提高油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器性能的方法

技术领域

本发明属于信号检测和分析技术领域，涉及一种在线检测方法，特别涉及一种利用Golay码提高油气管道泄漏和第三方入侵事件检测的分布式光纤传感器性能的方法。

背景技术

管道输送是一种经济方便的运输方式，在石油和天然气的输送中具有独特优势，突出表现为安全、便捷和高效等。长输油气管道已经成为我国能源大动脉的重要组成部分，战略地位十分重要。长输油气管道的特点是点多线长，且多为地埋管道。由于使用环境恶劣，随着服役时间增长，腐蚀、地形沉降、重压、机械施工及人为破坏等因素都可能使管道出现损伤，甚至泄漏。泄漏不仅会造成巨大财产损失和严重环境污染，甚至会引发火灾、爆炸，威胁人民生命和财产的安全。对管道泄漏和可能引起管道外力损伤的重压、地形沉降、机械施工及人为破坏等第三方入侵事件进行迅速判断和准确定位、及时发现泄漏和预报泄漏隐患就显得十分重要。

目前，管道泄漏检测的方法很多，分直接检漏法和间接检漏法。直接检漏法是利用探测器直接检测管道外的泄漏物判断泄漏，包括检漏电缆法、导电高聚合物检漏法、传感光缆法、红外线法和探地雷达法等。间接检漏法是通过监测管道的运行参数(如压力、流量、温度等)估计泄漏，包括质量平衡法、负压波法、压力梯度法、管内爬行机法、统计检漏法、应力波法、声学方法和实时模型法等。其中传感光缆法是一种基于分布式光纤传感器的检测方法，已成为油气管道安全检测技术研究的热点。

分布式光纤传感器是伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感器，它具有同时获取传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力。沿油气管道铺设一条传感光缆，管道泄漏和可能引起管道外力损伤的第三方入侵事件对管道附近铺设的传感光缆产生作用力，其中的横向力和纵向力能够通过微弯或光栅效应使传感光缆中的传感光纤产生传输损耗；另外，传感光缆可以采用天然橡胶等具有膨润特性的包覆材料，输油管道发生泄漏或渗漏(滴漏)时，传感光缆的包覆材料遇油体积发生膨胀，膨胀产生的力作用于传感光纤，使传感光纤发生弯曲，出现损耗。使用OTDR可以对导致损耗的外部事件进行定位。一种基于OTDR油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器的系统结构如图1所示。

如图1所示，激光脉冲发生器[101]产生的光脉冲经隔离器[102]和耦合器[103]从一端(称为输入端)注入到传感光纤[2]并在传感光纤[2]中向前传播，在传感光纤[2]的另一端(称为输出端)输出并耦合到光功率探测器[401]转换成电信号，然后经放大/滤波器[402]、模/数转换和数字信号处理器[403]等单元处理后，结果送给计算机数据分析系统[5]，称为输出光功率检测模块[4]。同时，光脉冲沿传感光纤[2]向前传播过程中，因瑞利散射和菲涅耳反射不断产生背向散射光。背向散射光沿传感光纤[2]反向传播并返回到输入端，经耦合器[103]到光功率探测器[301]，转换成电信号，再经放大/滤波器[302]、模/数转换和数字信号处理器[303]等单元处理后，结果也送给计算机数据分析系统[5]，称为背向散射光检测模块[3]。计算机[5]对光纤输出光功率检测模块[4]的输出数据进行分析和融合，获得沿传感光纤[2]路径上压力和振动信号的变化，根据其频谱特征判定是否有管道泄漏或入侵事件发生，并利用背向散射光检测模块[3]进行定位。因此，输出光功率检测模块[4]可以获得传感光纤[2]上损耗变化的频谱特征，判断故障类型；背向散射光检测模块[3]用于传感光纤[2]上各点静态和动态损耗测量，实现故障定位。

在分布式光纤传感器系统中，激光脉冲发生器[101]产生的光脉冲有两个作用：一是光脉冲在传感光纤[2]中向前传播的过程中不断产生背向散射光，在输入端通过对背向散射光的测量，获得传感光纤[2]上新增损耗的空间分布；二是光脉冲在传感光纤[2]中向前传播的过程中，管道泄漏和第三方入侵等事件产生的外部干扰使传感光纤[2]中传输的光脉冲出现损耗，输出的光功率发生变化，因此脉冲光可以作为传感光纤[2]传输损耗的采样脉冲。

基于OTDR油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器的优点，一是脉冲光源[101]和背向散射光信号检测模块[3]均在传感光纤[2]的同一端，可以实现单端故障定位，爆炸、挖掘等事件导致传感光缆断裂时，仍可以对故障事件进行定位；二是由于光脉冲在传感光纤[2]上不同位置产生的背向散射光返回到输入端的时间不同，相互之间不会发生干扰，因此可以对多个故障点同时定位。缺点是光脉冲在传感光纤[2]中传播时产生的背向散射光信号非常弱，比光脉冲能量低得多，直接影响了背向散射光的信噪比，限制了检测距离，而且具有采样功能的脉冲光之间的最小间隔也存在一定的限制。

