基于φ-OTDR的分布式光纖管道泄漏監測系統研究

摘要：結合分布式光纖傳感技術和光時域反射技術，對油氣運輸管道泄漏監測與定位系統進行了研究。利用指數閾值函數進行小波分析去噪，實現管道泄漏的實時在線監測和定位。分析了系統的硬件結構設計和小波去噪流程，搭建了實驗平臺并進行了重復性實驗，實驗測試結果表明，該監測系統安裝簡單，定位精準度較高。

關鍵詞：φ-OTDR;光纖;泄漏;定位

中圖分類號：TN253? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0034-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.009

引言

近年來，我國油氣消耗大幅度增加，對低成本、高安全性油氣管道運輸的需求與日俱增。但隨著管道運輸的廣泛應用，各類管道泄漏事故層出不窮，造成了巨大的經濟、能源損失，環境污染以及人員傷亡，因此油氣輸送管道的泄漏監測及泄漏點的精準定位已成為管道安全運行的重要保障。對油氣運輸管道進行實時泄漏監測和定位，可為泄漏管道的及時報警和維修提供便利條件，從而極大地減少經濟損失和能源浪費，盡可能避免因泄漏引起的環境污染和安全事故的發生。傳統的輸油管道泄漏監測定位方法中，有的是沿光纜全線逐點進行人工檢驗，效率低下，實施難度大，有的是通過測量管道內各種參數再配合軟件技術來進行監測[1-3]，但這些方法基本都存在不能提前預警、定位難以及成本較高等缺點。因此，本文提出了一種基于φ-OTDR（Phase-sensitive optical time domain reflectometry）的分布式光纖管道泄漏監測定位系統，其安裝更加方便，且提高了定位精度。

1? ? 系統工作原理

1.1? ? 分布式光纖監測原理

分布式光纖傳感是一種比較先進的監測技術，其中的光纖集傳輸介質和傳感元件于一體，可以實時獲取光纖敷設區域隨時空變化的溫度、壓力、振動、應變等被測量信息及環境信息。其工作原理是當光線在光纖中傳播時會產生后向散射效應，其中與入射光頻率相同的為瑞利散射，與入射光頻率不同的為拉曼散射或布里淵散射[4]，這些散射光中攜帶光纖纖芯的幾何與物理特性變化信息。當傳感區域內某些被測參數的改變作用于光纖某處時，會改變該處光纖纖芯的尺寸和折射率，從而使光纖中光波信號的相位和強度等發生改變，通過監測該點光信號的偏振狀態、相位、波長等參數的變化，就可以獲得該處的壓力、溫度等被測參數的信息。分布式光纖傳感技術的優點是施工簡單、成本較低且受環境影響較小，因此其近年來在管道監測領域的應用發展迅速。

1.2? ? φ-OTDR泄漏監測原理

相位敏感光時域反射φ-OTDR的監測原理：光線在沿光纖傳播的過程中會產生后向瑞利散射，當光纖某點受到外界泄漏干擾時，該點就會發生彈光效應，改變光纖纖芯的折射率，繼而散射光的光強也由于干涉的作用發生變化，散射光強隨著傳播距離的延長而衰減，且在一定條件下傳播距離正比于時間。

設光纖長為l，入射光的中心波長為λ，光纖折射率為n，則相位φ=nl，當光纖受擾動時，光的相位變化為：

式（1）中，光纖長度的改變量Δl=εl，其中ε表示光纖的縱向應變張量[5]，由于相位被調制發生改變，則相應的光電探測器所測得的電流也會發生改變。假設第n個散射點受到擾動，則干擾前后的電流變化為：

綜合式（1）和式（2）可知，根據相位變化就可以計算出瑞利散射相干光強的變化，并得到相應的泄漏擾動信息。

2? ? 系統結構設計

2.1? ? 系統硬件設計

本實驗系統結構如圖1所示。由于光源線寬越窄，光的干涉效果越好，因此系統采用超窄線激光器作為監測光源。函數發生器和聲光調制器通過強度調制把光源發出的光調制成脈沖光，再經摻鉺光纖放大器放大至23 dBm后進入管道內的傳感光纖。脈沖光在傳感光纖中傳輸時，受到纖芯折射率不均勻性的影響，產生在光纖內逆向傳播的后向瑞利散射光，當管道發生泄漏時，會對傳感光纖產生擾動，光纖內瑞利散射光的相位也會受到相應調制而攜帶泄漏信息，通過分析這些后向瑞利散射信號即可獲得傳感光纖上不同位置的擾動情況進而獲得泄漏信息。后向瑞利散射相干光通過環形器被光電探測器接收，轉變為易于測量的電信號，然后通過數據采集系統對其進行采集以形成傳感光纖內完整的空域信號并送到上位機進行小波消噪處理，以確定是否產生泄漏并完成泄漏位置的定位計算。

