淺談基于分布式光纖傳感技術的管道泄漏檢測和定位

楊 杰

（南通大學機械工程學院，江蘇 南通226019）

0 引言

1 檢測系統基本原理

圖1為基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏檢測系統簡圖。

圖1 基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏檢測系統簡圖

從圖中可以看出，該系統的傳感光纖以環形對稱的形式檢測聲場變化，這種環形結構中對稱的2個傳感光纖中的光波信號會相互調制而使信號相互抵消，產生互易效應，對干涉信號的輸出造成不良影響。為解決這個問題，一般做法是將其中一半光纖改作非傳感光纖，使其與聲場隔離。但該方法在工程實踐中會增加施工難度和工程造價。為此本文介紹一種基于Sagnac干涉儀的直線型分布式光纖傳感技術［2］，它在滿足管道泄漏檢測及定位要求的基礎上，消除了環形對稱光纖傳感器結構的缺陷，如圖2所示。該系統由2個分別和法拉第旋轉鏡FRM1和FRM2相結合的傳感光纖組成，且這2個傳感器為直線型分布，組成2個直線形的Sagnac干涉儀，使其對復雜的管道敷設形式具有更好的適應性，同時對傳統Sagnac干涉儀的零光程差特點予以保留。其中的法拉第旋轉鏡不僅可以將光波信號按原路反射而使傳感光纖形成一個Sagnac環，同時還可以補償由于傳感光纖雙折射所引起的“偏振誘導信號衰落”［3］。相位調制器的作用是產生高頻載波，光電轉換器（PD1、PD2）進行光信號與電信號的轉換。圖2中1～9是耦合器，以其作為分光器使用，延時線圈的作用是對Sagnac干涉儀中雙向傳輸的光束進行調節，使其相位差不同，防止發生互易效應。2個傳感光纖構成的Sagnac干涉儀共用延時線圈和相位調制器。

圖2 分布式光纖管道泄露檢測系統簡圖

從光源發出的低相干、寬帶光通過耦合器1后被分為2束，分別經過耦合器2和3。其中，經過耦合器2的光被分為以下2個路徑傳輸：

（1）A—B—C—FRM1—C—H—G—A；

（2）A—G—H—C—FRM1—C—B—A。

在延遲線圈的作用下，2路光波雖然經過了相同長度的傳輸路徑，但它們到達管道泄露點的時間會有所不同，這就實現了Sagnac干涉儀零光程差特點，形成Sagnac干涉儀。

經過耦合器3的光被分為以下2個路徑傳輸：

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（1）D—E—F—FRM2—F—H—G—D；

（2）D—G—H—F—FRM2—F—E—D。

同上，這2條傳輸路徑也符合零光程差特點，形成Sagnac干涉儀。

除了這2組干涉光還有其他光束存在，但這些光束都不滿足Sagnac干涉儀零光程差的特點，因而無干涉。所以，該系統可形成2個獨立的Sagnac干涉儀。如果把這2條傳輸光纖沿著管道兩側敷設，則可以檢測的管道長度為2條傳感光纖長度之和。本系統的原理為：當管道泄露，管中的流體從漏孔中泄出時，會和管壁摩擦而發出應力波（即泄露聲波信號），同時管道發生振動，其中部分聲波信號會以空氣為介質向管道周圍傳播，傳感光纖在這些信號的作用下，其長度和折射率都會發生變化，從而使其中傳播的光的相位被調制，光波相位變化幅度Δφ可以表示為：

式中，β為光纖中光波的傳輸常數；L為光纖在應力波作用下的長度值。

泄漏信號是寬頻信號［4］，其作用于傳感光纖而使其中傳輸的光波相位被調制，且相位變化值φ可以表示為：

式中，φs為被調制后的光波相位變化幅值；ωs為泄漏信號的角頻率。

由于傳感光纖組成的2個Sagnac干涉儀傳感原理相同，所以此處只對路徑1和路徑2所形成的1個Sagnac干涉儀進行分析。在傳感光纖1構成的干涉儀中，2路光波被泄露信號調制之后的電場E1和E2可以表示為：