为了提高背向散射光的信噪比，需要提高光脉冲的能量。一种方法是提高激光脉冲发生器[101]的功率，另一种方法是增加光脉冲的时间宽度。一旦光脉冲峰值功率已经达到最大值，并且接收器的灵敏度也是最好的，那么只能够使用增加光脉冲宽度的方法提高背向散射光的信噪比。但是，增加脉冲宽度会引起背向散射光信号的空间分辨率下降。因此在背向散射光信噪比和损耗空间分辨率之间存在矛盾，光脉冲越窄，损耗定位的空间分辨率越高，但背向散射光信号的信噪比越差。

另一种提高背向散射光信噪比的方法是按照一定时间间隔发射多个脉冲，分别采集每个脉冲的背向散射光信号，然后求取平均值。这里存在一个限制，即只有前一个光脉冲的背向散射光全部返回到输入端之后，才能发送下一个脉冲，否则前一个脉冲在较远位置的背向散射光与后一个脉冲在较近位置的背向散射光相互叠加，彼此造成干扰。输入到传感光纤[2]中光脉冲之间的最小间隔T可以通过公式(1)获得：

$T=2\times \frac{Z}{c}\times n_1---\left(1\right)$

其中Z是光纤[2]的长度；c是光信号在真空中的传播速度；n₁是纤芯折射率；常数2表示光脉冲传播到传感光纤[2]输出端以及在输出端产生的背向散射光再返回到输入端(即来回)的时间。因此，传感光纤[2]越长，脉冲之间的时间间隔T越大，脉冲重复的频率越小。

光脉冲在传感光纤[2]中传播时，损耗被外部事件产生的扰动调制。在传感光纤[2]中传播的以时间T重复的光脉冲也是传感光纤[2]传输损耗的采样脉冲。传感光纤[2]越长，脉冲间的时间间隔T越大，采样脉冲的频率越小。根据采样定理，采样频率至少是传感光纤[2]上损耗最大频率的2倍。因此，外部事件导致传感光纤[2]中的传输损耗的最大频率限定了传输损耗的最低采样频率和采样脉冲的最大时间间隔T，从而限制了基于OTDR油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器的检测距离。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种利用Golay码克服上述限制并提高油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器性能的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在传感光纤的输入端，激光脉冲发生器输出的是幅值被Golay码和它们反码调制的光脉冲序列。光脉冲序列沿传感光纤向前传播的过程中被管道泄漏和入侵事件产生的扰动调制。在传感光纤的输出端，输出光功率检测模块采集传感光纤输出的光脉冲序列，并送计算机进行处理；计算机对输出光功率检测模块输出的脉冲序列信号进行幅值变换，消除Golay码和它们反码的调制，使变换后输出的脉冲序列信号的幅值只与管道泄漏和入侵事件产生的扰动有关。另一方面，光脉冲序列沿传感光纤向前传播过程中产生的背向散射光沿传感光纤反向传播到输入端，经背向散射光检测模块采集处理后，送计算机进行处理。计算机利用Golay码和它们反码调制的光脉冲序列沿传感光纤传播过程中产生的背向散射光信号，合成新的背向散射光信号。与单脉冲的背向散射光信号相比，合成的背向散射光信号的信号强，而且两者的空间分辨率相同，从而使管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器在事件定位精度不变的条件下，可以通过增加光脉冲序列的长度来提高背向散射光信号的信噪比，从而增加管道的监测长度。

一种利用Golay码提高油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器性能的方法，具体包括以下步骤：

1)在油气管道附近，与油气管道并行铺设一条光缆，利用传感光纤作为传感器，对油气管道泄漏和第三方入侵事件进行实时监测；

2)在传感光纤的两端，分别设置一背向散射光检测模块和光纤输出光功率检测模块；

计算机分别用Golay码和它们的反码调制激光脉冲发生器，使激光脉冲发生器输出的是幅值被Golay码和它们反码调制的连续的光脉冲序列；

激光脉冲发生器输出的光脉冲序列经隔离器和耦合器被耦合进传感光纤并在传感光纤中向前传播；在传感光纤的输出端，输出光功率检测模块采集传感光纤输出的光脉冲序列，并送计算机处理；计算机对输出光功率检测模块输出的脉冲序列信号进行幅值变换，消除Golay码和它们反码的调制；计算机通过对变换后的光纤输出光功率信号的分析，完成传感光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型的判定；

在传感光纤的输入端，背向散射光检测模块分别采集Golay码和它们反码调制的光脉冲序列沿传感光纤向前传播过程中产生的背向散射光信号，并送计算机处理；计算机利用上述背向散射光信号合成新的背向散射光信号，合成的背向散射光信号在空间分辨率方面与序列中单个光脉冲的背向散射光信号的相同，在信号强度方面，比单个脉冲的强，且与序列中光脉冲的个数成正比；计算机通过对新合成的背向散射光信号的分析，完成传感光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位；

