浅谈基于分布式光纤传感技术的管道泄漏检测和定位

杨 杰

（南通大学机械工程学院，江苏 南通226019）

0 引言

1 检测系统基本原理

图1为基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏检测系统简图。

图1 基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏检测系统简图

从图中可以看出，该系统的传感光纤以环形对称的形式检测声场变化，这种环形结构中对称的2个传感光纤中的光波信号会相互调制而使信号相互抵消，产生互易效应，对干涉信号的输出造成不良影响。为解决这个问题，一般做法是将其中一半光纤改作非传感光纤，使其与声场隔离。但该方法在工程实践中会增加施工难度和工程造价。为此本文介绍一种基于Sagnac干涉仪的直线型分布式光纤传感技术［2］，它在满足管道泄漏检测及定位要求的基础上，消除了环形对称光纤传感器结构的缺陷，如图2所示。该系统由2个分别和法拉第旋转镜FRM1和FRM2相结合的传感光纤组成，且这2个传感器为直线型分布，组成2个直线形的Sagnac干涉仪，使其对复杂的管道敷设形式具有更好的适应性，同时对传统Sagnac干涉仪的零光程差特点予以保留。其中的法拉第旋转镜不仅可以将光波信号按原路反射而使传感光纤形成一个Sagnac环，同时还可以补偿由于传感光纤双折射所引起的“偏振诱导信号衰落”［3］。相位调制器的作用是产生高频载波，光电转换器（PD1、PD2）进行光信号与电信号的转换。图2中1～9是耦合器，以其作为分光器使用，延时线圈的作用是对Sagnac干涉仪中双向传输的光束进行调节，使其相位差不同，防止发生互易效应。2个传感光纤构成的Sagnac干涉仪共用延时线圈和相位调制器。

图2 分布式光纤管道泄露检测系统简图

从光源发出的低相干、宽带光通过耦合器1后被分为2束，分别经过耦合器2和3。其中，经过耦合器2的光被分为以下2个路径传输：

（1）A—B—C—FRM1—C—H—G—A；

（2）A—G—H—C—FRM1—C—B—A。

在延迟线圈的作用下，2路光波虽然经过了相同长度的传输路径，但它们到达管道泄露点的时间会有所不同，这就实现了Sagnac干涉仪零光程差特点，形成Sagnac干涉仪。

经过耦合器3的光被分为以下2个路径传输：

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（1）D—E—F—FRM2—F—H—G—D；

（2）D—G—H—F—FRM2—F—E—D。

同上，这2条传输路径也符合零光程差特点，形成Sagnac干涉仪。

除了这2组干涉光还有其他光束存在，但这些光束都不满足Sagnac干涉仪零光程差的特点，因而无干涉。所以，该系统可形成2个独立的Sagnac干涉仪。如果把这2条传输光纤沿着管道两侧敷设，则可以检测的管道长度为2条传感光纤长度之和。本系统的原理为：当管道泄露，管中的流体从漏孔中泄出时，会和管壁摩擦而发出应力波（即泄露声波信号），同时管道发生振动，其中部分声波信号会以空气为介质向管道周围传播，传感光纤在这些信号的作用下，其长度和折射率都会发生变化，从而使其中传播的光的相位被调制，光波相位变化幅度Δφ可以表示为：

式中，β为光纤中光波的传输常数；L为光纤在应力波作用下的长度值。

泄漏信号是宽频信号［4］，其作用于传感光纤而使其中传输的光波相位被调制，且相位变化值φ可以表示为：

式中，φs为被调制后的光波相位变化幅值；ωs为泄漏信号的角频率。

由于传感光纤组成的2个Sagnac干涉仪传感原理相同，所以此处只对路径1和路径2所形成的1个Sagnac干涉仪进行分析。在传感光纤1构成的干涉仪中，2路光波被泄露信号调制之后的电场E1和E2可以表示为：

