基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統的製作方法

2023-12-03 14:54:56 2

專利名稱：基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統的製作方法
基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統技術領域：
本發明屬於長距離、分布式光纖傳感技術領域，特別涉及一種基於偏振檢測的分布式 光纖輸油氣管線早期預警系統。背景技術：
管道運輸系統作為一種安全、經濟的運輸方法已廣泛應用於石油、天然氣等工業部門 中，然而近年來輸油管道被打孔盜油案件時有發生，造成了巨大的經濟損失，這使得油氣 管線自動監測技術變得日益重要。目前，國內外比較成熟的管道洩漏檢測技術大體可分為內部檢測和外部檢測兩大類， 包括，內部檢測法漏磁通檢測、超聲波檢測、渦流檢測、照相和錄像檢測法；外部檢測 法沿線巡查、高聚物電纜、靜態試驗、質量分析、應力波、壓力差、負壓波法等等。國 內一些石油公司也已經利用上述一些技術實現了管道洩漏的自動檢測與報警，並取得了一 定的成果，例如勝利油田利用負壓波與流量檢測相結合的方法，可以發現管道洩漏並進 行定位，其報警反應時間為200s;中原油田採用智能化聲學檢測及應力波技術，實現了對 輸油管道的實時檢測。但是，上述技術由於受到檢測原理、傳感器性能、採樣點密集度等多種因素限制，很 難同時滿足檢測洩漏靈敏度(只能發現大量洩漏的情況)、定位準確度(500m-1000m)、 誤報警率和及時報警(100s量級)等多項要求。另外，這些方法受周圍環境噪聲的影響較 大，並對監測人員的經驗有很強的依賴性。光纖傳感器以其特有的特點，如抗電磁幹擾、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、體積小、重 量輕、對被測介質影響小以及成本低等，近年來得到了極大的發展。到目前為止，光纖傳 感器己經應用於磁場、電流、聲音、溫度以及壓力等物理量的測量。在各種光纖傳感技術 中，分布式光纖傳感技術集信息的採集與傳輸於一體，並且可以獲得沿光纖分布的被測量 的連續信息，特別適合長距離監測，因此在油氣管線自動監測技術領域具有極佳的應用前分布式光纖傳感技術主要的實現方法包括光時域反射(OTDR)法、幹涉法以及波 長掃描法等。其中，OTDR法利用光的後向散射，包括瑞利散射、喇曼散射和布裡淵散射， 通過測量其光強(瑞利散射)或頻移(喇曼和布裡淵散射)，來檢測外界物理場的應力及 溫度的變化。目前，OTDR技術已經比較成熟，市場上也有相應的產品，但對於長距離管道洩漏監測還有一定的不足(1)傳感器設計麻煩，性價比低；(2)對小洩漏不敏感；(3)監測距離短。幹涉式光纖傳感器是利用光纖受到所監測物理場感應，如溫度、旋轉、壓力或振動等， 使導光相位產生延遲，造成輸出光強度改變，進而得知待測物理場的變化。幹涉式分布光 纖傳感器相對於OTDR技術的優點在於動態範圍大、靈敏度高。幹涉法中主要可以應用 Sagnac幹涉儀、邁克耳遜幹涉儀、馬赫一曾得幹涉儀以及各種幹涉儀混合結構等。但是， 由於光相位對於環境變化非常敏感，基於幹涉法的光纖傳感系統對於後期信號處理無論在 算法，還是在硬體實現方面都提出了很高的要求，目前市場上還沒有比較成熟的方案或產口叩o通過對上述現有技術的分析可以發現，所有技術只能在洩漏後進行報警、定位，屬於 事後防盜，無法在不法分子作案早期進行預警。
發明內容本發明目的是克服現有技術存在的上述不足，針對油氣管線早期預警的要求，提供一 種基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統。該系統結構非常簡單，性價比極高，定位準確，監測距離長，具有很高的靈敏度，並 且光纖鋪設在油氣管線周圍，使之能夠在不法分子作案的早期(挖土階段)進行定位、報 警，從而達到早期預警的目的。本發明提供的基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，包括雷射器，激 光器發出正向傳播的光信號從偏振分束器的第一埠輸入，並從第二埠輸出至傳感光 纖，傳感光纖的末端連接法拉第旋光鏡，正向傳播的光信號經由法拉第旋光鏡反射、其偏 振態旋轉90。