3)计算机通过对传感光纤上损耗数据的分析和融合，获得油气管道周围的压力和振动信号的特征，判断并定位油气管道泄露和第三方入侵等事件的发生。

本发明的其它一些特点是：

所述的激光脉冲发生器或是激光二极管，或是激光三极管，其输出的光脉冲的宽度、能量是可控的。

所述的激光脉冲发生器输出的是连续的光脉冲序列，序列中脉冲的宽度相同，幅值被Golay码和它们的反码调制。

所述的Golay码和它们反码的长度均是2的幂次方。

所述的Golay码和它们反码调制的光脉冲序列之间是以一定的时间间隔输入到传感光纤中，其最小间隔等于序列中最后一位光脉冲在传感光纤输出端产生的背向散射光返回到传感光纤输入端时的时间与序列中第一位光脉冲输入到传感光纤时的时间的差值。

所述的在传感光纤中传播的光脉冲序列的长度与Golay码和它们反码的长度相同，也是2的幂次方。

所述的Golay码和它们的反码是伪随机信号，因此在传感光纤的输出端，不使用滤波器，而是通过变换的方法来消除Golay码或它们反码的调制。

所述的传感光缆中的传感光纤或是单模光纤，或是多模光纤，其传输损耗对形变、压力和振动信号敏感。

所述的背向散射光检测模块包括光功率探测器、放大和低通滤波器、模/数转换和数字信号处理器等单元。

所述的输出光功率检测模块同样包括光功率探测器、放大和低通滤波器、模/数转换和数字信号处理器等单元。

所述的背向散射光检测模块和输出光功率检测模块可以集成在一个系统中，也可以使分离的，通过数据通信网络相连。

所述的背向散射光检测模块和输出光功率检测模块既可以同时工作，也可以独立工作。背向散射光检测模块主要完成传感光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位功能；输出光功率检测模块主要完成传感光纤上总损耗动态变化的测量和故障类型的判定功能。

所述的背向散射光检测模块可以是一台OTDR，利用OTDR提供的通信接口(如GPIB、RS-232)或OTDR提供的网络接口与计算机通信；也可以是OTDR卡直接安装在计算机中。OTDR的工作状态受计算机控制。

本发明所述的提高油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器性能的方法具有如下优点：

1)本发明所述的方法中，传感光纤的探测信号是用Golay码和它们反码调制的连续光脉冲序列，这些光脉冲序列是传感光纤传输损耗的采样信号。由于序列中光脉冲的周期(宽度)没有任何限制，理论上可以取任意小的值，因此可以减小序列中光脉冲的宽度。一方面，通过减小序列中光脉冲的宽度，可以增加传感光纤损耗的采样频率，从而使计算机可以在更大频谱范围分析管道泄漏和可能引起管道损伤的第三方入侵事件在传感光纤上产生的损耗的特征；另一方面，计算机合成的背向散射光信号在空间分辨率方面与序列中单个光脉冲的背向散射光信号的相同，因此通过减少光脉冲序列中脉冲的宽度，也可以同时提高合成背向散射光信号的空间分辨率，从而提高传感光纤上新增损耗的定位精度。

2)本发明所述的方法中，传感光纤的探测信号是用Golay码和它们反码调制的连续光脉冲序列。一方面，通过增加序列中脉冲的个数，可以增加传感光纤损耗的采样点数，有助于分析管道泄漏和第三方入侵等事件导致的传感光纤中新增传输损耗信号的特征；另一方面，由于合成的背向散射光信号的信号强度与序列中光脉冲的个数成正比，通过增加序列中脉冲的个数，可以提高合成背向散射光信号的信噪比，从而增加分布式光纤传感器检测管线的距离。

因此本发明所述方法，既能够通过增强背向散射光信号的强度和提高信噪比，增加分布式光纤传感器检测管线的距离；又能够通过增加传感光纤损耗的采样频率，在更大频谱范围分析管道泄漏和可能导致管道损伤的第三方入侵事件在传感光纤上产生的损耗的特征，从而改善基于OTDR油气管道泄漏和入侵检测的分布式光纤传感器的整体性能。

附图说明

图1是本发明实施例的分布式光纤传感器的系统结构框图。

图2是本发明实施例的一组64位Golay码A和B的波形。

图3是本发明实施例的64位Golay码A和B的自相关函数以及它们自相关函数和的波形。

图4是本发明实施例的64位Golay码A和B以及它们反码A和B调制的激光脉冲发生器[101]输出的光脉冲序列信号的波形。

图5是本发明实施例的传感光纤[2]输出的光脉冲序列信号幅值变换前后的波形。

图6是本发明实施例中利用Golay码A和B以及它们反码A和B调制的光脉冲序列的背向散射光信号合成新的背向散射光信号的过程。