处理与通信***3和人机交互***4；其中，光纤感测***1包括：低同调长度高功率光源5、光环形器8、第一耦合器10、延迟光纤11、相位调制器12、第二耦合器13、感测光纤14和法拉第旋转镜15；信号解调***2包括：光电探测器16、第一混频模块17、第二混频模块18、第一低通滤波器19、第二低通滤波器20、第一运算放大器21、第二运算放大器22、第一微分交叉相乘模块23、第二微分交叉相乘模块24、减法器25和积分器26；信号处理与通信***3包括：DSP处理器27、串口28、第一3G模块29；人机交互***4包括：第二3G模块30和计算机31。

计算机31包括外部设备32，外部设备32可以为报警器、打印输出设备等。

低同调长度高功率光源5通过第一单模光纤6与光环行器8的一个端口port1连接，光环行器8的端口port2通过第二单模光纤9与第一耦合器10的端口port4连接，第一耦合器10的端口port6通过延迟光纤11与第二耦合器13的端口port8连接，第二耦合器13的端口port10通过感测光纤14与法拉第旋转镜15连接，第一耦合器10的端口port7通过相位调制器12与第二耦合器13的端口port9连接，感测光纤14布放在长输管道P表面的夹层中，光环行器8的端口port3通过第三单模光纤7与光电探测器16连接，光电探测器16分别与第一混频模块17和第二混频模块18连接，第一混频模块17、第一低通滤波器19、第一运算放大器21和第一微分交叉相乘模块23依次相连，第二混频模块18、第二低通滤波器20、第二运算放大器22、第二微分交叉相乘模块24依次相连，第一微分交叉相乘模块23和第二微分交叉相乘模块24分别与减法器25相连，减法器25与积分器26相连，积分器26与DSP处理器27连接，DSP处理器27、串口28和第一3G模块29依次相连，第一3G模块29与第二3G模块30相连，第二3G模块30与计算机31相连。

感测光纤14布放在长输管道P的夹层中，长输管道P的最内层为耐压钢管，耐压钢管内表面涂有防腐涂料，耐压钢管外为一层由绝缘材料构成的绝缘层，绝缘层外为由聚乙烯材料构成的套管，聚乙烯套管外为混凝土层，在混凝土层中置入贯穿长输管道P始末的坚韧微管形成一个夹层，感测光纤14置于该夹层中，该夹层具有防腐蚀，抗电磁干扰，保护光纤不受损害的功能。

光纤感测***1中，第一耦合器9、第二耦合器12均为2×2耦合器（分光比为50:50）。光纤感测***1中的低同调长度高功率光源5、第一单模光纤6、第三单模光纤7、光环形器8、第二单模光纤9、第一耦合器10、延迟光纤11、第二耦合器13、法拉第旋转镜15、相位调制器12，信号解调***2信号处理与通信***3中的DSP处理器27、串口28都置于密闭容器33中，并布放在水下，所以密闭容器33应耐腐蚀和抗电磁干扰；第一3G模块29置于水上，在安装时要做好隔离保护，以免损坏；人机交互***4布放在陆地监控中心。

本发明的工作原理：光纤感测***1采用同轴式Mach-Zehnder和Sagnac混合干涉型分布式光纤感测架构，整个传感部分由一根铺设在管壁夹层中的光纤构成，可适应水下复杂环境中长输管道的检测，检测时由低同调长度高功率光源5发出的光通过第一单模光纤6进入光环行器8，从光环行器8的端口port2射出后通过第二单模光纤9进入第一耦合器10，第一耦合器10输出的光功率按50:50分成两路（形成两个光路径），其中，具体参见图2，路径一光从第一耦合器10的端口port6输出，经过延迟光纤11从第二耦合器13的端口port8输入，然后从第二耦合器13的端口port10输出，经过感测光纤14进入法拉第旋转镜15，被法拉第旋转镜15反射后的光再通过感测光纤14进入第二耦合器13的端口port10，从第二耦合器13的端口port9输出的光经过相位调制器12调制后进入第一耦合器10的端口port7（部分光从第二耦合器13的端口port8输出，经过延迟光纤11后进入第一耦合器10的端口port6，此束光与路径一、二的光不满足零光程差条件，所以没有干涉现象，因此不作考虑），与路径二的光在第一耦合器10中发生干涉后，通过第二单模光纤9进入光环行器8，从光环行器8的端口port3输出的光经第三单模光纤7进入光电探测器16。

