光纖傳感管道預警技術及全光纖弱磁傳感發展研究

于振欣，孫崢

(1.中國船舶集團第七一五研究所,浙江杭州，310023；2.中電海康集團第五十二研究所,浙江杭州，310023)

0 引言

近些年來，隨著我國管道事業的不斷發展，管道運營管理安全工作在進行中面臨這越來越多的挑戰。對于石油公司企業而言，在日常工作中如何才能有效保障管道安全使用的前提下進一步降低運營成本是其需要思考的主要問題。當前為了進一步加大對石油管道的保護，人類主要是通過人工巡視、防止第三方人為地破壞等方式。在對管道進行檢測中，主要采取的檢測技術有負壓波、次生波等。然而這些技術只能在管道遭受破壞到發揮作用，并不能采取有效措施對其進行預防。隨著技術的不斷深入研究，有關于弱磁場的探測吸引著研究人員注意力。然而當前弱磁測量設備的實際發展情況依然無法滿足一些極端條件下的需求，因此需要不斷對其進行優化。具備高性能以及高靈敏度的弱磁測量設備的研制有著極其廣泛的應用空間。通過一定的方式將光導光纖傳感器本身所具有的高精度傳感線與原子磁力儀技術的高靈敏，與弱磁探測能力密切地結合起來可以為弱磁場的測量提供新的技術支撐。

1 光纖傳感管道預警技術

當前人類主要利用光纖傳感對管道進行檢測，檢測時利用管道內部所鋪設的光纜作為傳感器對管道的狀態進行實時監測，有效獲取沿線周邊土壤所產生的振動信號，并且使其以光纖為圓心的4 米范圍內形成有效地保護地帶。借助于信息分析技術對傳感器所獲得的信息進行深度剖析，一旦發現一些可能危及管道安全的事件，及時進行預警。該技術在具體應用中，不但要通過分析計算工作的進行對各類事件的類型及性質進行有效判斷，同時還需要通過GIS 及GPS 技術的有效利用世界對事件發生的地點進行有效定位，及時告知技術人員事故發生的具體點位。保障生產管理人員可以快速對事件進行響應，前往工作現場采取有效的措施對其進行處理，防止造成更大的破壞。圖1 為光纖傳感管道的預警示意圖。

圖1 光纖傳感管道預警示意圖

2 基于OTDR 技術管道預警原理及其系統組成

2.1 基于OTDR 技術管道預警原理

為了全面保障輸出功率，由光調制解調器進行功率的輸出工作，確保在最大程度上輸出窄脈沖光。而傳感光纖在擁有窄脈沖光之后，將會通過內部結構產生瑞利散射光。其它設備最終得到的疊加光信號是經過光調制以后反射回來的，進入到光接收模塊之后形成了光電轉換。A/D 轉換則是在光電轉換工作完成之后，進入到信號采集器當中。為了方便后續分析工作的進行，需要對得到的數字信號進行預處理，而預處理工作則是由信道協處理器完成的。經過分析后得到的最終結果將會監測處理系統當中，從而得到管網周邊所產生的一系列震動信息。如果發生線振動信息當中存在對管道造成破壞的隱患，則最終結果會傳輸到主控器系統當中進行報警活動。因此一旦窄線寬光脈沖以最大功率進行輸出之后，為了采樣工作的合理進行需要將其向后傳播，并且對產生的瑞利散射光干涉信號進行多點采樣工作。在采樣中要保障采集樣本的代表性。采樣工作完畢之后對得到的相關數據進行全面分析，最終由系統進行綜合判定確定管道是否在使用中發生了第三方破壞。一旦埋設光纜的位置出現一定幅度的震動，很可能會使瑞利散射光在該位置出現相應的變化，從而使與散射光相應的干涉光強產生變化。而后可以通過相關設備及時將前后瑞麗散射信號與前一時刻的后向瑞利散射信號進行相減。差值曲線上發生大幅度變化的干涉信號就是發生擾動的確切位置，具體而言可以通過公式1 進行計算。

3 管道預警系統技術指標及特點

管道預警系統技術指標如表1 所示。該系統在實際應用中有以下幾個方面的功能：

表1 管道預警系統技術指標

第一，由于其內部組件的合理配置可以令該系統實現全天候無縫隙實時監測，有效地改變了傳統的人工巡檢，實現實時監測。在事故發生之前，便可以向工作人員進行預警。

第二，在該系統在應用中對纖芯資源的占有量很少，只需要一根光纖便可以實現相關信號的傳輸工作。

第三，定位精度非常高。該系統通過把一根特定的光纜劃分為幾個連續的傳感單元，對整條線路的振動信號以及噪聲產生的空間進行嚴格的劃分。其實際定位精度可以高達±50 米。

第四，擁有極強的抵抗外界干擾的能力。可以根據環境噪聲的具體特性，分別采取針對性的手段對事件進行有效監督。保障幾個并行事件之間的監督工作不會受到彼此之間的影響。

第五，具有非常靈敏的監測能力。該系統可以監測到管道附近30 米以內是否存在機械施工行為，管道15 米以內是否存在車輛碾壓事件，同時還可以對5 米范圍內是否有人類進行活動等進行全面監測。

