分布式光纤传感器在管道泄漏监测中的应用

分布式光纤传感器在管道泄漏监测中的应用
管道泄漏不仅会造成资源损失和环境污染，石油、天然气等易燃易爆品输送管道的泄漏甚至会产生火灾爆炸，因此对管道进行实时监测，及时发现泄漏和预报隐患就显得十分重要．目前管道泄漏的监测方法主要有基于管内压力、流量、温度和管壁完好程度检测的管内智能爬行机法；基于泄漏产生的物理现象检测的声波、负压波、应力波检测法；利用热红外成像、气体成像、探地雷达的地面间接检测法[1,2],这些方法存在或者定位难，或者不能提前预报泄漏隐患等缺点．针对上述问题，设计一种利用分布式光纤传感器对输送管道的泄漏进行实时在线监测的技术．
分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器，它具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力[3]．利用这一特性，在输送管道铺设的同时铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，拾取管道周围的压力、温度和振动信号，通过对信号的分析和处理，对输送管道泄漏、附近的机械施工和人为破坏等事件进行迅速判断和准确定位，提高管道的监测水平．
1 分布式光纤传感器
光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号的新型传感技术．分布式光纤传感器是利用光纤对沿光纤分布的被测量(环境参数)进行连续测量，同时获取被测量的空间分布状态及其随时间变化的传感器系统．分布式光纤传感器的一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布，将光纤架设成光栅状可测定被测量的二维和三维分布．
分布式光纤传感器可分为反射型和前向传输型．反射型是利用光纤在外部扰动作用下产生的瑞利(Reyleigh)、喇曼(Raman)、布里渊(Brillouin)等效应产生的背向散射光的动态变化进行测量，其特点是在入射端采用光时域反射(OTDR，Optical Time Domain Releetometer)技术来进行大小的测量和空间定位．前向型是利用外界物理量的作用，使光纤两传输模之间发生能量耦合，其特点是在输出端对耦合模进行测量，其频谱特性中的频率反映了耦合点的位置，幅值反映了该位置处被测量的大小．
由于光纤在拉纤阶段二氧化硅由熔融态变为凝固态过程中形成的材料密度和折射率的微观不均匀，当光波在光纤中传输时，导致光纤中的光子与介质分子相互碰撞，弹性碰撞将产生与入射光同频的瑞利散射；非弹性膨胀将使光子的部分能量传递给分子或分子的部分能量传递给光子，产生自发喇曼散射．喇曼散射光在频域可分为波长大于入射光的Stokes光和波长小于入射光的反Stokes 光．Stokes与反Stokes的强度比值的大小与光源强度、光注入光纤的条件、光纤的几何尺寸和结构、光纤材料固有损耗和不均匀性、光路和电路参数无关，只
和该点绝对温度有关[4,5]．布里渊效应是分别将频率可调的一脉冲光和一连续光在传感光纤的两端注入光纤，当两束光的频差处于光纤的布里渊增益带宽内时，两束光在相遇点就会产生布里渊放大效应．如果脉冲光频率高于连续光的频率。

脉冲光的能量就会转移到连续光上；反之，连续光的能量就会转移到脉冲光上．利用Brillouin分析技术[6]，可以测量光纤上任意一点的布里渊频移，根据频移与应变的关系可以得到光纤上的应变分布．
由于横向压力、扰动、温度等物理量能对光纤中光的偏振态进行调制。

因此
当传感光纤是保偏光纤时。

外部的扰动使HE
11x和HE
11
y的偏振态会发生变化，利用
偏振光时域反射POTDR技术检测后向散射光的偏振态信息就可以获得被测量的空间分布状态．
2 泄漏检测的工作原理
光纤的弯曲和抖动将导致模间的能量耦合发生变化，原有在纤芯中的传输模。

一部分会变成辐射模损失掉。

一部分变为泄漏模．由于泄漏模在包层中的损耗比芯区中传输模的损耗大得多。

只能传播几百米。

因此这部分模在远距离测量中不起任何作用．
当输送管道发生泄漏时，泄漏出的液体或气体会对光纤施加作用力，使光纤发生弯曲和抖动。

导致辐射模增大或减小，损耗发生变化．同时当输送管道附近有机械施工或人为破坏时。

也会对光纤施加作用力，损耗也会发生变化．根据传
光理论，弯曲损耗γ存在如下近似关系[7]：
可见弯曲损耗γ正比于光纤芯径r的四次方，反比于光纤外径d和纤芯与包层折射率差的平方．因此为了获得较大的弯曲损耗应该选用芯径r较大，光纤外径d和折射率差较小的光纤．
假设光脉冲在入射端耦合进光纤的光功率为P。

，沿光纤轴线上任一点z，设该点距入射端的距离为z，那么该点的背向散射光返回到入射端时的光功率
为[4,8]：
(1)式中，由于耦合器具有3dB损耗而引入了乘积因子0．5；S(z)是光纤在Z点的
背向散射系数，具有方向性；a
f (x)是光纤前向衰减系数；a
b
(x)是光纤背向衰减
系数；积分表示入射端至Z点的双程衰减．根据从发射光脉冲到背向散射光被反射回来所用的时间和光在光纤中传输的速度来计算距离z。