後變為逆向傳輸的光信號，該逆向光信號從偏振分束器的第二埠輸入，並 從其第三埠輸出至光電探測器，光電探測器將逆向光的強度信息轉變為電信號傳送至數 字信號處理子系統；其中所述的傳感光纖依附在輸油氣管線上，既作為傳感器使用，同時也作為信號傳輸 鏈路使用，且能夠將傳感線路擾動而造成的偏振態變化經由光電探測器傳送至數位訊號處 理子系統，並將該擾轉變為電功率的變化，根據其電功率變化的時間信息對擾動點進行定 位，最終輸出報警、定位信息。雷射器與偏振分束器之間還安裝有偏振控制器，該偏振控制器是電控式，或是手動式， 用於系統初始化時將雷射器輸出光的偏振態與偏振分束器第一埠對準。所述雷射器輸出的光是偏振態及功率穩定的連續光，或脈衝光。所述偏振分束器第二埠的尾纖為普通光纖，第一埠 、第三埠的尾纖為保偏光纖， 並且透光軸相互垂直。所述的數位訊號處理子系統包括高速模/數轉換以及信號處理兩部分。該系統中，有源器件僅包括雷射器、光電探測器以及數位訊號處理子系統，其它均為 無源器件，這使得該系統具有極高的穩定性，幾乎無需維護。所述雷射器、偏振控制器、偏振分束器、光電探測器以及數位訊號處理子系統位於控 制室內，便於保護。所述光纖對壓力變化和振動信號敏感；光纖既作為傳感器使用，同時也作為信號傳輸 鏈路使用。所述法拉第旋光鏡位於傳感光纖的末端，與傳感光線同步鋪設，埋入地下，安全性高、隱蔽性好。本發明的工作原理(如圖2所示) 第一，當傳感線路無擾動時， 各埠偏振態的演變過程>調整偏振控制器，使Sp-^p (1) >設當傳感線路無擾動時，其正向偏振傳輸矩陣為Gfl，貝IJ: ^^-G。^p (2) >設法拉第旋光鏡的偏振傳輸矩陣為(7yr，貝lj: =GF^^ (3)>該逆向光經由傳感光纖到達偏振分束器二埠時，S2e=GQ—(4) >聯立公式(1)~(4)可得^c-C^.&f (5) >根據偏振分束器的特性，&e=^c (6) >所以，53r =GF.《P (7)>上述分析說明，當傳感線路無擾動時，由偏振分束器埠一輸入的正向光偏振態 經由"傳感光纖一法拉第旋光鏡一傳感光纖"之後，到達偏振分束器埠二的 逆向光偏振態&c將旋轉90。。根據偏振分束器的特性可知，逆向光將全部從偏振 分束器埠三輸出，此時，光電探測器輸出的電信號功率將達到最大值。第二、假設在^時刻，a點處發生擾動，此時，a點處逆向光為y，正向光為AT 。定義逆向光y到達偏振分束器第二埠的時 刻為^，正向光X到達偏振分束器第二埠的時刻為^，貝ij: Z產^+丄乂c, /j=/7+ritf+￡"/c， 其中c為光速，>設^時刻後，傳感光纖的正向偏振傳輸矩陣將變為G/，那麼在&時刻到6時刻之 間，偏振分束器第二埠的逆向光偏振態為^V-G,—1 .G。^,p *S2C (8)>所以，在&到0時間段內，逆向光經過偏振分束器第二埠後會有一部分光經由 第一埠輸出，而從第三埠輸出的功率會減小。>在6時刻後，第二埠的逆向光偏振態為^'2c-G「'.C^.CVS屍=S2C (9) >所以在^時刻後，光電探測器輸出的電信號功率將恢復到最大值。>有擾動時，光電探測器輸出的電信號功率變化如圖3所示。在數位訊號處理子系統中，預警算法只需根據電信號的功率變化，進而推算出h，就能實現定位、報 警功能。本發明的優點和有益效果本發明採用偏振檢測的方法實現分布式光纖預警系統， 該系統保留了所有光纖傳感器的優點，特別具有以下幾點優勢 一、定位準確、報警迅速， 能夠實現早期預警。基於本發明的工作原理，位於傳感光纖任一點的偏振擾動信息將沿光 纖以光速傳送至控制室中的光電探測器，數位訊號處理系統將根據該偏振擾動信號的時間 信息確定擾動位置，因此，本系統的定位準確性及報警時間僅由數位訊號處理晶片的處理 速度上限所決定；二、穩定性、可靠性高。由於本系統所採用的器件均為市場上早已成熟 的商用器件，因此其可靠性極高。另外本系統採用的有源器件數量極少，且均位於室內， 使其不受環境因素的影響，因此具有極高的穩定性， 一經使用幾乎不用維護；三、安全性 高，隱蔽性好。本系統的絕大多數組成部分均位於控制室內，而法拉第旋光鏡及傳感光纖 則可以沿被監測線路埋入地下，所以本系統安全性、隱蔽性高，不易被他人發現或破壞。 基於上述優點，本發明非常適合長距離監測，在油氣管線自動監測技術領域具有極佳的應 用前景。
