基于相干瑞利散射的管道安全光纤预警系统

安 阳，靳世久，冯 欣，封 皓，曾周末

基于相干瑞利散射的管道安全光纤预警系统

安 阳，靳世久，冯 欣，封 皓，曾周末

(天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室，天津 300072)

将相位敏感光时域反射计应用于油气管道安全监测领域．首先通过理论分析其探测原理，推导出干涉光强与光纤折射率的对应关系，从而论证了该方法的可行性；然后提出了一套新的信号处理方案，从空域及时域两方面对信号进行了处理．空域上，在传统移动平均算法的基础上引入间隔参数并提出一种新的差值算法，提高了信号的信噪比并降低了系统运算量；时域上，提取了入侵位置对应的时域信号并通过采用时频分析以及小波滤波的方法直观表现了外界入侵事件的时域特征．现场实验结果表明，该系统能有效探测到外界入侵事件并进行精确定位，差值信号信噪比达到7.8,dB，定位结果标准差在10,m以内．

管道安全预警；分布式光纤传感器；相干瑞利散射；信号处理

管道运输作为石油、天然气最为经济合理的运输方式，对国民经济发展产生积极的作用．随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展．近年来，由于我国管道的老龄化和第三方破坏形势的日益严峻，如何利用各种新方法、新技术，在管道因各种威胁事件(如打孔盗油、机械开挖以及滑坡、泥石流等)所导致的泄漏之前给出预警信息并准确定位，从而对泄漏事故防患于未然，是我国管道安全运行和发展所面临的重大挑战．

目前，本课题组研究的基于双马赫曾德干涉仪的分布式光纤管道安全预警系统已经在全国多条油气管线上安装使用并成功阻止多次人工盗油及机械挖掘事件，取得了良好的经济效益及社会效益[1-4]．然而该系统需要使用沿管道同沟铺设的光缆中的3根或5根纤芯构成振动传感器[4]，而实际情况中冗余纤芯数量往往不足，因此限制了该系统的现场应用．国内有学者将光时域反射(OTDR)技术应用于管道泄漏监测领域，通过测量漏油事件引起的光纤微弯损耗[5-6]或者温度变化[6]来定位漏油事件，然而该方法使用的是传统OTDR，只能静态检测漏油事件，无法监测第三方破坏等管道周围的动态入侵事件．

因此，本文将相位敏感光时域反射计[7-12]应用于管道安全监测领域，从而在第三方入侵事件导致泄漏之前给出预警信息并准确定位．与传统OTDR类似，相位敏感OTDR中注入光纤的同样为脉冲光，不过为了增强瑞利散射的干涉效果，需要采用超窄线宽的激光光源[9-11]．该系统能够响应外界扰动对光相位的调制[12-14]，通过分析瑞利散射曲线的变化，就可以监测光纤周围的动态入侵事件．笔者首先从理论上分析了该系统的探测原理，论证了该方法的可行性；然后，针对原始干涉信号的处理，提出了一种新的移动平均算法用以消除高频随机噪声以及温度或者应变变化引起的一些低频干扰信号的影响．另外，通过提取对应位置的时域信号并采用短时傅里叶变换(STFT)及小波滤波的方法直观地表现了外界入侵事件的信号特征．现场实验结果表明，该系统可以有效探测到外界入侵事件并能精确定位．

1 系统结构及原理分析

图1所示为系统结构原理．超窄线宽光源发出的连续光通过偏振控制器后被声光调制器调制为脉冲光然后通过环形器进入传感光纤，传播过程中脉冲光会在光纤各处形成背向瑞利散射光并最终返回环形器．因使用超窄线宽光源，散射光之间具有极强的相干性，因此脉冲宽度范围内的散射光会在环形器处发生干涉．干涉信号经过雪崩光电探测器(APD)转化为电信号，然后通过DAQ采集卡采集并输入工控机进行处理．

