不同地形管道光缆信号综合分析研究

2022-03-29曹文琛郑宇恒冯兰婷高建章

光通信研究 2022年2期

曹文琛，张涛，郑宇恒，沈忱，孙啸，冯兰婷，高建章，杨新，刘晨

(国家管网集团西南管道有限责任公司，成都 610000)

0 引言

由于管道运输的便利性和安全性，其已成为原油、成品油和天然气的重要运输方式[1-3]。但又由于其远距离运输的特点，必然会经过各种复杂的地形，这也就决定了其在运行期间可能会遇到各种问题导致产品泄露，随即带来各种安全隐患[4-5]。

油气管道同沟铺设的通信光缆一方面具有实时通信的作用，另一方面，基于光的瑞利散射原理，采集分析光缆周围的振动信号，可以达到对长输管线光缆进行实时智能监测和提前安全预警的目的[6-8]。为了降低安全事故的发生概率和发生安全事故后的各种损失，基于光纤探测的预警系统应运而生，埋置管道的同时在其旁铺设光纤，之后搭建预警系统进行实时监测[9-11]。

在搭建预警系统的过程中，非常重要的一点是光缆与管道里程的定标，即确定光缆的位置和光缆长度相对于管道长度的详细信息。具体方法是，读取光缆接收的激发源信号最大振幅值处对应的光缆长度，认为是激发点正下方对应的光缆长度，此外还要对管道经过路段各处的信号进行分析总结，针对性地识别不同地形区域下的光缆信号，有效感知外部威胁信号，提前进行预警[12-14]。

1 信号获取

1.1 前期准备

对现有资料进行分析总结，综合考虑得出现场施工所需的各种硬件和软件，并做好充分准备。所需考虑的内容主要包括管道和光缆的各项基本资料以及管道铺设经过的各种地形。

1.2 采集原理

本次实验所使用的采集装置是最新的分布式光纤声波传感器(ultra-sensitive Distributed Acoustic Sensing，uDAS)，整个测量系统由传感光纤、通信光缆、uDAS采集系统和监控中心组成。基于瑞利散射原理：光在传播过程中与光纤介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的弹性散射，通常是用来监测光纤损耗的[15-17]。当使用激发源在管道周围进行振动激发时，基于相干瑞利散射的分布式光纤传感系统向光纤内发射光脉冲信号并接收其产生的后向瑞利散射光，由于系统使用的是高相干光源，与相干长度内产生的后向瑞利散射光相互干涉[18-20]，激发源所产生的振动信号通过土壤传递给传感光纤，使光纤产生微小的形变，由于弹光效应使该处光纤的折射率发生变化，从而使光纤内部激光产生相位的变化，这种变化被散射光携带返回采集系统，通过采集系统的分析处理将最终的结果反馈到监控中心，从而获得需要的振动信号特征和位置信息。采集原理示意图如图1所示。

图1 采集原理示意图

1.3 光缆对振动信号的识别

软件开始运行后，系统首先接收到uDAS采集系统采集到的整条光缆上的振动信号，而后，将小波变换与数据去噪结合形成小波去噪方法对接收到的信号进行针对性去噪处理，尽可能地将无效噪声信号和环境干扰压制与去除，最后，对处理后的数据进行分析，实现对整条光缆接收信号的实时监测。小波去噪方法的流程图如图2所示，该方法不仅能去除无效噪声，还能成功地保留有效信号特征，具有信号特征提取的能力，在这一点上远远优于传统滤波器。

图2 小波去噪流程图

小波变换用小波函数平移和尺度伸缩的组合来实现分析信号的重构。

对于任意函数f(t)，其小波变换可定义为

式中：φ(t)为小波母函数；a为小波母函数的伸缩因子；b为小波母函数的平移因子；φ(a,b)(t)为小波序列。

一维时域空间信号通过小波变换转换到二维空间——时间—尺度空间中，由于小波变换后的信号存在可变的伸缩因子参数，所以小波变换具有分辨率可变的特性。

通过伸缩因子a和平移因子b的改变，可以由小波母函数φ(t)生成一个小波序列φ(a,b)(t)实现对任意信号的分解和重构，实现对该信号的时频分析。小波变换具有如下几个特点：