圖1為基於偏振檢測的分布式光纖預警系統組成示意圖。圖中，l雷射器、2偏振控 制器、3偏振分束器(包括三個埠) 、 4傳感光纖、5法拉第旋光鏡、6光電探測器、7 數位訊號處理子系統。圖2為基於偏振檢測的分布式光纖預警系統工作原理示意圖。圖中，S^為偏振分束 器埠一的正向光偏振態、&/ 為偏振分束器埠二的正向光偏振態、&<:為偏振分束器端 口二的逆向光偏振態、5^為偏振分束器埠三的正向光偏振態、S^為法拉第旋光鏡正向 光偏振態、Sfr為法拉第旋光鏡逆向光偏振態、Ifl為傳感光纖總長度、a為偏振擾動點、 ^為擾動點與法拉第旋光鏡間距離，^為擾動點與偏振分束器間距離。圖3為有擾動時，光電探測器輸出的電信號功率變化。
具體實施方式實施例下面結合附圖和發明人依技術方案所完成的實施例，對本發明的原理作進一歩的詳細描述，本發明不限於這個實施例。 圖l為本發明實施例的系統框圖，其中各器件不同埠的正向光、逆向光偏振態的定 義，以及系統的工作原理如圖2所示。首先，說明當傳感線路無擾動時，各埠偏振態的演變過程>調整偏振控制器，使(1)>設當傳感線路無擾動時，其正向偏振傳輸矩陣為(^，貝U: ^^-G。.^p (2)>設法拉第旋光鏡的偏振傳輸矩陣為Gf，貝U: ^^=(^^^ (3) >該逆向光經由傳感光纖到達偏振分束器二埠時，&e=GD—(4)>聯立公式(1)~(4)可得S2C=GF.《P (5)>根據偏振分束器的特性，Sc=&c (6)>所以，&r =GF《 (7)>上述分析說明，當傳感線路無擾動時，由偏振分束器埠一輸入的正向光偏振態 &P，經由"傳感光纖一法拉第旋光鏡一傳感光纖"之後，到達偏振分束器埠二的 逆向光偏振態&c將旋轉90。。根據偏振分束器的特性可知，逆向光將全部從偏振 分束器埠三輸出，此時，光電探測器輸出的電信號功率將達到最大值。+設在^時刻，a點處發生擾動，此時，a點處逆向光為F，正向光為A:。定義逆向光y 到達偏振分束器埠二的時刻為^，正向光A:到達偏振分束器埠二的時刻為/j,貝IJ: f2=0+￡/c, G=//+(Z。+￡"/c，其中c為光速，>設^時刻後，傳感光纖的正向偏振傳輸矩陣將變為G，那麼在^時刻到^時刻之 間，偏振分束器埠二的逆向光偏振態為5V-G,—、G^G。.《p *S2C (8)>所以，在&到^時間段內，逆向光經過偏振分束器埠二後會有一部分光經由端 口一輸出，而從埠三輸出的功率會減小。>在^時刻後，埠二的逆向光偏振態為^V-GrL(^.G。.5p =S2C (9)>所以在6時刻後，光電探測器輸出的電信號功率將恢復到最大值。>有擾動時，光電探測器輸出的電信號功率變化如圖3所示。在數位訊號處理子系 統中，預警算法只需根據電信號的功率變化，進而推算出^，就能實現定位、報 警功能。本發明利用上述原理，設計了基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，主要包括雷射 器、偏振控制器、偏振分束器、傳感光纖、法拉第旋光鏡、光電探測器以及數位訊號處理子系統。其特徵是雷射器發出正向傳播的光信號，利用偏振控制器調整其偏振態使之從偏 振分束器的第一埠輸入，並從第二埠輸出至傳感光纖。正向傳播的光信號經由法拉第 旋光鏡反射變為逆向傳輸的光，其偏振態將旋轉90。。該逆向光從偏振分束器的第二埠輸入，並從其第三埠輸出至光電探測器。光電探測器將逆向光的強度信息轉變為電信號 傳送至數位訊號處理子系統。利用上述裝置，本發明能夠將由傳感線路擾動而造成的偏振 態變化轉變為電功率的變化，並根據其電功率變化的時間信息對擾動點進行定位，最終輸 出報警、定位信息。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述雷射器輸出的光可以是 連續光，也可以是脈衝光，要求其輸出光偏振態及功率穩定。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述偏振控制器可以是電控 的，也可以是手動的，它只在系統初始化時調節一次即可，其作用是將雷射器輸出光的偏 振態與偏振分束器埠 一對準。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述偏振分束器埠二的尾 纖為普通光纖，埠一、埠三的尾纖為保偏光纖，並且透光軸相互垂直。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述傳感光纖對壓力變化和振動信號敏感；光纖既作為傳感器使用，同時也作為信號傳輸鏈路使用。