图1 系统结构示意Fig.1 Schematic configuration of the system

在时间尺度上分析(如图2所示)，假设注入光纤中的脉冲宽度为τ，以脉冲上升沿δ(t)为时间基准，则实际脉冲光可以看作无数理论上的光脉冲δ(t-Δt), Δt ∈[0,τ]叠加的结果．假设上升沿对应的理论光脉冲到达某一位置的时刻为t0，则其引起的散射光传回首端环形器的时刻为2t0，此时脉冲光下降沿δ(t0－τ)引起的散射光传回首端的时刻为t0+(t0+τ)＝2t0+τ．光纤环形器上所形成的干涉结果其实质为同一时刻到达首端的散射光的矢量叠加和，因此假设t1时刻，光脉冲δ(t1－τ)引起的散射光也在2t0时刻传到首端，则

由式(1)可得t1＝t0－τ/2，因此可以得出，在2t0时刻，首端环形器接收到的光信号为t0－τ/2到t0时刻间脉冲宽度区域内所有理论光脉冲的散射信号干涉结果．

图2 系统干涉原理示意Fig.2 Schematic diagram of the system interference

从空间尺度上考虑，假设光纤中传播的脉冲光宽度为L，仍以脉冲光上升沿为基准，在t0时刻，δ(t)在L0位置处，其引起的散射光传回首端的时刻为2nfL0/c，其中c为光在真空中的传播速度，nf为光纤折射率．根据干涉条件，假设L1位置处的脉冲光下降沿在同一时刻传回首端，则

由式(2)可得L1＝L0＋L/2．此时的时刻为nf(L1-L)/c=nf(L0-L/2)/c=t0-τ/2，这一结论与上述时间尺度的分析正好一致．

根据光的波动公式，l位置处返回的理论光脉冲复振幅可以表示为

式中：A为光波振幅；λ 为真空中光波的波长．则根据叠加原理，光脉冲宽度内所有理论光脉冲的合振动可以表示为

由此可以得到合振动的光强，即

从以上理论分析可以得出，当光脉冲在理想光纤中(光纤各处折射率为常数)传播时，返回的信号光强仅为脉冲宽度的函数，因此，当脉冲宽度恒定时，各处返回的光信号光强应保持不变．实际情况中，由于光纤的制作工艺、掺杂比率以及各处光纤扭曲与弯曲情况不尽相同，导致光纤各处折射率不同，由式(5)可知，各处光强可能处于干涉增强或者干涉消隐状态，因此散射曲线呈现出光强随距离而变化的锯齿状波形．当外界无入侵事件发生时，锯齿状波形应保持稳定．当外界有入侵发生时，会引起相应位置处光纤折射率的变化，因此探测器接收到的瑞利散射干涉信号光强将发生变化．通过计算不同时刻瑞利散射曲线之间的差值即可检测外界入侵引起的光强差异，差值曲线中尖峰对应位置即为入侵事件的位置．

现场实验在大港-枣庄成品油管道展开，监测距离约23,km．系统采用的传感光缆为与管道同沟铺设的GYTA六芯单模通讯光缆，位于管道正上方约30,cm，与地面垂直距离约1.5,m．通过在管道沿线上方地表进行人工挖掘及夯砸模拟外界入侵事件(如图3所示)，根据地表管道桩判断实验地点距离光缆首端(大港输油站)约12,km．

图3 现场实验示意Fig.3 Schematic diagram of field experiment

实验系统的搭建如图1所示．其中光源采用NP photonics公司的超窄线宽光源，线宽为3,kHz，峰值输出功率90,mW．光电探测器采用THORLABS公司生产的APD雪崩光电探测器．声光调制器的输入脉冲调制信号由工控机控制FPGA生成，而且通过上位机程序可以实现脉冲频率和脉冲宽度的调节．信号采集卡(DAQ)使用NI公司生产的NI-5122高速采集卡，最高采样频率可达100,MHz．为了保证每一光脉冲引起的瑞利散射信号都被记录，采集卡设定为触发采集模式并且触发源为FPGA生成的脉冲信号．为了避免相邻原始曲线之间产生叠加干扰并考虑到系统的实时性要求，FPGA输出脉冲频率设定为1,kHz．在OTDR系统中，脉冲频率确定的情况下，脉冲宽度可以影响系统空间分辨力及探测距离，脉冲宽度越宽，探测距离越远，空间分辨力越低，反之亦然[8]．经过多次验证，实验中脉冲宽度的取值为500,ns．由空间分辨力ΔZ与脉冲宽度τ之间的对应关系ΔZ=cτ/2nf可知，此时系统的理论空间分辨力为50,m．

