基于分布式光纤传感的振源距离估测方法

杨玥 董雷 明昌朋

（武汉理工光科股份有限公司 湖北省武汉市 430223）

1 引言

油气管道是国家的能源动脉，第三方施工导致的意外事故是造成我国油气管道事故的主要原因。分布式光纤传感技术使用与油气管道同沟敷设的通信光缆作为振动传感与信号传输元件，具有长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁等优点，已经在油气管道安全监测领域得到了成功应用。在分布式振动光纤传感系统获得油气管道周围的振动信号后，需要对获得的振动信号进行分析和筛选，判断振动源是否会对管道构成威胁。对发生于离管道较近位置具有破坏性的外界激励进行及时报警，同时降低对离管道位置较远的非破坏性激励振动的报警率，是提升系统运行效果的关键。

2 土壤振动波传播模型

光纤预警系统是一个振动感知系统，外界入侵事件发生时外力作用于地表使地表振动，振动以机械波的形式在土壤中传播，预埋光纤感受到地表振动会激发受迫阻尼振动，应力和应变的作用使光纤中传输光的相位发生变化，后向散射光在光纤中产生干涉，光信号包含有与外界入侵相关的信息，经过分析和处理，可以判定外界入侵事件的发生及其性质。

当出现入侵事件时，外界作用力与地表相互作用，不同振源与地表作用时力的大小、作用时间、能量大小等均有一定差异。将入侵事件简化为点或面作用源，事件作用激发地表的振动，其作用深度、振动频率以及传播特征等与地表的物理特性密切相关。根据分布式振动光纤传感系统获得光纤周围的扰动信息后，针对油气管道周围的防挖掘破话等监测，需要对振动信号在土壤中的传播特性进行分析。油气管道敷设于地底，在受到外界扰动破坏时，其扰动信号首先通过敷设于管道外的土壤传播，进而被作为传感单元的通信光缆探测接收到。

由于油气管道所处野外空旷环境，相对于大地而言其几何尺度可忽略不计，因此可假设管道周围的地质环境一致，同样模式的振动波的传播速度一致。因此可将管道周围的振动波传播模式采用如图1所示。

图1所示给出了振动波的传播特性和光纤传感单元监测信号的示意图，图中的下一部分给出了振动探测信号的时空特征曲线，其中标注的曲线方程可根据图2所示横向定位模型示意图推导得到。具体推导过程如下：

假设振源为O 点，其振动波的传播速度为v，其距离传感光缆最近的点为A 点，振源与传感光缆之间的垂直距离为（线段OA）H，传感光缆上A 点对应的光纤距离为d0，由于振源激励出的振动波具有以振源中心为圆点的圆形波阵面，因此，在传感光缆上A 点为最先探测到振动波波前的位置。假设振源的振动波被传感光缆上A 点探测到的时间点为t0，振动波在探测点C 点接受到信号的时间为t，C 点在光纤上的距离为d。由于波阵面为圆形曲线，则图中存在以下几何关系：

图1：振动信号的时空特性模型

图2：振源定位模型示意图

由以上几何关系可建立如下关系式：

对（2）式进行化简后可以得到如下函数：

此函数便是振动波传播的时空特征函数。基于此函数，在通过光纤传感系统获得了管线周围分布式扰动信号的时空特征曲线后，通过对扰动信号对应的光纤中心点d0、随地质情况而变换的振动波波速v、以及扰动信号在传感光缆上的起始触发时间t0等参数的分析和估算，从而实现对振源与传感光缆之间的横向距离H 的估测。

表1：波速估值数据占比和均值统计

表2：振源距离估测结果统计

3 振源距离估测方法

利用分布式光纤传感技术连续实时的优势，可以在时间-空间维度上，对挖掘信号进行进分析和识别。不需依赖于额外的波速测量仪器，通过对光纤振动信号的采集分析，结合已有各个位置的光缆埋深信息，得到当地的土壤中振动波速估值。再将振动波速估值代入振动源横向距离计算。计算步骤如下：

（1）在光缆沿线划分多个样本采集的区段，需涵盖整个光缆探测范围。

（2）每个区段中：在光缆的正上方，采集多组重锤激励振动信号样本，每个样本包含一次激励信号。同时，记录这个位置对应的光缆埋深H。

（3）对于每组重锤激励振动信号样本：对一段连续空间内振动波到达各个位置的时间点进行定位，并确定离振源最近的位置，具体步骤：

1.设置信号激励阈值Th；

2.对于每个位置的时序信号（记共有n 个位置），找到各自第一个超过激励阈值Th 的时间点，同时对应该位置信息，存储为数组；中的最小值，记为tcen，其对应的位置，记为dcen，即激励最先到达的位置。[dcen,tcen]即离振源最近的光纤位置，振动波到达的时间点；

（5）对于在同一区段采集的所有重锤激励振动信号样本，重复步骤3 和步骤4，继续得到多个v 的估值。

（6）对于由同一区段采集的所有重锤激励振动信号样本，计算得到的所有v 的数值，进行加权平均，即得到这个区段最终的振动波速估值。

（7）对于光缆沿线每个区段，重复步骤2 至步骤6，即可得到光缆沿线各个区段的振动波速信息分布。

4 测试结果

某天然气管线监测段长度约为30km，使用与管道同沟敷设的通讯光缆中的1 芯光纤作为传感器，在管道沿线多个位置进行机械激励样本采集和测试。

其中，在距离探测起点27km的测试区段，已知光缆埋深为2.3m，通过对采集样本的计算分析，得到多个土壤振动波速v 的估值，数据占比和均值统计如表1所示。

对表1 中的数据进行加权平均，得到该处土壤中振动波速估值为195.3m/s。

在这个区段，距离光纤横向50 米、40 米、30 米、20 米、10米的位置依次进行机械挖掘激励，每次激励得到多组，将此处振动波速195.3m/s 代入振动源横向距离计算将所得结果取均值，即为振动源横向距离估测结果。在5 个位置的振动源横向距离估测结果如表2所示。

由表2 的测试统计结果可以看出，本次激励测试，当振源在距离光纤10m-50m 位置进行激励时，系统的单次估测误差≤10.1m，误差均值绝对值≤2.6m，标准差≤4.5m。

5 小结

本文提出的基于分布式光纤传感系统的振源距离估测方法，能够不依赖于额外的波速测量仪器，直接通过分析光纤振动传感系统所采集的信号样本，结合已有各个位置的光缆埋深信息，获得各监测区段的土壤中振动波速信息，用于代入激励源距离光纤横向距离计算，优化油气管道安全监测的预警效果。距离估算结果能够满足±10m 的精度。