光纤传感管道预警技术及全光纤弱磁传感发展研究

于振欣，孙峥

(1.中国船舶集团第七一五研究所,浙江杭州，310023；2.中电海康集团第五十二研究所,浙江杭州，310023)

0 引言

近些年来，随着我国管道事业的不断发展，管道运营管理安全工作在进行中面临这越来越多的挑战。对于石油公司企业而言，在日常工作中如何才能有效保障管道安全使用的前提下进一步降低运营成本是其需要思考的主要问题。当前为了进一步加大对石油管道的保护，人类主要是通过人工巡视、防止第三方人为地破坏等方式。在对管道进行检测中，主要采取的检测技术有负压波、次生波等。然而这些技术只能在管道遭受破坏到发挥作用，并不能采取有效措施对其进行预防。随着技术的不断深入研究，有关于弱磁场的探测吸引着研究人员注意力。然而当前弱磁测量设备的实际发展情况依然无法满足一些极端条件下的需求，因此需要不断对其进行优化。具备高性能以及高灵敏度的弱磁测量设备的研制有着极其广泛的应用空间。通过一定的方式将光导光纤传感器本身所具有的高精度传感线与原子磁力仪技术的高灵敏，与弱磁探测能力密切地结合起来可以为弱磁场的测量提供新的技术支撑。

1 光纤传感管道预警技术

当前人类主要利用光纤传感对管道进行检测，检测时利用管道内部所铺设的光缆作为传感器对管道的状态进行实时监测，有效获取沿线周边土壤所产生的振动信号，并且使其以光纤为圆心的4 米范围内形成有效地保护地带。借助于信息分析技术对传感器所获得的信息进行深度剖析，一旦发现一些可能危及管道安全的事件，及时进行预警。该技术在具体应用中，不但要通过分析计算工作的进行对各类事件的类型及性质进行有效判断，同时还需要通过GIS 及GPS 技术的有效利用世界对事件发生的地点进行有效定位，及时告知技术人员事故发生的具体点位。保障生产管理人员可以快速对事件进行响应，前往工作现场采取有效的措施对其进行处理，防止造成更大的破坏。图1 为光纤传感管道的预警示意图。

图1 光纤传感管道预警示意图

2 基于OTDR 技术管道预警原理及其系统组成

2.1 基于OTDR 技术管道预警原理

为了全面保障输出功率，由光调制解调器进行功率的输出工作，确保在最大程度上输出窄脉冲光。而传感光纤在拥有窄脉冲光之后，将会通过内部结构产生瑞利散射光。其它设备最终得到的叠加光信号是经过光调制以后反射回来的，进入到光接收模块之后形成了光电转换。A/D 转换则是在光电转换工作完成之后，进入到信号采集器当中。为了方便后续分析工作的进行，需要对得到的数字信号进行预处理，而预处理工作则是由信道协处理器完成的。经过分析后得到的最终结果将会监测处理系统当中，从而得到管网周边所产生的一系列震动信息。如果发生线振动信息当中存在对管道造成破坏的隐患，则最终结果会传输到主控器系统当中进行报警活动。因此一旦窄线宽光脉冲以最大功率进行输出之后，为了采样工作的合理进行需要将其向后传播，并且对产生的瑞利散射光干涉信号进行多点采样工作。在采样中要保障采集样本的代表性。采样工作完毕之后对得到的相关数据进行全面分析，最终由系统进行综合判定确定管道是否在使用中发生了第三方破坏。一旦埋设光缆的位置出现一定幅度的震动，很可能会使瑞利散射光在该位置出现相应的变化，从而使与散射光相应的干涉光强产生变化。而后可以通过相关设备及时将前后瑞丽散射信号与前一时刻的后向瑞利散射信号进行相减。差值曲线上发生大幅度变化的干涉信号就是发生扰动的确切位置，具体而言可以通过公式1 进行计算。

3 管道预警系统技术指标及特点

管道预警系统技术指标如表1 所示。该系统在实际应用中有以下几个方面的功能：

表1 管道预警系统技术指标

第一，由于其内部组件的合理配置可以令该系统实现全天候无缝隙实时监测，有效地改变了传统的人工巡检，实现实时监测。在事故发生之前，便可以向工作人员进行预警。

第二，在该系统在应用中对纤芯资源的占有量很少，只需要一根光纤便可以实现相关信号的传输工作。

第三，定位精度非常高。该系统通过把一根特定的光缆划分为几个连续的传感单元，对整条线路的振动信号以及噪声产生的空间进行严格的划分。其实际定位精度可以高达±50 米。

第四，拥有极强的抵抗外界干扰的能力。可以根据环境噪声的具体特性，分别采取针对性的手段对事件进行有效监督。保障几个并行事件之间的监督工作不会受到彼此之间的影响。

第五，具有非常灵敏的监测能力。该系统可以监测到管道附近30 米以内是否存在机械施工行为，管道15 米以内是否存在车辆碾压事件，同时还可以对5 米范围内是否有人类进行活动等进行全面监测。