2 信号处理与实验结果分析

2.1 平均算法与差值算法

为了滤除信号中随机噪声的影响获得平稳的测试曲线，与传统OTDR一样，需要先将触发采集到的原始曲线数据通过平均运算进行处理，一般采用的平均算法为分离平均算法[12]和移动平均算法[13]．假设特定时间段内采集到的原始曲线数目为M，平均次数为N，则由分离平均算法和移动平均算法分别得到int(M/N)和M-N＋1条平均曲线．

然而，由于通过分离平均算法得到的平均曲线之间存在一定的时间间隔，所以除了外界入侵信号引起的尖峰以外，差值曲线中很可能存在一些不能用平均算法滤除的低频干扰噪声引起的尖峰．采用移动平均算法虽然可以消除干扰噪声的影响，不过相邻两条平均曲线之间差异不明显，因此降低了差值曲线的信噪比．另外，由于移动平均算法得到的平均曲线数量较多、运算量较大，所以无法应用于对实时性要求较高的管道安全预警系统．

为了提高信号的信噪比，降低系统运算量，笔者提出了一种新的移动平均算法来对原始数据进行处理．假设特定时间段内采集到的M条原始曲线表示为r={r1,r2,…,ri,…,rM}，平均次数为N，引入1个间隔参数n，即两次平均运算的起始点间隔为n，这样平均曲线可以表示为T={T1,T2,…,Ti,…,Tk}，其中k=int((M-N)/n)+1而且

为了突出平均曲线中的光强差异，锐化差值曲线中的尖峰，将得到的平均曲线逐级相减并取绝对值相加就可以得到最终的差值曲线为

图4显示了采集到的原始信号经过上述算法处理后得到的实验结果．

图4 现场实验结果Fig.4 Field experiment results

其中，原始曲线数目M＝1,000(即1,s内采集到的数据)，平均次数N＝100，间隔参数的取值应在保证信号信噪比的前提下适当增大以降低系统运算量，经过多次实验验证，间隔参数最终取值为n＝5，所以图中所示为181条平均曲线叠加的结果．从图4(a)中可以看出散射曲线在大约23,km以后光强为零，与传统OTDR测量结果一致，不过由于干涉效应，瑞利散射曲线显示为之前理论分析推导出的锯齿状波形．图4(b)显示了平均曲线叠加在11.7～12.0,km范围内的放大，从该图中可以看出，由于入侵事件的影响，叠加曲线的幅值在大约11.85,km处出现明显抖动，而在其他位置所有曲线幅值一致性较好．

将上述平均曲线按照式(7)进行处理即可得到差值信号，如图4(c)、(d)所示．经过实测，图中尖峰信号对应距离为11.85,km且信噪比为7.8,dB，与实际实验位置相吻合．因此通过检测差值信号中是否存在过阈值的尖峰及其对应位置即可实现对外界入侵事件的监测及定位．实验中，当间隔参数n＝1、100(即相当于传统平均算法和分离平均算法)时，得到的差值曲线信噪比分别为3.5,dB和4.8,dB，从而验证了本文提出的算法可以有效提升系统的信噪比．

图5 并发扰动事件探测结果Fig.5 Detection results of two simultaneous vibration events

由于采用了OTDR的定位原理，因此本系统可以对传感光纤沿线不同位置处的并发扰动事件进行探测．图5显示了在管道上方地表相距约150,m处同时进行人工夯砸实验得到的差值曲线．从图中可以看到扰动引起的两个明显的尖峰，对应位置分别为11.85,km和12.01,km．另外，从差值信号局部放大图中可以看到，按照尖峰3,dB衰减计算，系统空间分辨力约为50,m，与理论计算的结果一致．