具体参见图3，路径二的光从第一耦合器10的端口port7输出，经过相位调制器12调制后进入第二耦合器13的端口port9，然后从第二耦合器13的端口port10输出，通过感测光纤14进入法拉第旋转镜15，被法拉第旋转镜15反射后的光再通过感测光纤14进入第二耦合器13的端口port10，然后从第二耦合器13的端口port8输出，经过延迟光纤11进入第一耦合器10的端口port6（部分光从第二耦合器13的端口port9输出，经过相位调制器12后进入第一耦合器10的端口port7，此束光与路径一、二的光不满足零光程差条件，所以没有干涉现象，因此不作考虑），与路径一的光在第一耦合器10中发生干涉后，通过第二单模光纤9进入光环行器8，从光环行器8的端口port3输出的光经第三单模光纤7进入光电探测器16，光电探测器16将感测光信号转化为电信号，然后给该电信号分别乘上两个倍频信号，一个信号经过第一混频模块17、第一低通滤波器19、第一运算放大器21、第一微分交叉相乘模块23，另一个信号经过第二混频模块18、第二低通滤波器20、第二运算放大器22、第二微分交叉相乘模块24，然后两个信号经过减法器25和积分器26后完成解调，通过DSP处理器27的内部A/D对解调信号进行采样，然后完成信号处理和泄漏点定位计算，为了降低信号损耗，整个信号感测、解调、处理都在水下模块内完成，再通过串口28与水面上的第一3G模块29通信，传输管道的实时监测情况，实现实时动态和高速的数据获取，由信号处理与通信***3的第一3G模块29通过无线方式与人机交互***4的第二3G模块30通信，最后由计算机31显示管道监测信息和有关数据，实施泄漏报警，结合计算机31科学的因素分析、传递比对、风险预测、可靠性评价，达到快速应急响应的目的，并可由外部设备32输出声、光警报信号和打印纸质管道检测信息。

该装置的管道泄漏检测与定位原理是：当管道沿线某处发生泄漏时，泄漏流体与泄漏孔壁的摩擦会在管壁上产生应力波，此应力波会对铺设在管壁特殊夹层中的感测光纤14产生扰动，通过光纤的应力应变效应对光纤中传输的光信号相位进行调制，延迟线圈11的存在使沿两个光路径传输的光波通过泄漏点S的时间不同，泄漏场对两条光路径的光波的相位调制也不同，两束光产生相位差且满足零光程差条件，所以在耦合时发生干涉。（没有泄漏时，沿两条光路径传输的光没有相位差，不发生干涉）因此可以通过实时监测光纤中干涉光信号的情况，经过信号解调和处理确定泄漏状况和泄漏点位置，并通过位于水面的第一3G模块29与位于监控中心的人机交互***4的第二3G模块30通信，从而使陆上工作人员能够实时获取管道监测信息。

Claims

1.一种基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，其特征在于，它包括：光纤感测***（1）、信号解调***（2）、信号处理与通信***（3）和人机交互***（4）等；

其中，光纤感测***（1）包括：低同调长度高功率光源（5）、光环形器（8）、第一耦合器（10）、延迟光纤（11）、相位调制器（12）、第二耦合器（13）、感测光纤（14）和法拉第旋转镜（15）等；信号解调***（2）包括：光电探测器（16）、第一混频模块（17）、第二混频模块（18）、第一低通滤波器（19）、第二低通滤波器（20）、第一运算放大器（21）、第二运算放大器（22）、第一微分交叉相乘模块（23）、第二微分交叉相乘模块（24）、减法器（25）和积分器（26）；信号处理与通信***（3）主要由DSP处理器（27）、串口（28）和第一3G模块（29）依次相连组成；人机交互***（4）主要由第二3G模块（30）和计算机（31）相连组成；

低同调长度高功率光源（5）通过第一单模光纤（6）与光环行器（8）的一个端口连接，光电探测器（16）通过第三单模光纤（7）与光环行器（8）同侧的另一个端口连接，光环行器（8）异侧的端口通过第二单模光纤（9）与第一耦合器（10）的一个端口连接，第一耦合器（10）异侧的两个端口分别通过延迟光纤（11）和相位调制器（12）与第二耦合器（13）的一侧的两个端口连接，第二耦合器（13）异侧的一个端口通过感测光纤（14）与法拉第旋转镜（15）连接；

光电探测器（16）分别与第一混频模块（17）和第二混频模块（18）连接，第一混频模块（17）、第一低通滤波器（19）、第一运算放大器（21）和第一微分交叉相乘模块（23）依次相连，第二混频模块（18）、第二低通滤波器（20）、第二运算放大器（22）和第二微分交叉相乘模块（24）依次相连，第一微分交叉相乘模块（23）和第二微分交叉相乘模块（24）分别与减法器（25）相连，减法器（25）与积分器（26）相连，积分器（26）与DSP处理器（27）连接，第一3G模块（29）与第二3G模块（30）相连。

2.根据权利要求1所述的基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，其特征在于，所述的光纤感测***（1）的低同调长度高功率光源（5）、第一单模光纤（6）、第三单模光纤（7）、光环形器（8）、第二单模光纤（9）、第一耦合器（10）、延迟光纤（11）、相位调制器（12）、第二耦合器（13）和法拉第旋转镜（15），信号解调***（2），信号处理与通信***（3）的DSP处理器（27）和串口（28）均置于密闭容器（33）中，并布放在水下；所述感测光纤（14）布放在长输管道的夹层中。

3.根据权利要求1所述的基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，其特征在于：所述通信***（3）的第一3G模块（29）布放在水面上，人机交互***（4）布放在陆地。

4.根据权利要求1所述的基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，其特征在于：所述计算机（31）包括外部设备（32），外部设备（32）可以为报警器、打印输出设备等。