第六，拥有非常强大的类型识别能力。一旦该系统在应用中发生预警事件，系统立即对事件的类型进行有效识别，识别准确率高达90%以上。而预测事件失误的概率仅占10%。

4 原子弱磁传感总体结构

对于原子弱磁传感而言，为了保障及各项功能的合理发挥。一般采用如图2 所示的基本工作原理。

图2 原子磁力仪工作框图

原子弱磁传感仪系统是由泵浦光光路、检测光光路等部分构造而成。原子磁力仪系统当中的泵浦光光路是由激光器、起偏器以及1/4 波片经过有机配合密切组合而成的。就一般情况而言，当工作人员打开激光器，激光器通过内部元器件功能的发挥发射出一道特定参数的激光束。该激光束后续将会通过起偏器。由于起偏器所具有的重要作用，可以使其变为一束沿着水平方向不断振动的线偏振光。为了有效保障后续工作的正常进行，人们将1/4 波片与起偏器呈现45 度角。在这样的情况下线偏振光一旦经过1/4 波片之后，将会进一步变成左旋圆偏振光。左旋圆偏振光继续向前传播，经过原子气室之后会和位于气室内部的一些原子产生相互作用，原子在吸收左旋圆偏振光所产生的光子能量之后，将会进一步产生能级跃迁，转化为激活状态，从而进一步使得碱金属原子气室的光学特性产生一系列特定的变化。

为了有效保障监测光光路的合理性，研究人员为其配备了激光器、起偏器以及检偏装置。当激光器发射出的激光途经起偏器之后将会变成线偏振光。而线偏振光入射到极化原子气室之后，偏振平面将会发生一定角度的旋转。然后由检偏装置对偏振面的旋转角度进行全面测量，最终得到原子自旋极化率这一重要参数，将该参数代入特定的公式计算后，可以最终得到待测弱磁场的具体大小。

原子磁力仪系统当中不同元器件都有各自特定的作用，对于原子磁力仪系统作用的正常发挥都有着非常重要的意义。其中亥姆霍兹线圈的意义更为重大，通过其作用的正常发挥可以生成待测量的弱磁场；而磁屏蔽筒则可以全面屏壁测量工作进行中来自于外界环境中的一些磁场干扰，从而使得原子气室处于弱磁场的环境当中，实现无自旋交换弛豫状态。通过加热装置可以使得位于原子气室内部的一些金属固态变为气态。除此之外，位于原子气室内原子的密度和加热温度有着非常密切的联系。通过这项特性不难发现，通过调节加热装置可以对原子的密度数进行间接调节。

5 全光纤弱磁传感发展趋势

拥有超高灵敏度的原子磁力仪由于在具体应用中所具有的强大优势，将会是未来探究弱磁测量影领域不可或缺的设备之一。图3 为原子磁力仪的原理示意图。

图3 原子磁力仪原理示意图

相信在不久的将来，医学可以采用该仪器代替常用的SQID，对人类的一些中重要器官进行使图像成像。对一些不易检测的部位如人类的大脑以及心脏等进行有效探测，观察其是否发生病变。当前国外以普林斯顿大学为代表的研究团队，当前已经在原子磁力仪取得了巨大的成就。而国内由于各项因素的影响当前依然处于起步阶段，因此我国需要进一步加大对相关领域的研究力度，研制出更具有更高性能的磁力仪。光纤传感器所能发挥的作用是其他传感器所无法比拟的。这一传感器在具体应用中，拥有超高灵敏性，而且可以抵抗周边环境的腐蚀。除此之外，在实际应用中占地占据空间面积很小，而且拥有较强的干扰能力。以光学科技为基础的光纤传感器可以对各物理量进行精确地测量，同时其鲁棒性也非常高。当前，为了促进自身的竞争力，世界上各个国家都在积极研发光纤传感器。在诸多的研究领域当中，光纤陀螺仪利用光纤中两个偏振模式的赛格纳克效应所产生的干涉来对惯性空间转动角速度进行有效测量。经过多年的研究，当前国内已经实现了10-50/h的高精度惯性测量。通过这些发展不难发现，随着光纤传感技术的不断向前发展以及原子磁力仪在实际使用中具有的高精度性能实现对弱磁的有效探测以及测量技术的高灵敏度、高精度、小型化、集成化是未来的重要发展趋势。

6 结束语

通过管道预警系统作用的正常发挥可以对管道进行全线覆盖，并且对其实现长距离实时监测。在具体应用中拥有较高的灵敏度，而且响应快速，可以对事故发生地点进行准确定位，对于保障我国管道安全有着非常重要的意义。通过该系统的有效应用，可以让管道防护工作变被动为主动。真正的对管道安全进行实时监测，及时发现出现问题的管道并且对其进行有效处理。同时该系统还能及时发现管道中存在的一些微小安全隐患，并且采取有效的预防方案更好的避免了出现大规模安全事故。管道预警系统对我国长输管道有很高的利用价值，对我国经济发展有着十分重要的意义。同时系统全光纤化具备的整体性、封闭性大大地增加了测量装置在基体使用中所具有的稳定可靠性，可以大大降低了外界干扰带来的噪声，从而使得测量装置的精度得到了大幅度提高。