2.2 时域信号提取与小波滤波

为获得入侵事件的具体信号特征，将原始散射曲线中对应相同位置处的采样点连接成一条曲线得到该位置处的振动时域信号，该时域信号的采样率等于脉冲调制信号的频率，本实验中为1,kHz．图6(a)显示了原始曲线中对应于11.85,km位置处的采样点的连接结果，其中总采样点数为6,000，即6,s的时域振动信号．

从图中可以看出，由于管道沿途环境较为复杂，时域信号受到噪声干扰较为严重，模拟入侵事件引起的振动信号不是很明显．将上述信号进行短时傅里叶变换(STFT)得到其时频特性，如图6(b)所示．从图中可以明显看出人工夯砸信号的对应时间及其宽频带特征和噪声信号的频率分布．

图6 11.85,km位置处时域波形及STFT时频Fig.6 Time domain signal acquired corresponding to the distance of 11.85,km and time-frequency graphic of time-domain signal

为了滤除时域波形中的噪声，提取夯砸信号，通常采用滤波器的方法，不过从时频图中可以看出，由于噪声信号存在高频谐波分量，简单的滤波器已经无法准确提取敲击信号，因此采用了小波滤波方法．其中，小波函数采用db08小波[15-16]，分解层数为6层，将每层的高频分量进行硬阈值量化并重构后得到的信号如图7所示．从图中可以看到，经过小波滤波处理以后获得的时域信号中模拟入侵事件清晰可辨，动作节奏十分明显．

图7 小波滤波后的时域信号Fig.7 Time-domain signal after wavelet filtering

为了测试系统定位稳定性，由上述处理方案得到50组定位结果，如图8所示．从图中可以看出，由于采用OTDR的定位原理，系统定位精度较高，50次定位结果的标准差为5.89,m．

图8 重复实验定位结果Fig.8 Positioning results of repeated trials

3 结 语

本文将相位敏感OTDR应用于油气管道安全监测领域．首先从理论上分析了该方法的探测原理及可行性．然后在信号处理方法上，从空域及时域两个角度对信号进行了处理，降低了系统运算量并提高了差值信号探测灵敏度，而且通过提取信号的时域波形并进行小波滤波处理直观地表现了入侵事件的信号特征．经过实验验证，该系统能及时探测外界入侵事件并能精确定位，差值信号信噪比可以达到7.8,dB，50次重复实验定位标准差在10,m以内．

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(责任编辑：赵艳静)

Optical Fiber Pipeline Security Pre-Warning System Based on Coherent Rayleigh Scattering

An Yang，Jin Shijiu，Feng Xin，Feng Hao，Zeng Zhoumo
(State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instrument，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The phase-sensitive optical time domain reflectometer(OTDR)is used in oil and gas pipeline safety monitoring. In this paper，the detection principle of the pipeline security pre-warning system based on coherent Rayleigh scattering was firstly analyzed，and the corresponding relationship between the interference light intensity and the optical fiber refractive index is derived，which proved the feasibility of the system. A new signal processing scheme was then proposed，which processed the signal from both space and time domains. In space domain，an interval parameter was introduced into the traditional moving averaging algorithm so as to improve the SNR of the signal and reduce the system computation amount. Besides，the time-domain signal corresponding to the intrusion positionwas extracted，and the time-domain characteristic of intrusion signals was demonstrated through time-frequency analysis and wavelet filtering method. The field experimental results show that the system can effectively detect and precisely position external vibration events. The SNR of differential signal can be as high as 7.8,dB，and the standard deviation of positioning results is less than 10,m.

pipeline security pre-warning；distributed optical fiber sensor；coherent Rayleigh scattering；signal processing

O439

A

0493-2137(2015)01-0070-06

10.11784/tdxbz201308012

2013-08-06；

2013-10-14.

国家自然科学基金资助项目(61240038)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51004076)．

安 阳（1986— ），男，博士.

靳世久，shjjin@tju.edu.cn.

时间：2013-11-04.

http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131104.1421.003.html.