第六，擁有非常強大的類型識別能力。一旦該系統在應用中發生預警事件，系統立即對事件的類型進行有效識別，識別準確率高達90%以上。而預測事件失誤的概率僅占10%。

4 原子弱磁傳感總體結構

對于原子弱磁傳感而言，為了保障及各項功能的合理發揮。一般采用如圖2 所示的基本工作原理。

圖2 原子磁力儀工作框圖

原子弱磁傳感儀系統是由泵浦光光路、檢測光光路等部分構造而成。原子磁力儀系統當中的泵浦光光路是由激光器、起偏器以及1/4 波片經過有機配合密切組合而成的。就一般情況而言，當工作人員打開激光器，激光器通過內部元器件功能的發揮發射出一道特定參數的激光束。該激光束后續將會通過起偏器。由于起偏器所具有的重要作用，可以使其變為一束沿著水平方向不斷振動的線偏振光。為了有效保障后續工作的正常進行，人們將1/4 波片與起偏器呈現45 度角。在這樣的情況下線偏振光一旦經過1/4 波片之后，將會進一步變成左旋圓偏振光。左旋圓偏振光繼續向前傳播，經過原子氣室之后會和位于氣室內部的一些原子產生相互作用，原子在吸收左旋圓偏振光所產生的光子能量之后，將會進一步產生能級躍遷，轉化為激活狀態，從而進一步使得堿金屬原子氣室的光學特性產生一系列特定的變化。

為了有效保障監測光光路的合理性，研究人員為其配備了激光器、起偏器以及檢偏裝置。當激光器發射出的激光途經起偏器之后將會變成線偏振光。而線偏振光入射到極化原子氣室之后，偏振平面將會發生一定角度的旋轉。然后由檢偏裝置對偏振面的旋轉角度進行全面測量，最終得到原子自旋極化率這一重要參數，將該參數代入特定的公式計算后，可以最終得到待測弱磁場的具體大小。

原子磁力儀系統當中不同元器件都有各自特定的作用，對于原子磁力儀系統作用的正常發揮都有著非常重要的意義。其中亥姆霍茲線圈的意義更為重大，通過其作用的正常發揮可以生成待測量的弱磁場；而磁屏蔽筒則可以全面屏壁測量工作進行中來自于外界環境中的一些磁場干擾，從而使得原子氣室處于弱磁場的環境當中，實現無自旋交換弛豫狀態。通過加熱裝置可以使得位于原子氣室內部的一些金屬固態變為氣態。除此之外，位于原子氣室內原子的密度和加熱溫度有著非常密切的聯系。通過這項特性不難發現，通過調節加熱裝置可以對原子的密度數進行間接調節。

5 全光纖弱磁傳感發展趨勢

擁有超高靈敏度的原子磁力儀由于在具體應用中所具有的強大優勢，將會是未來探究弱磁測量影領域不可或缺的設備之一。圖3 為原子磁力儀的原理示意圖。

圖3 原子磁力儀原理示意圖

相信在不久的將來，醫學可以采用該儀器代替常用的SQID，對人類的一些中重要器官進行使圖像成像。對一些不易檢測的部位如人類的大腦以及心臟等進行有效探測，觀察其是否發生病變。當前國外以普林斯頓大學為代表的研究團隊，當前已經在原子磁力儀取得了巨大的成就。而國內由于各項因素的影響當前依然處于起步階段，因此我國需要進一步加大對相關領域的研究力度，研制出更具有更高性能的磁力儀。光纖傳感器所能發揮的作用是其他傳感器所無法比擬的。這一傳感器在具體應用中，擁有超高靈敏性，而且可以抵抗周邊環境的腐蝕。除此之外，在實際應用中占地占據空間面積很小，而且擁有較強的干擾能力。以光學科技為基礎的光纖傳感器可以對各物理量進行精確地測量，同時其魯棒性也非常高。當前，為了促進自身的競爭力，世界上各個國家都在積極研發光纖傳感器。在諸多的研究領域當中，光纖陀螺儀利用光纖中兩個偏振模式的賽格納克效應所產生的干涉來對慣性空間轉動角速度進行有效測量。經過多年的研究，當前國內已經實現了10-50/h的高精度慣性測量。通過這些發展不難發現，隨著光纖傳感技術的不斷向前發展以及原子磁力儀在實際使用中具有的高精度性能實現對弱磁的有效探測以及測量技術的高靈敏度、高精度、小型化、集成化是未來的重要發展趨勢。

6 結束語

通過管道預警系統作用的正常發揮可以對管道進行全線覆蓋，并且對其實現長距離實時監測。在具體應用中擁有較高的靈敏度，而且響應快速，可以對事故發生地點進行準確定位，對于保障我國管道安全有著非常重要的意義。通過該系統的有效應用，可以讓管道防護工作變被動為主動。真正的對管道安全進行實時監測，及時發現出現問題的管道并且對其進行有效處理。同時該系統還能及時發現管道中存在的一些微小安全隱患，并且采取有效的預防方案更好的避免了出現大規模安全事故。管道預警系統對我國長輸管道有很高的利用價值，對我國經濟發展有著十分重要的意義。同時系統全光纖化具備的整體性、封閉性大大地增加了測量裝置在基體使用中所具有的穩定可靠性，可以大大降低了外界干擾帶來的噪聲，從而使得測量裝置的精度得到了大幅度提高。