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述法拉第旋光鏡位於傳感 光纖的末端，與傳感光線同步鋪設，埋入地下，安全性高、隱蔽性好。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述數位訊號處理子系統包 括高速模/數(A/D)轉換以及信號處理兩部分。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述雷射器、偏振控制器、 偏振分束器、光電探測器以及數位訊號處理子系統位於控制室內，便於保護。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，所述有源器件僅包括雷射器、 光電探測器以及數位訊號處理子系統，其它均為無源器件，因此該系統具有極高的穩定性， 幾乎無需維護。上述基於偏振檢測的分布式光纖預警系統，其特徵在於，系統的定位精度及報警時間 僅由數位訊號處理晶片的處理速度上限所決定。以上所述為本發明最佳實施例，其成本最低、可靠性高。但並非對本發明作任何形式 上的限制，凡是依據本發明的技術實質對上述實施例作任何簡單修改、等同變化和修飾， 均屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1. 一種基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，其特徵在於該預警系統包括雷射器，雷射器發出正向傳播的光信號從偏振分束器的第一埠輸入，並從第二埠輸出至傳感光纖，傳感光纖的末端連接法拉第旋光鏡，正向傳播的光信號經由法拉第旋光鏡反射、其偏振態旋轉90°後變為逆向傳輸的光信號，該逆向光信號從偏振分束器的第二埠輸入，並從其第三埠輸出至光電探測器，光電探測器將逆向光的強度信息轉變為電信號傳送至數位訊號處理子系統；其中所述的傳感光纖依附在輸油氣管線上，既作為傳感器使用，同時也作為信號傳輸鏈路使用，且能夠將傳感線路擾動而造成的偏振態變化經由光電探測器傳送至數位訊號處理子系統，並將該擾轉變為電功率的變化，根據其電功率變化的時間信息對擾動點進行定位，最終輸出報警、定位信息。
2、 根據權利要求1所述的基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，其 特徵在於所述雷射器輸出的光是偏振態及功率穩定的連續光，或脈衝光。
3、 根據權利要求1所述的基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，其 特徵在於所述偏振分束器第二埠的尾纖為普通光纖，第一埠、第三埠的尾纖為保偏 光纖，並且透光軸相互垂直。
4、 根據權利要求1所述的基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，其 特徵在於所述的數位訊號處理子系統包括高速模/數轉換以及信號處理兩部分。
5、 根據權利要求1所述的基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，其 特徵在於雷射器與偏振分束器之間還安裝有偏振控制器，該偏振控制器是電控式，或是手 動式，用於系統初始化時將雷射器輸出光的偏振態與偏振分束器第一埠對準。
全文摘要
一種基於偏振檢測的分布式光纖輸油氣管線早期預警系統，包括雷射器，雷射器發出正向傳播的光信號從偏振分束器的第一埠輸入，並從第二埠輸出至傳感光纖，傳感光纖的末端連接法拉第旋光鏡，正向傳播的光信號經由法拉第旋光鏡反射、其偏振態旋轉90°後變為逆向傳輸的光信號，該逆向光信號從偏振分束器的第二埠輸入，並從其第三埠輸出至光電探測器，並將轉變後的電信號傳送至數位訊號處理子系統。本發明能夠根據電功率變化的時間信息對傳感線路擾動點進行定位，最終輸出報警、定位信息。本發明成本低、安全性可靠性高，能夠對輸油氣管線的破壞活動進行早期的定位及預警，非常適合長距離監測，在油氣管線自動監測領域具有極佳的應用前景。
文檔編號G01D5/30GK101266024SQ200810053050
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月9日 優先權日2008年5月9日
發明者於晉龍, 張立臺, 王文睿, 韓丙辰 申請人:於晉龍;張立臺;王文睿;韓丙辰