2.2? ? 閾值函數與閾值選取

常用的小波閾值降噪方法有軟閾值函數降噪和硬閾值函數降噪兩種，其中硬閾值函數的表達式為：

軟閾值函數的表達式為：

式中：λ為閾值。

其中硬閾值函數只處理絕對值比設定閾值小的小波系數，所以不能消除比較大的噪聲，且連續性不好;軟閾值函數處理后的小波系數與原始值之間存在固定誤差，從而有可能導致小波重構信號出現較大的誤差，丟失原始信息的某些特征。

為了在保留這兩種降噪函數優點的基礎上盡量彌補其缺陷，本實驗選取指數閾值函數，其函數表達式為y=x-λ+，指數閾值函數連續性較好，因此不會引起振蕩現象，且能夠處理所有的小波系數，避免了有用的小信號被濾除的危險，適合泄漏噪聲的處理。

閾值是區分噪聲信號和泄漏信號的關鍵數據，它的選取直接影響著去噪效果的好壞，因此閾值應根據分解尺度的變化而改變，可利用下式選取最佳閾值：

式中：σ為泄漏噪聲的方差;N為泄漏信號長度;j為分解尺度。

2.3? ? 小波去噪流程設計

原始信號中有用信息和噪聲混疊在一起，有用信息甚至會被噪聲湮沒，經小波分析去噪后可以濾掉暫態和瞬態信號，抑制高頻噪聲的影響，從而保留所需的信號尖峰及突變信號。其過程是經過小波分解后，有用信號與噪聲信號被分解到不同區域，通過選取恰當的閾值分離開高頻和低頻區域的小波系數，保留滿足閾值條件的有效信息，再對這些保留的有效小波系數進行逆變換重構[6]并顯示結果，若沒有泄漏則輸出管道運行正常信息，如有泄漏則發出報警。小波去噪流程如圖2所示。

3? ? 實驗結果

在實驗管道上加裝一段長為20 m的PE管道，加裝部分一段埋在沙土中，一段埋在水中，并開兩個直徑為8 mm、間距為10 m的小孔。將一根長為2 km的單模光纖敷設于管道表面作為傳感光纖。選用中心波長為1 550 nm、線寬為100 Hz的超窄線寬激光器作為光源，探測脈沖為150 ns，采樣頻率為50 MHz，精度為14位，實驗結果如表1所示。

由表1數據可得，在2 km的測試范圍內，該實驗系統的泄漏定位精度可控制在8 m以內。

4? ? 結語

本文提出了一種基于相位敏感光時域反射技術和小波去噪的管道泄漏定位系統，該系統可以對管道沿線發生的泄漏事故進行實時監測和報警，并且能較精準地確定泄漏點的位置。通過小波去噪可以有效去除噪聲，提高定位精度，在2 km范圍內可達到8 m以內的精度。分布式光纖管道泄漏監測技術，采用光纖作為傳感元件，安裝簡單，精度較高，不易受電磁干擾，電絕緣性能優越，且光纖具有較好的耐腐蝕性，更適用于潮濕復雜的管道敷設環境，在油氣輸送管道泄漏監測領域有著良好的應用前景。

[參考文獻]

[1] 趙亞麗.光纖光柵傳感系統解調方法概述[J].承德石油高等專科學校學報，2018，20（1）：48-53.

[2] 楊洋，沙洲，封皓，等.輸水管道預警與泄漏定位中φ-OTDR技術信號處理法[J].激光與光電子學進展，2018，55（4）：98-106.

[3] 沙洲，楊洋，劉穎華，等.小波信息熵在輸水管道泄漏檢測技術中的應用[J].電子測量與儀器學報，2018，32（7）：151-156.

[4] 張偉鵬.基于φ-OTDR的輸氣管道泄漏定位技術研究[J].石油和化工設備，2020，23（10）：82-84.

[5] 吳建靈，季偉，葉向陽，等.φ-OTDR技術在電力系統光纜監測中的應用[J].數字通信世界，2020（6）：203-204.

[6] 張勇，段運達，王臣，等.基于小波閾值去噪的管道泄漏檢測研究[J].化工自動化及儀表，2021，48（2）：128-133.

收稿日期：2021-12-22

作者簡介：趙亞麗（1982—），女，河北保定人，碩士，副教授，研究方向：光纖傳感技術與電氣控制技術。