环境因素对光纤传感管道安全预警系统性能的影响

史家旭，齐迎峰，李小彤，郭　强，沈　珂，张海洋

(1.中石油北京天然气管道有限公司，北京 100012; 2.北京裕荣众联科技有限公司,北京 100085)

0　引言

管道运输已成为继铁路、公路、水路、航空运输之后的第五大运输方式[1]。为了提高管道安全管理水平、及时发现针对管道安全的潜在威胁，必须采用先进的技术手段，建立科学的管道安全管理平台。

分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的。自问世以来，该技术得到了广泛关注，并取得了长足的发展。该技术对待测量的在光纤内传输的光波参量进行调制，并对经调制的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值。基于该技术的光纤传感器可以广泛应用于各种参量测量，包括位移、振动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、电压、温度等；同时，它还具有灵敏度高、响应速度快、防电磁干扰、耐腐蚀等特点。分布式光纤传感器可以利用现有的通信光缆进行监测，具有预警和定位功能，能够实现全天候的实时监控，是组成管道安全监控系统的理想产品。

1　分布式光纤传感器

分布式光纤传感技术能够体现光纤的分布伸展优势。采用这种技术的光纤传感器有许多种类型。其中，适用于管道安全预警系统的主要有散射型分布式光纤传感器和干涉型分布式光纤传感器两种。

散射型分布式光纤传感器通过监测光纤在向前传输过程中所产生的后向散射光强进行测量。其典型产品是光时域反射器(optical time domain reflector，OTDR)。根据传统OTDR原理和结构，提出了许多新的传感原理和传感结构，如基于相位敏感的Φ-OTDR技术、基于偏振敏感的P-OTDR技术、基于布里渊散射的B-OTDR技术等[2]。这些技术发展相对成熟，现已广泛应用于各种测量系统中。

干涉型分布式光纤传感器又称相位调制型光纤传感器，主要通过光干涉原理进行信号检测。根据不同的原理和装置结构，其可分为迈克尔逊(Michelson)干涉型、马赫-曾德(Mach-Zebnder，M-Z)干涉型、萨格纳克(Sagnac)干涉型以及法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉型[3]。由于具有敏感度高、测量的动态范围大等优点，干涉型分布式光纤传感器可以根据各自的特点，分别应用于长距离、大动态信号设施的安全监控。

2　管道安全预警系统面临的挑战与要求

分布式光纤管道安全预警系统利用与管道同沟铺设的通信光缆，构成基于Mach-Zehnder光纤干涉仪原理的分布式振动传感器。其安装方便，无需二次施工。通过标准特征库和分类识别器，对振动信号进行模式识别，可准确地对管道沿线的危害事件(如管道附近违章施工、人为破坏以及自然灾害等事件等)进行威胁评定与分类，也可对较大范围内的油气泄漏进行报警和定位[4]。

由于管道沿线的地质条件和周围环境非常复杂，安全预警系统必须面对各种严峻的挑战。其主要体现在以下三个方面。

①识别能力。

由于管道可能会穿越公路、铁路、村庄、城镇等不同的地域，来自外界的干扰源多而复杂，对安全预警系统的识别能力和抗干扰能力提出了很高要求。安全预警系统必须能够准确识别外界干扰，从而正确报警、减少误报。

②动态范围。

管道安全预警系统涉及的信号包括各种物理参数，动态范围非常大。其中：信号的震幅相差几十倍，震动频率一般为10～20 kHz，甚至能达到超声波频率(400 kHz)范围。因此，系统必须具有足够大的动态范围，否则将会存在漏报的风险。

③适应能力。

油气管道分布地域广，地质条件复杂，可能经过农田、湿地、山地、河流等各种不同的地质环境，甚至可能伸出地面。由于传感光缆对不同地质环境的感知度是不同的，因此要求系统具有很强的适应能力，以确保系统整体性能基本一致，使性能指标归一化。

分布式光纤传感器利用光纤的一维特性进行测量。相对于传统的传感方法，分布式光纤传感器具有更多的优势：它不但能同时得到被测空间分布状态和随时间变化的信息，还可以在整条光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，有较好的分辨率；结合了光纤的高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、高可靠性、体积小等特点，能够实现对数十公里管道的实时监测[5]。

