分布式光纖聲學(xué)傳感系統(tǒng)在管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張靜 張洋 周軍 趙艷紅 趙浩

【摘 要】分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于判斷管道泄漏并定位泄露點(diǎn)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。提出了將分布式光纖聲學(xué)傳感系統(tǒng)應(yīng)用于判斷和定位管道泄露點(diǎn)，在消聲室的環(huán)境中，1km的單模光纖對(duì)管道的泄露聲音進(jìn)行響應(yīng)，采用分布式光纖振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)（DAS）采集響應(yīng)信息并做時(shí)域和頻域分析，信噪比達(dá)到10dB以上，空間分辨率為1m，響應(yīng)頻率1Hz到1000Hz。

【關(guān)鍵詞】光纖聲學(xué)；管道泄漏DAS時(shí)域分析；頻域分析

中圖分類號(hào)：TN 929.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）32-0118-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.054

【Abstract】Distributed optical fiber sensing technology is one of the current research hotspots for judging pipeline leakage and locating leak points. A distributed optical fiber acoustic sensing system is proposed to judge and locate the pipeline leakage point. In the anechoic chamber environment， a 1km single-mode fiber responded to the leaking sound of the pipeline， using a distributed optical vibration detection system （DAS）. The response information was collected and analyzed in time domain and frequency domain with a spatial resolution of 1 m and a response frequency of 1 Hz to 1000Hz.

【Key words】Fiber optic acoustics； Pipe leak；DAS； Time domain and frequency domain

0 引言

分布式光纖傳感技術(shù)被提出后，因其具有的突出優(yōu)點(diǎn)，取得了快速的發(fā)展，目前光纖傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（溫度、應(yīng)變）、工業(yè)過(guò)程控制、國(guó)防安全、航空航天等諸多領(lǐng)域，而在監(jiān)測(cè)管道泄漏中，聲學(xué)光纖相結(jié)合的傳感技術(shù)仍處于研究階段。1977年，Cole等人[1]和Bucaro等人[2]首次使用光纖聲學(xué)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖可以檢測(cè)到聲音。1991年Kurmer等人提出使用薩格納克干涉儀來(lái)檢測(cè)聲學(xué)誘發(fā)的相位擾動(dòng)，能夠檢測(cè)光纖局部 上的壓力波的變化并確定其位置，但是這種技術(shù)不能監(jiān)測(cè)多個(gè)聲擾動(dòng)且靈敏度低，不適用于管道泄漏監(jiān)測(cè)。Masoudi等人[3]提出了一種能夠量化光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變的分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，但是中低頻噪聲的檢測(cè)受到限制而且不能精確監(jiān)測(cè)非平面聲波的振幅，不利于管道泄漏時(shí)的復(fù)雜聲波情況。

本文提出了一種將分布式光纖聲學(xué)傳感系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)管道泄漏的方案，在目前的研究中實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)管道泄漏的空間分辨率為1m，響應(yīng)頻率為1Hz到1000Hz。

1 基本原理

瑞利散射能夠檢測(cè)由聲壓引起的光纖的動(dòng)態(tài)應(yīng)變[1-5]，在相位OTDR（φ-OTDR）、相關(guān)OTDR、極化OTDR中，φ-OTDR是唯一能夠量化擾動(dòng)的技術(shù)，來(lái)自兩個(gè)散射中心的背向瑞利散射光之間的相位差與它們之間的距離成正比[1-6]。

基于φ-OTDR的DAS系統(tǒng)通過(guò)向傳感光纖中注入探測(cè)光，通過(guò)測(cè)量光纖中背向瑞利散射信號(hào)來(lái)探測(cè)與定位外界的擾動(dòng)。DSA系統(tǒng)采用超窄線寬光纖激光器，因?yàn)樽⑷牍饫w中的光是強(qiáng)相干的，所以傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來(lái)的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖線路上因管道泄漏發(fā)出聲音而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，相應(yīng)位置光纖的折射率會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)位置光相位的變化。因?yàn)閿_動(dòng)位置的散射光傳輸?shù)教綔y(cè)器的過(guò)程是周期性的相位變化，所以最終干涉的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生周期性的波動(dòng)并與擾動(dòng)位置相對(duì)應(yīng)。

圖1所示為光纖瑞利散射模型，在該模型中以一系列反射鏡來(lái)描述后向散射的過(guò)程，這些反射鏡可以看作是一個(gè)在特定長(zhǎng)度光纖內(nèi)隨機(jī)分布的散射體后向散射的矢量和，散射體的后向散射光的電場(chǎng)具有隨機(jī)的相位和幅度，這些散射的矢量和將會(huì)隨機(jī)落在一個(gè)復(fù)平面內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中采用分布式光纖振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)（DAS）監(jiān)測(cè)光纖受管道泄漏聲音影響的情況，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

