基于分布式光纖傳感的振源距離估測方法

楊玥 董雷 明昌朋

（武漢理工光科股份有限公司 湖北省武漢市 430223）

1 引言

油氣管道是國家的能源動脈，第三方施工導致的意外事故是造成我國油氣管道事故的主要原因。分布式光纖傳感技術使用與油氣管道同溝敷設的通信光纜作為振動傳感與信號傳輸元件，具有長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁等優點，已經在油氣管道安全監測領域得到了成功應用。在分布式振動光纖傳感系統獲得油氣管道周圍的振動信號后，需要對獲得的振動信號進行分析和篩選，判斷振動源是否會對管道構成威脅。對發生于離管道較近位置具有破壞性的外界激勵進行及時報警，同時降低對離管道位置較遠的非破壞性激勵振動的報警率，是提升系統運行效果的關鍵。

2 土壤振動波傳播模型

光纖預警系統是一個振動感知系統，外界入侵事件發生時外力作用于地表使地表振動，振動以機械波的形式在土壤中傳播，預埋光纖感受到地表振動會激發受迫阻尼振動，應力和應變的作用使光纖中傳輸光的相位發生變化，后向散射光在光纖中產生干涉，光信號包含有與外界入侵相關的信息，經過分析和處理，可以判定外界入侵事件的發生及其性質。

當出現入侵事件時，外界作用力與地表相互作用，不同振源與地表作用時力的大小、作用時間、能量大小等均有一定差異。將入侵事件簡化為點或面作用源，事件作用激發地表的振動，其作用深度、振動頻率以及傳播特征等與地表的物理特性密切相關。根據分布式振動光纖傳感系統獲得光纖周圍的擾動信息后，針對油氣管道周圍的防挖掘破話等監測，需要對振動信號在土壤中的傳播特性進行分析。油氣管道敷設于地底，在受到外界擾動破壞時，其擾動信號首先通過敷設于管道外的土壤傳播，進而被作為傳感單元的通信光纜探測接收到。

由于油氣管道所處野外空曠環境，相對于大地而言其幾何尺度可忽略不計，因此可假設管道周圍的地質環境一致，同樣模式的振動波的傳播速度一致。因此可將管道周圍的振動波傳播模式采用如圖1所示。

圖1所示給出了振動波的傳播特性和光纖傳感單元監測信號的示意圖，圖中的下一部分給出了振動探測信號的時空特征曲線，其中標注的曲線方程可根據圖2所示橫向定位模型示意圖推導得到。具體推導過程如下：

假設振源為O 點，其振動波的傳播速度為v，其距離傳感光纜最近的點為A 點，振源與傳感光纜之間的垂直距離為（線段OA）H，傳感光纜上A 點對應的光纖距離為d0，由于振源激勵出的振動波具有以振源中心為圓點的圓形波陣面，因此，在傳感光纜上A 點為最先探測到振動波波前的位置。假設振源的振動波被傳感光纜上A 點探測到的時間點為t0，振動波在探測點C 點接受到信號的時間為t，C 點在光纖上的距離為d。由于波陣面為圓形曲線，則圖中存在以下幾何關系：

圖1：振動信號的時空特性模型

圖2：振源定位模型示意圖

由以上幾何關系可建立如下關系式：

對（2）式進行化簡后可以得到如下函數：

此函數便是振動波傳播的時空特征函數。基于此函數，在通過光纖傳感系統獲得了管線周圍分布式擾動信號的時空特征曲線后，通過對擾動信號對應的光纖中心點d0、隨地質情況而變換的振動波波速v、以及擾動信號在傳感光纜上的起始觸發時間t0等參數的分析和估算，從而實現對振源與傳感光纜之間的橫向距離H 的估測。

表1：波速估值數據占比和均值統計

表2：振源距離估測結果統計

3 振源距離估測方法

利用分布式光纖傳感技術連續實時的優勢，可以在時間-空間維度上，對挖掘信號進行進分析和識別。不需依賴于額外的波速測量儀器，通過對光纖振動信號的采集分析，結合已有各個位置的光纜埋深信息，得到當地的土壤中振動波速估值。再將振動波速估值代入振動源橫向距離計算。計算步驟如下：

（1）在光纜沿線劃分多個樣本采集的區段，需涵蓋整個光纜探測范圍。

（2）每個區段中：在光纜的正上方，采集多組重錘激勵振動信號樣本，每個樣本包含一次激勵信號。同時，記錄這個位置對應的光纜埋深H。

（3）對于每組重錘激勵振動信號樣本：對一段連續空間內振動波到達各個位置的時間點進行定位，并確定離振源最近的位置，具體步驟：

1.設置信號激勵閾值Th；

2.對于每個位置的時序信號（記共有n 個位置），找到各自第一個超過激勵閾值Th 的時間點，同時對應該位置信息，存儲為數組；中的最小值，記為tcen，其對應的位置，記為dcen，即激勵最先到達的位置。[dcen,tcen]即離振源最近的光纖位置，振動波到達的時間點；

（5）對于在同一區段采集的所有重錘激勵振動信號樣本，重復步驟3 和步驟4，繼續得到多個v 的估值。

（6）對于由同一區段采集的所有重錘激勵振動信號樣本，計算得到的所有v 的數值，進行加權平均，即得到這個區段最終的振動波速估值。

（7）對于光纜沿線每個區段，重復步驟2 至步驟6，即可得到光纜沿線各個區段的振動波速信息分布。

4 測試結果

某天然氣管線監測段長度約為30km，使用與管道同溝敷設的通訊光纜中的1 芯光纖作為傳感器，在管道沿線多個位置進行機械激勵樣本采集和測試。

其中，在距離探測起點27km的測試區段，已知光纜埋深為2.3m，通過對采集樣本的計算分析，得到多個土壤振動波速v 的估值，數據占比和均值統計如表1所示。

對表1 中的數據進行加權平均，得到該處土壤中振動波速估值為195.3m/s。

在這個區段，距離光纖橫向50 米、40 米、30 米、20 米、10米的位置依次進行機械挖掘激勵，每次激勵得到多組，將此處振動波速195.3m/s 代入振動源橫向距離計算將所得結果取均值，即為振動源橫向距離估測結果。在5 個位置的振動源橫向距離估測結果如表2所示。

由表2 的測試統計結果可以看出，本次激勵測試，當振源在距離光纖10m-50m 位置進行激勵時，系統的單次估測誤差≤10.1m，誤差均值絕對值≤2.6m，標準差≤4.5m。

5 小結

本文提出的基于分布式光纖傳感系統的振源距離估測方法，能夠不依賴于額外的波速測量儀器，直接通過分析光纖振動傳感系統所采集的信號樣本，結合已有各個位置的光纜埋深信息，獲得各監測區段的土壤中振動波速信息，用于代入激勵源距離光纖橫向距離計算，優化油氣管道安全監測的預警效果。距離估算結果能夠滿足±10m 的精度。