3　管道安全预警系统性能测试方法

分布式光纤传感器在管道安全预警系统应用中有许多优势，但是环境因素对系统性能有很大影响。这些因素主要包括光缆结构、光缆埋设方式、光缆埋设深度以及土壤环境等。为了进一步检测管道安全预警系统的性能，选取市场上相对成熟的干涉型分布式光纤传感器进行测试，并对测试数据进行客观分析和评估。

为了得到科学、合理的测试数据，有必要建立一个切实可行的试验模型。

3.1测试设备

测试产品选用基于干涉原理的分布式光纤传感器。该传感器由监控主机、引导光缆、首末端模块和传感光缆四部分组成。传感光缆采用三芯单模光纤。其中：两芯作为传感臂，第三芯用于回传信号，使整个系统构成一个回路。干涉型分布式光纤传感器有多种类型。本文选择基于M-Z干涉技术的分布式光纤传感器作为测试对象，其原理图如图1所示[6]。

图1　基于M-Z干涉技术的分布式光纤传感器原理图Fig.1　Schematic diagram of the distributed optical fiber sensor based on M-Z interfere technology

3.2　测试方法

确定测试方法要考虑多种因素，包括测试环境、地质条件和测试地点等。但现实中可能遇到的情况更为复杂。对此，可以通过数据分析进行类比，综合评定。

①测试管线：中石油陕京二线，管线长度22.6 km。

②传感光缆：借用伴随管线埋设的通信光缆，光缆长度约为25 km。

③测试时间：2017年5月至2017年10月，历时6个月。

④测试地点：近距离，在整个测试管线的头部；中距离，在整个测试管线的中部；远距离，在整个测试管线的尾部。

⑤地质条件：土壤成分为黏土/沙土；土壤密度为软/硬；土壤水分为干/湿。

⑥测试方式：人工作业采用大锤或锄头敲击；机械作业采用夯机和挖掘机测试。

3.3　数据采集

无论是人工模拟测试还是机械模拟测试，每次均在选好的测试地点进行测试，记录十个数据；然后计算平均值，作为该点的真实数据。在测试的同时，记录该测试点的光缆埋设情况、地质条件、光缆深度和周边环境等信息，作为参考数据。隔一段时间后，进行同样的测试，记录数据并将其与前期采集的测试数据进行对比。

分布式光纤传感器基本测试数据如表1所示。其测试时间为2017年8月2日，测试地点为陕京二线。

表1　分布式光纤传感器基本测试数据Tab.1　Basic testing data of distributed optical fiber sensor

对表1的说明如下。

①表1显示了在不同位置对分布式光纤传感器的基本测试数据。

②在光缆正上方测试时，报警定位结果比较准确。

③由于两根纤芯平衡度变差，信噪比明显恶化，导致远端定位的精度下降。

4　数据分析

由于光缆的结构和材料不同、埋设方式不同以及埋设土壤的复杂性，存在诸多影响检测灵敏度的不确定因素[7]。

通常情况下，管道传输距离比较长，沿线的地质条件和环境情况比较复杂，这些因素对管道安全预警系统性能都会产生一定的影响。该影响体现在很多方面。现根据测试结果作如下分析。

4.1　土壤密度对探测灵敏度的影响

土壤密度对探测灵敏度的影响如表2所示。其中，报警位置一位于960 m，土壤为半沙/较硬，光缆直埋1.5 m；报警位置二位于22 400 m，土壤为沙质/较软，光缆直埋1.7 m。

表2　土壤密度对探测灵敏度的影响Tab.2　Influence of soil density on detecting sensitivity

对表2的说明如下。

①黏质土壤密度大，传感效果较好，探测范围较大；人工测试范围为3 m，机械测试范围为6 m。

②沙质土壤密度小，传感效果较差，探测范围缩小；人工测试范围为2 m，机构测试范围为3 m。

4.2　土壤含水量对探测灵敏度的影响

为测试土壤含水量对探测灵敏度的影响，选取960 m处的测试地点，光缆情况为直埋/深度1.5 m，采用大锤敲击地面的方法，土壤性质为较硬的半沙黏土。其中，8月2日为阴天，雨后，土壤含水量较大；8月21日为晴天，土壤含水量较小。测试结果如表3所示。