在該實(shí)驗(yàn)裝置中，A框的裝置處于混響室中，放置DAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備；B框的裝置處于消聲室中，放置一長(zhǎng)12米，直徑0.3米的鐵管，管內(nèi)穿一直徑0.05米的塑料管，鐵管內(nèi)充氣，塑料管未封閉且和外界空氣聯(lián)通，a為管道正上方模擬泄露孔。1km的單模光纖由DAS中引出并留出20m的光纖環(huán)后引入消聲室中，第一段光纖（L1）懸掛于管道側(cè)面（鐘表3點(diǎn)鐘位置），留出20米光纖環(huán)后引出第二段光纖（L2）緊貼在鐵管壁上，留出20米光纖環(huán)后引出第三段光纖（L3）穿于塑料管內(nèi)，最后引出光纖環(huán)，每個(gè)光纖環(huán)均被消音棉包裹，以減小背景噪聲的影響。

DAS系統(tǒng)設(shè)置采樣間隔為1米，采樣頻率為20kHz，脈寬50ns，通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到三段光纖分別受管道內(nèi)氣體由泄露孔泄露時(shí)的聲音影響時(shí)的位置（通道）分別為L(zhǎng)1：835-840；L2：861-871；L3：895-907，模擬泄漏孔設(shè)置有1mm孔、3mm孔，5mm孔，同時(shí)管內(nèi)氣體壓強(qiáng)由壓力表控制可調(diào)。

由圖3、圖4可知，管道泄漏的聲音對(duì)L1段光纖的影響比較雜亂，目前沒(méi)有獲得更好的實(shí)際應(yīng)用；L2段光纖是粘貼在管壁，在實(shí)際應(yīng)用中受外部條件影響較大。管道多數(shù)埋在地面下方，受地面活動(dòng)等情況干擾較大，若采用L1、L2段光纖用來(lái)監(jiān)測(cè)管道泄漏有較大幾率造成誤判。

本方案主要研究了塑料管內(nèi)L3段光纖的功率譜情況。在3mm孔和5mm孔分別開(kāi)啟時(shí)管道口泄漏聲音對(duì)光纖影響較大，隨著管道壓力降低，功率譜趨于平滑，壓強(qiáng)降到0.02Mpa左右時(shí)，功率譜再次提高。由于相位差的存在引起了功率譜隨著管道壓力降低時(shí)趨于平滑，隨著相位差周期性的恢復(fù)到0-45度的范圍時(shí)，功率譜因此而再次提高。圖6直觀顯示了光纖在某一時(shí)刻相應(yīng)位置的功率譜情況，越接近泄露口的位置，光纖對(duì)管道泄露的聲音響應(yīng)越大，近似于正態(tài)分布。

通過(guò)多次背景噪聲測(cè)試試驗(yàn)，得到了該實(shí)驗(yàn)方案的信噪比達(dá)到了10dB以上，但對(duì)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)管道泄漏時(shí)，10dB的信噪比仍處于較低水平，信號(hào)易淹沒(méi)于噪聲中。由DAS系統(tǒng)采集到的信號(hào)的功率譜如圖7所示，光纖對(duì)管道泄漏聲音的響應(yīng)頻率范圍為1-1000Hz，目前只能對(duì)低頻信號(hào)有較好的響應(yīng)，對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)不明顯，目前該方案對(duì)監(jiān)測(cè)管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的低頻段聲音具有良好的效果。

3 結(jié)論及展望

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用DAS系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)管道泄漏時(shí)的聲擾動(dòng)，在1km的光纖上實(shí)現(xiàn)了1米的空間分辨率，頻率范圍1-1000Hz，信噪比達(dá)到10dB以上。接下來(lái)將在消音室中進(jìn)行聲激勵(lì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，量化不同聲壓級(jí)、不同頻率的聲音對(duì)光纖的擾動(dòng)情況，從而提高將光纖聲學(xué)傳感應(yīng)用于監(jiān)測(cè)管道泄露的準(zhǔn)確性，此外計(jì)劃將光纖附著在聚苯乙烯片上以提高其靈敏度，改進(jìn)信號(hào)處理方法，提高信噪比。

致謝感謝感謝上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)提供的資助和支持，感謝上海波匯科技股份有限公司對(duì)本項(xiàng)目的資助和支持，感謝上海第二工業(yè)大學(xué)研究生項(xiàng)目基金對(duì)本項(xiàng)目的資助；感謝同濟(jì)大學(xué)對(duì)本項(xiàng)目的幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Cole， J. H. et al.， Fiber optic detection of sound[J]. Acoust. Soc. America. 1977 62：1136-1138.

[2]Bucaro， J. A. et al.Fiber optic hydrophone[J]. Acoust.Soc.America.1977.62：1302-1304.

[3]Kurmer， J. P. et al. Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection. Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors.1991，1586：117-128.

[4]P Rohwetter，R Eisermann，K Krebber. Random Quadrature Demodulation for Direct Detection Single-Pulse Rayleigh C-OTDR[J].Journal of Lightwave Technology.2016，34 （19）：4437-4444.

[5]Posey， R. J. et al.Strain sensing based on coherent Rayleigh scattering in an optical fibre. Electronics Letters.2000，36 （20）：1688-1689.

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