(1) 具有多分辨率的特性，通过改变伸缩因子a，能从多个方面分析信号；

(2) 实现信号的降噪处理，小波变换相当于带通滤波器，在不同a的条件下，实现不同频带的带通滤波，a越大，其通带的相对频率越低；

(3) 可以表示时和频域信号的局部特征，实现对待变换信号突变点的探测。

2 不同信号对比分析研究

2.1 激发源的对比

在光缆的长期监测过程中，对比了不同激发源的振动信号特征。图3所示为平原区同一位置重锤与高频微型震源激发信号的对比，分析其信号特征可知：重锤激发信号特征明显，成“一”字型，主频为50 Hz，频带宽度10～90 Hz，激发能量是高频微型震源激发信号的37倍；高频微型震源信号特征与背景噪音类似，不易识别，主频为70 Hz，频带宽度60～80 Hz。

图3 光缆长度781 m处，重锤和高频微型震源激发信号与频谱分析图

2.2 农耕前后农田区敲击信号

长距离运输的管道会经过各种复杂地形，将信号大致区分为经过农田、河流和光缆架空等区域。震源激发时，影响信号接收的一个重要因素是激发位置的表层结构差异，即在排除敲击力度等人为因素外，激发位置的土质耦合情况直接影响着信号的质量。

图4所示为在一块玉米地和一块刚翻耕后的庄稼地接收到的敲击信号，玉米地里的秸秆仍未进行处理，土地许久未进行耕作，地层凝实，钢板与地面耦合良好，所接收到的信号清晰干脆，幅值约0.085；刚翻耕后的庄稼地土质松软，严重影响钢板与地面的耦合效果，故而光缆接收到的振动信号衰减严重，幅值为0.01，不及图4(a)信号的1/8，难以识别。

图4 农田敲击信号图

2.3 河流区域敲击信号

无背景噪声时，接收的信号振幅为单峰值，振幅最大处对应激发点正下方的光缆长度值。在河流旁的光缆本身会接收到河流流动的周期性振动信号，这会给激发信号的识别带来一定困难，特别是遇到下大雨涨水的情况，敲击信号基本无法识别。为了改善这一情况，一方面会选择较好的天气进行该段的敲击；另一方面，针对震源的频带宽度进行滤波，获得清晰的信号，不过水流的周期性信号仍无法完全去除。图5所示为河流区域激发信号图。

图5 河流区域激发信号图

2.4 地下水附近敲击信号

在整个监测过程中，有一处很经典的地下水模型区域。图6和7分别为地下水附近和河流区域的敲击信号图，图6中激发位置在河道周边，河道水流噪声在瀑布图中是蓝色框圈起来的部分，由图可知，在重锤信号的附近存在一处持续且强烈的背景噪声，经过在周围反复排查，发现激发位置附近存在一处低势断面，有水流出，怀疑该噪声是地下水在管道和光缆上流动的结果，如图7(a)所示。

图6 地下水附近敲击信号图

图7 地下水区域敲击信号图

对图6红框中的地下水噪声频谱进行分析，发现为低频信号，但全频带存在。将接收信号频率段设置为20～40 Hz，能有效滤掉低频背景噪声和部分河流噪声信号，相对增强激发信号，但地下水噪声无法完全滤掉，如图8所示，当该处噪声覆盖到有效信号时，先通过滤波的方法进行处理，若难以去除，则在附近激发，避开强噪声的影响。

图8 河流区域敲击信号图

2.5 光缆架空区域敲击信号

光缆架空时，背景信号多为光缆受风力影响晃动产生的噪声，幅值在0.2～0.5之间。当在离水泥柱较远的架空光缆下方进行敲击时，不会收到任何敲击信号；当在水泥柱上敲击时，发现整段悬空光缆都会震动，从而产生一大片的不规律噪声信号，难以识别属于重锤敲击特征的信号；当在光缆入地点或出地点敲击时，发现悬空的一段仍是大片噪声信号，但未悬空段能识别明显的敲击信号。图9所示为架空区信号特征图。