式中，E10和E20分別為2路光的振幅，由于本系統中采用的都是3 d B耦合器，所以E10＝E20；φ1、φ2分別為2束光的初相位；ωc為光頻率；τ1為光經由A、B、C點之后，首次到達泄漏點所用的時間；τ2為光經由A、B、C點，再經過FRM1的反射之后，到達泄漏點所用的時間；τ3為光經由A、G、H、C點之后，首次到達泄漏點所用的時間；τ4為光經由A、G、H、C點，再經過FRM1的反射之后，到達泄漏點所用的時間。

2束光輸出的光強為：

其中干涉項為：

如果令τd＝［（τ3＋τ4）－（τ1＋τ2）］／2為光波經過延遲光纖所用的時間，τs＝［（τ4－τ3）＋（τ2－τ1）］／4＝ns／c為光波從泄漏點傳到FRM1所需時間（其中s為泄漏點到FRM1的距離，c為空氣中光波的傳播速度，n為光纖的折射率），τT＝τ2＋τ3＝τ2＋τ4為光波經過整個Sagnac環所需時間，而且由于本系統中采用的都是3 d B耦合器，故φ1－φ2＝0，因此，式（6）可寫成：

利用信號解調技術可以將相位差4φscosωs（t－τT／2）×sinωs（τd／2）cos（ωsτs）從干涉信號中解調出來。

式（7）中，sinωs（τd／2）項會對傳感光纖的信噪比產生影響，如果sinωs（τd／2）比較小，則相位差也較小，即信號較弱而容易被噪音淹沒。所以在選擇傳感光纖時應該選擇合適的延遲長度，使sinωs（τd／2）在泄漏信號的寬頻范圍內保持較大值，從而提高系統的信噪比［5］。

2 泄露點定位

當管道泄漏時，通過對受到泄露信號調制的光波進行頻域分析，在寬頻特征的泄漏信號范圍內存在著可以使cos（ωsτs）為0的頻率，稱零點頻率，即：

其中，N為奇數。對于確定的τs，將有一個或多個ωs。使N＝1，依據式（8）可以求得τs，然后再根據τs＝ns／c，可以獲得泄漏點距法拉第旋轉鏡的距離s：

式中，fs為泄漏信號頻率。

從而成功地確定泄露點位置。

3 檢測系統靈敏度

靈敏度是指系統輸出變化量和輸入增量之間的比值［6］。那么，本系統的靈敏度可以用泄漏位置變化Δs所引起的零點頻率變化Δf來表示。對式（9）取距離的微分，有：

由式（10）可知，系統的靈敏度是一個關于泄漏位置s的函數，而不是固定值，且隨著泄露點距法拉第旋轉鏡的距離s的增大，d f／d s會大幅減小。而靈敏度的降低會直接影響系統定位的準確度，為了確保系統靈敏度達到要求，系統檢測的距離就不能過長，這樣檢測距離和系統的靈敏度成為一對矛盾體。由于本系統為2條傳感光纖構成，且每條光纖可以作為一個單獨的傳感器，因此在靈敏度相同的情況下，其檢測距離能夠增加一倍。

4 結語

文中介紹了基于Sagnac干涉儀的分布式光纖管道泄露檢測系統，多次試驗證明，該系統檢測穩定性與定位精確度都能夠滿足工程應用的要求。當然，一個檢測系統不可能完全達到完美的水平，比如本系統測試信號具有很強的背景噪音，因此將來要針對這一問題開展必要的研究，使其定位精確度進一步提高。

［1］宋牟平，趙斌，章獻民．基于微波電光調制的布里淵光時域分析傳感器［J］．光學學報，2005，25（8）

［2］杭利軍，何存富，吳斌，等．水下管道泄漏檢測技術及定位方法研究［J］．激光技術，2011，35（3）

［3］駱建偉．光纖傳感管網泄漏檢測系統偏振控制及現場實驗研究［D］．北京工業大學，2010

［4］Wassef W A，Bassi m M N，Houssny－Emam M，et al．Acoustic Emission Spectra due to Leaks fr om Circular Holes and Rectangular Slits［J］．J．Acous．Soc．Am．，1985，77（3）

［5］盛興，鄧大鵬，王晶，等．干涉型光纖傳感信號去噪方法的研究［J］．光纖與電纜及其應用技術，2011（2）

［6］Kuang Wu，Zhang Min，Wang Liwei，et al．Data Acquisition Method f or Digital Phase Generated Carrier Demodulation System of Optical Fiber Inerferometers［J］．Chin．J．Lasers，2005，32（8）