式中，E10和E20分别为2路光的振幅，由于本系统中采用的都是3 d B耦合器，所以E10＝E20；φ1、φ2分别为2束光的初相位；ωc为光频率；τ1为光经由A、B、C点之后，首次到达泄漏点所用的时间；τ2为光经由A、B、C点，再经过FRM1的反射之后，到达泄漏点所用的时间；τ3为光经由A、G、H、C点之后，首次到达泄漏点所用的时间；τ4为光经由A、G、H、C点，再经过FRM1的反射之后，到达泄漏点所用的时间。

2束光输出的光强为：

其中干涉项为：

如果令τd＝［（τ3＋τ4）－（τ1＋τ2）］／2为光波经过延迟光纤所用的时间，τs＝［（τ4－τ3）＋（τ2－τ1）］／4＝ns／c为光波从泄漏点传到FRM1所需时间（其中s为泄漏点到FRM1的距离，c为空气中光波的传播速度，n为光纤的折射率），τT＝τ2＋τ3＝τ2＋τ4为光波经过整个Sagnac环所需时间，而且由于本系统中采用的都是3 d B耦合器，故φ1－φ2＝0，因此，式（6）可写成：

利用信号解调技术可以将相位差4φscosωs（t－τT／2）×sinωs（τd／2）cos（ωsτs）从干涉信号中解调出来。

式（7）中，sinωs（τd／2）项会对传感光纤的信噪比产生影响，如果sinωs（τd／2）比较小，则相位差也较小，即信号较弱而容易被噪音淹没。所以在选择传感光纤时应该选择合适的延迟长度，使sinωs（τd／2）在泄漏信号的宽频范围内保持较大值，从而提高系统的信噪比［5］。

2 泄露点定位

当管道泄漏时，通过对受到泄露信号调制的光波进行频域分析，在宽频特征的泄漏信号范围内存在着可以使cos（ωsτs）为0的频率，称零点频率，即：

其中，N为奇数。对于确定的τs，将有一个或多个ωs。使N＝1，依据式（8）可以求得τs，然后再根据τs＝ns／c，可以获得泄漏点距法拉第旋转镜的距离s：

式中，fs为泄漏信号频率。

从而成功地确定泄露点位置。

3 检测系统灵敏度

灵敏度是指系统输出变化量和输入增量之间的比值［6］。那么，本系统的灵敏度可以用泄漏位置变化Δs所引起的零点频率变化Δf来表示。对式（9）取距离的微分，有：

由式（10）可知，系统的灵敏度是一个关于泄漏位置s的函数，而不是固定值，且随着泄露点距法拉第旋转镜的距离s的增大，d f／d s会大幅减小。而灵敏度的降低会直接影响系统定位的准确度，为了确保系统灵敏度达到要求，系统检测的距离就不能过长，这样检测距离和系统的灵敏度成为一对矛盾体。由于本系统为2条传感光纤构成，且每条光纤可以作为一个单独的传感器，因此在灵敏度相同的情况下，其检测距离能够增加一倍。

4 结语

文中介绍了基于Sagnac干涉仪的分布式光纤管道泄露检测系统，多次试验证明，该系统检测稳定性与定位精确度都能够满足工程应用的要求。当然，一个检测系统不可能完全达到完美的水平，比如本系统测试信号具有很强的背景噪音，因此将来要针对这一问题开展必要的研究，使其定位精确度进一步提高。

［1］宋牟平，赵斌，章献民．基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器［J］．光学学报，2005，25（8）

［2］杭利军，何存富，吴斌，等．水下管道泄漏检测技术及定位方法研究［J］．激光技术，2011，35（3）

［3］骆建伟．光纤传感管网泄漏检测系统偏振控制及现场实验研究［D］．北京工业大学，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］盛兴，邓大鹏，王晶，等．干涉型光纤传感信号去噪方法的研究［J］．光纤与电缆及其应用技术，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）