[实用新型]管道光纤安全监测预警系统

说明书

技术领域

本实用新型是一种油气管道安全监测预警系统，尤其是涉及一种基于相干瑞利（Ф-OTDR）原理的分布式光纤传感技术，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。

背景技术

管道运输作为一种安全、经济的运输方式已经在世界各地得到了广泛的应用。随着管道运输业的不断发展，因管道沿线第三方破坏、自然灾害等因素造成的管道安全事故时有发生，严重影响了管道的安全运行。为了维护管道的安全运行，减少危害管道安全事件的发生，管道安全运行与维护技术受到各国科技人员的高度关注。管道安全监测预警技术可以在管道遭到破坏前报警和定位，为阻止威胁管道安全事件的发生、减少财产损失和环境污染起着重要的作用。

目前，国内外已有多种利用管道同沟敷设的光缆监测管道沿线威胁事件的技术和方法，但这类技术主要基于传统的OTDR或光纤干涉仪原理研发的管道光纤安全监测预警技术。中国发明专利申请号02145502.3将传统OTDR技术应用于油气管道泄漏监测。OTDR技术是光时域反射（Optical Time Domain Reflectometer）技术的简称，传统的OTDR是通过检测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的故障点，主要应用于光缆的故障、光纤的长度、光纤的损耗以及光纤接头损耗等检测。因而该技术只能检测静态损耗和变化缓慢的扰动，不能实现管道沿线威胁事件振动信号的实时监测。

中国发明专利申请号200410020046.6，200610072879.6，200610113044.0，200720169440.5等采用多条光纤基于光纤干涉仪原理构成分布式光纤振动传感器监测管道沿线的振动信号，由于管道沿线环境比较复杂，背景噪声影响较强，分布较广，因而该类技术对管道沿线多点振动信号的检测、识别、判断以及定位比较困难。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种基于相干瑞利（Ф-OTDR）原理、采用脉冲光对管道沿线进行分段监测、背景噪声的影响小、实现管道沿线多点振动信号的检测、识别、判断以及定位功能、具有很高的检测灵敏度、定位精度和不同事件识别准确率的管道光纤安全监测预警系统。

管道光纤安全监测预警系统的原理是：当脉冲光在单模光纤中传输时，由于制备光纤的材料中存在杂质微粒，或者由于光纤本身密度的不均匀性就会使光纤在微观上存在折射率不同的微小区域，每个小区域成为散射中心，向四面八方发出同频率的次波，这些次波无固定相位关系，是一个随机的过程。如果光源的相干长度足够长，则这些背向瑞利散射光将相互叠加，形成相长或相消干涉，并形成干涉图样。在光源的相干长度L_c的范围内，在管道同沟敷设光纤埋设区域的外界环境不变的情况下，探测背向瑞利散射的强度分布，得到的强度分布图样是固定不变的，即背向瑞利散射光强满足一定的统计规律。而当外界环境改变时，将会对所在区域内的光纤产生一定的影响，从而改变光纤内瑞利散射的光强，按照统计规律，此时得到的背向瑞利散射光的相干图样也会发生相应的变化。通过分析这些变化，即可检测到光纤沿线的振动情况，从而实现对管道沿线一定范围的监控。

本实用新型的原理如图1所示。埋地管道(1)周围敷设有通讯光缆，使用其中一芯作为传感光纤(2)，一芯作为通讯光纤(3)，传感光纤(2)沿途增加光纤中继放大装置(5)，通讯光纤(3）接检测装置(6)和数据及控制模块(7)；数据及控制模块(7)通过通讯光纤(3)传输中继放大装置(5)的中继控制信号，实现对中继放大的实时调节,中继放大装置能够对正向传输的脉冲光波和后向传输瑞利干涉光信号同时进行放大;使用探测到的前后曲线相除，滤掉背景噪声，提高定位精度。

埋地管道1周围的振动信号4作用在管道同沟敷设光缆中传感光纤2上，光纤的折射率、长度、芯径等会有微小变化，造成该处相位发生变化。检测装置6中光源采用高相干光源，传感光纤2中后向瑞利散射相互干涉，由于干涉作用，相位的变化最终引起瑞利散射光强度的变化。通过探测这种变化来监测管道周围的振动信号。数据处理控制装置7可以经通讯光纤3向中继放大装置5发出中继控制信号来调整中继放大倍数。

管道光纤安全监测预警系统原理框图如图2所示。主要包括光源模块100、检测模块101、数据处理及控制模块102和传感模块103。光源模块100向传感模块103注入脉冲光，检测模块101检测传感光纤中的后向瑞利散射光，数据处理及控制模块102采集和处理数据，并且经通讯光纤a向中继放大装置a发射中继控制信号。传感模块103通过传感光纤拾取管道周围的振动信号，通讯光纤传输中继控制信号。