(2)
是光纤的折射率。

t是信号被发射到返回(双程)式中，c是光在真空中的速度。

N
1
的时间．
在公式(1)中。

当在z点有管道泄漏或其它事件引起的压力和冲击力作用于光纤时，会使一部分传输模变为泄漏模，形成新的损耗，s(z)会随时间发生变化，记为S(z，t)．因此在入射端接收到的来自于z点的背向散射光大小也会发生变化：
(3)
同时z点的损耗也会引起z点向前传播的光功率P(z)发生变化，记为P(z，t)，O表示输出端到入射端的光纤长度，则输出端O的光功率为：
(4)
光脉冲在光纤中向前传播时，不断产生背向散射光，在入射端通过测量背向散射光随时间的变化，根据公式(2)可以获得光纤上不同位置处的损耗特征．为了避免前后脉冲在不同位置产生的背向散射光同时到达入射端，光脉冲周期应大于光在光纤入射端和输出端之间传输时间的2倍，即前一个脉冲在输出端产生的背向散射光已经返回到入射端之后才发送下一个脉冲．这就限制了采样频率，光纤越长，采样频率越低．因此，通过对背向散射光的测量可以获得光纤上各点的静态和较低频率的动态损耗，并完成损耗的定位功能．
在输出端，通过对输出光功率的测量，可以获得光纤上损耗变化的频谱特征．此时输入光脉冲的频率几乎可以不受限制，因此它可以完成光纤总损耗从低频成份到高频成份的测量．由于输送管道的泄漏、管道附近的机械加工和人为破坏所产生的损耗具有不同的频谱特征，它可以用于判定引起损耗的原因和类型．
当输送管道发生泄漏时，泄漏出的高温高压流体或气体使环境温度发生变化，同时还会对附近的光纤施加作用力，使光纤发生弯曲和抖动，导致辐射模发生变化．当管道附近有机械施工或人为破坏时，也会对光纤施加作用力，使光纤的损耗和输出光功率发生变化．利用这一特性，通过对光纤输出光功率频谱的分析，判定输送管道是否有泄漏等事件的发生，通过对背向散射光的测量来进行定位．
3 系统结构
系统的原理结构如图1所示．激光脉冲发生器发出的具有一定宽度和功率的光脉冲经光纤耦合器注入光纤，在光纤中传输，光纤上各点的背向散射光返回到入
射端，经耦合器到OTDR，OTDR对背向散射光进行测量，结果送给计算机数据分析系统，称为背向散射光检测子系统；同时，光脉冲继续向前传播，在光纤的另一端耦合到光功率探测器，转换成电信号，经放大、滤波、模数转换和数字信号处理后，结果也送给计算机，称为输出光功率检测子系统．
图 1 系统结构图
背向散射光检测子系统主要用于光纤上各点静态和动态损耗的测量，完成故障定位的功能．它是一台光时域反射仪OTDR，计算机通过接口向OTDR发送控制指令，接收测量数据．OTDR根据计算机的指令，对光纤的损耗进行动态测量，如某OTDR，工作波长为1300 nm±30 nm时，对多模光纤的测量范围可以达到100 km，脉宽最窄为10 ns，空间分辨率最高可以达到几米，损耗的测试精度为0．05 dB．因此使用OTDR可以实现长距离的测量和很高的定位精度．通过某种特殊的结构设计和包装材料的选择，使得在一般情况下作为通信使用的光纤可以作为传感光纤使用．当光纤受到泄漏气流或流体作用时，发生扰动而产生损耗；当光纤受到应力作用时，特殊的结构设计使得光纤产生微弯损耗；当发生微弱泄漏时，特殊的包装材料和结构设计使得光纤也能发生微弯损耗．当损耗量超过0．05 dB时，可以使用OTDR可以对损耗进行精确定位．定位精度与监测距离有关，受OTDR 系统资源的限制．
输出光功率检测子系统的电路原理如图2所示，它由光电转换、放大滤波、A／D转换和短时傅里叶变换等模块组成．
图 2 光功率检测电路原理图
光电二极管将光纤耦合进来的光功率信号转换成电流信号，通过高性能低噪声运放组成的，I／V电路将微弱的光电流信号转换成电压信号．第二级放大电路中的R4和c组成低通滤波器，可以滤掉信号中的高频噪声；正极性端加一直流偏置电压作为共模信号，使第二级电路对I／V转换电路输出信号中的直流分量进行抑制，对交流信号进行放大．信号再经放大后接数据采集卡，A／D转换后经短时傅里叶变换可以获得信号的频谱．
在实验室环境下，将波长为1310 nm的连续稳定光波经定向耦合器注入50／125um多模光纤中，用空气压缩机和一个4 m3气包作为缓冲池产生一个6个大气压的恒定气流．当气流作用于光纤时，光纤的扰动使光纤的损耗产生变化，光纤输出的光功率也发生明显的变化，图3是实验中获得的光功率变化的频谱特性图中的一幅．可以看出，在一定的频谱范围内有较强的光损耗变化，而一般机械振动产生的损耗则不会出现在这个频段．因此可以将频率分为若干频段，根据损耗在不同频段的能量即损耗信号的能量分布区间来判定泄漏等事件的发生．
图 3 实验中获得的输出光功率的频谱图
因此，将光纤铺设在输送管道附近，当管道发生泄漏，或附近有机械施工和人
为破环时，产生的应力变化和冲击将改变传感光纤的特性和损耗，计算机对光纤输出功率检测子系统获得的数据进行分析和融合，获得沿光纤路径上压力变化和振动信号的频谱特征，判定是否有管道泄漏、机械施工或人为破坏等事件的发生，实现故障类型判定的功能．利用背向散射光检测子系统进行精确定位．
4 结束语
上述提出的利用分布式光纤传感器管道泄漏实时在线监测技术的最大特点是集计算机技术、光电技术和通信技术于一体，利用光纤的物理特性，实现对管道泄漏，管道附近的机械施工和人为破坏等事件进行实时在线监测．它的优点是可以实现远距离分布式监测；测试速度快；既可以测量静态特性，也可以测量动态特性；由于使用了光纤和光信号，可以在危险环境下使用，抗干扰能力强；既可以用于远距离石油、天然气输送管道的实时监测，也可以用于城市供热供气主干网的实时监测．
参考文献：
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