基于分布式光纤传感的地下金属管道测量与定位分析

黄 瑛，谢 丹，杨立树，王丽娜

（湖州创新国土测绘规划设计有限公司，浙江 湖州 313000）

由于近几年地下金属管道引发的事故问题频发，因此该领域相关研究人员逐渐将研究重点转向针对地下金属管道的测量和定位当中，提出了多种针对地下金属管道事故问题的测量与定位方法[1]。但由于研究水平的有限，加之对各项技术的利用不充分，使得现有方法在实际应用过程中均存在虚警率高、无法精准找到泄漏位置、测量及时性差等问题。因此，针对上述问题本文将开展基于分布式光纤传感的地下金属管道测量与定位分析研究。

1 基于分布式光纤传感的地下金属管道测量与定位方法设计

1.1 基于分布式光纤传感的测量信号采集

在对地下金属管道进行测量时，为判断其是否存在泄漏现象，首先应当从对测量信号采集的角度入手，开展对本文方法的实际研究。根据地下金属管道日常运行特点，本文选择SuperHawk6580 型号的分布式光纤传感器装置作为本文方法主要技术的基础设备，其具体应用方式为：

第一步，通过TCP 通信协议，接收SuperHawk6580型号分布式光纤传感采集端远程传输得到的信号数据，并将其相应的采集结果绘制成图形形式，在显示界面当中展示。

第二步，单击显示界面当中的保存按钮，确保从SuperHawk6580 型号分布式光纤传感采集到的温度数据和图像数据信号能够有效存储在上位机当中。

第三步，分布保存结果，在上位机当中选择保存下来的历史数据或图像，对采集到的历史数据进行计算和分析，并将最终结果进行显示，提示出地下金属管道是否存在泄漏问题，并给出明确的泄漏位置。

针对采集到的信号，需要在上位机当中设定相应的测量阈值，再利用SuperHawk6580 型号分布式光纤传感器对其进行采集和分析。在对信号进行采集时，为确保后续测量分析和定位的精度，还需要对采集到的信号进行小波去噪处理。本文利用小波变换的方法对信号进行去噪，首先对采集到的信号进行小波分解，将其划分为N 个不同层次结构，本文以N 的取值为3为例，得出如图1 所示的小波分解示意图。

图1 分布式光纤传感器采集信号小波分解示意图

其次，完成对分布式光纤传感器采集信号小波分解后，选择适合的准则，为小波分解得到最高的频率小波系数的阈值进行量化[2]。最后，对量化后的各层次结构中的高频小波系数和低频系数进行小波逆变换处理，从而对去除噪声后的信号进行重构。以此，为后续测量分析和定位提供条件。

1.2 地下金属管道泄漏测量分析

在SuperHawk6580 型号分布式光纤传感器光纤每隔0.25m 的位置上，测量一个温度数据，当采集到的一整组完整的数据之后，对采集到的数据进行平均值求取，并将该组数据当中的最大值和最小值与平均值的偏差计算得出。最后，通过对该偏差值与事先设定的测量阈值进行比较的方式，判断地下金属管道是否存在故障问题。同时，测量得到的数值超过设定的阈值范围，则证明地下金属管道存在故障问题，反之，测量得到的数值未超过设定的阈值范围，则证明地下技术管道不存在故障问题，可进行正常使用。同时，为了保证测量分析结果的客观性，本文采用聚类分析的方法，根据对地下金属管道一批样本的多个观测指标，找出一个能够实现对样本中所有采集到的信号进行衡量的相似程度统计量作为依据，将相似程度较大的采集信号划分为一类，另一类为相似程度较小的采集信号。相似程度的计算公式为：

公式（1）中，d 表示为相似程度；xi表示为某一采集信号样本与衡量信号相似程度的阈值之间的距离，x’i表示为衡量信号相似程度的阈值；i 表示为采集到的信号样本编号；p 表示为一组地下金属管道上所有的测量信号个数。根据上述公式（1）计算得出相似程度，并根据上述分类方式进行分类，以此将存在异常泄漏的信号与正常信号区分，从而确定被测量的地下金属管道是否存在泄漏问题。

1.3 管道泄漏定位

在完成对地下金属管道是否存在泄漏问题的判断后，还需要明确具体泄漏点的位置。分别在分布式传感光纤上取30 组无泄漏的信号，按照采集过程中的顺序，将其依次划分为初期信号、中期信号和后期信号，并分别对其进行累加平均处理，得到初级模板[3]。将模板与实际被测量的地下金属管道采集到的信号进行对比。对无泄漏信号与最终阈值信号进行对比，并将对比结果作为差值信号，将所有差值信号依次得出并进行比较。结合地下金属管道在传输介质的过程中其周围温度的变化特点作为依据，根据没有发生泄漏问题的地下金属管道采集到的测量信号确定阈值信号，对比阈值信号与泄漏信号之间的关系，以此找出温度发生明显改变的节点，则该节点即为地下金属管道具体的泄漏位置。

2 对比实验

为进一步验证本文提出的基于分布式光纤传感的地下金属管道测量与定位方法在实际应用中的性能，本文将该方法与传统方法针对同一实验对象进行实际操作，并验证最终两种方法的效果。选择某城市地下输气管道作为实验对象，该管道的外部直径为35mm，管壁厚度为2.5mm，总长度为5.5m，将该管道划分为五个不同区域，分别在1.1m、2.2m、3.3m、4.4m 位置上进行标记。在管道内部放置一个直径为2.25mm 的小孔用于作为泄漏孔，通过高压气传输装置，向管内输送1.25MPa 气体。为确保实验结果的客观性，将实验过程中的各项参数均设置为相同数值。针对本文提出的方法而言，将折射率为1.246 的光纤作为本文传感光纤，采用PE包对其进行全面覆盖。同时，将延迟光纤设置为1500m，将测量光纤设置为7500m，将ASE 输出的最大光功率设置为12.6dB，将光谱范围设置为1426mm～1523mm 范围以内。实验过程中，采用由NI 企业生产的数据采集装置对实验产生的各项数据结果进行测量和分析，并通过数据采集装置内部计算功能，对两种方法的虚警系数进行计算。将实验结果记录如表1 所示。

表1 两种方法实验结果对比表

表1 中虚警系数是指在测量和定位过程中两种方法存在的误差，因此虚警系数数值越大表示该方法的测量和定位精度越低，反之，虚警系数数值越小，则表示该方法的测量和定位精度越高。通过表1 中的数据可以看出，本文方法的虚警系数明显低于传统方法。因此，通过对比实验进一步证明，本文提出的基于分布式光纤传感的地下金属管道测量与定位方法与传统方法相比具有更高的精度，将该方法应用于实际能够有效提高地下金属管道的管理效率，从而为地下金属管道的安全、稳定运输提供保障。

3 结束语

为解决地下金属管道的实时测量与监测问题，本文通过引入分布式光纤传感技术，开展对其测量与定位方法的设计研究，通过研究提出一种全新的测量与定位方法并通过实验进一步证明了该方法的应用效果。但由于研究水平的有限本文在设计方法时并未考虑到光纤的布放问题，因此在实际应用中可能会由于光纤布放位置不佳造成测量结果存在出入的问题。因此，在后续的研究中还将针对这一问题进行更加深入的研究。