表3　土壤含水量对探测灵敏度的影响Tab.3　Influence of soil moisture on detecting sensitivity

对表3的说明如下。

①土壤含水量小时，探测灵敏度较高，探测范围为3 m；土壤含水量大时，探测灵敏度较低，探测范围为2 m。

②土壤含水量对灵敏度影响在10%～20%左右。

③冬季地面结冰，土壤密度增加，灵敏度增高；夏季雨水较多，土壤密度降低，灵敏度降低。

4.3　光缆结构对探测灵敏度的影响

基于M-Z干涉原理的光纤传感器需要两根光纤作为传感臂，其性能与光缆结构和光纤分配方式密切相关，具体描述如下。

①层绞式结构光缆。

实际测试结果表明，传感光纤的两臂可以灵活配置；在一定的条件下，两根光纤之间的距离与探测灵敏度成正比。

层绞式光缆结构如图2所示。由图2可知，光缆中心为加强芯，周围有六根束管，束管中间是光纤。基于干涉原理的光纤传感器采用两根光纤作为传感臂，不同的分配方式标志着不同的探测灵敏度[8]。

图2　层绞式光缆结构示意图Fig.2　Structure of stranded optical fiber cable

②中心束管式结构光缆。

根据以往测试结果，传感光缆为中心束管式，传感臂的两根光纤出自同一根束管，且光缆外套有导管，因此传感器探测灵敏度相对较低。中心束管式光缆结构如图3所示。

图3　中心束管式光缆结构示意图Fig.3　Structure of center beam tube optical fiber cable

层绞式光缆光纤分配方式对探测灵敏度的影响如表4所示。表4中，★表示探测灵敏度的敏感程度。

表4　光纤分配方式对探测灵敏度的影响Tab.4　Influence of optical fiber cable configuration on detecting sensitivity

中心束管管式光缆测试结果与表4中“同一束管”测试结果基本一致。

4.4　光缆埋设条件对探测灵敏度的影响

光缆埋设条件对探测灵敏度有一定的影响。传感光缆对周围介质的感应程度不同；即使是相同介质，不同深度的探测结果也不一样。分别对以下3种光缆埋设条件进行测试。

①60 m处，半沙/较硬地质、光缆直径为1.5 m；②6 280 m处，沙质/较软地质，穿管2.5 m；③22 400 m处，沙质/较软地质，直埋1.7m。

测试所得光缆埋设条件对提探测灵敏度影响结果如表5所示。

表5　光缆埋设条件对探测灵敏度的影响Tab.5　Influence of buried conditions of optical cable on detecting sensitivity　m

表5中的数据基于两根传感光纤，分别来自两个相邻束管。光缆埋设方式通常为穿入保护套管和直埋两种。穿入保护套管的分布式光纤传感器的探测灵敏度低于直埋分布式光纤传器[7]。

由表5可知，光缆埋设深度与探测灵敏度存在一定的关系。光缆穿管埋设将降低探测灵敏度，对探测灵敏度的影响大约为20%。

4.5　光纤平衡度对定位精度的影响

基于M-Z干涉技术的分布式光纤传感器定位原理，是利用与管道同沟敷设光缆中的三根普通通信光纤作为连续分布式的土壤振动检测传感器。传感器拾取管道附近沿线土壤的振动信号；土壤振动信号经由不同的光路，在不同的时间分别传到光电检测器；由光电检测器输出的电信号经过处理分析，可以根据传输时间差值分析、计算出管道附近土壤振动事件的发生位置[8]。管道安全预警系统检测到的振动信号由于长距离传输，常常伴随着强大的噪声干扰。这些噪声会降低信号的相关度和定位精度[9]。同时，这种光纤传感器的两根传感光纤长度和衰减值是否一致(即光纤平衡度是否良好)，对系统的定位精度也有很大影响。

传感臂两根光纤OTDR数据测试结果如图4所示。

图4　OTDR数据测试结果Fig.4　Test results of OTDR data

由图4可知，干涉法分布式光纤传感器采用两根光纤作为传感臂，光纤总长度为24.93 km。第一芯衰减平均值为0.439 dB/km@1 550 nm；第二芯衰减平均值为0.437 dB/km@1 550 nm。两根传感光纤在近端平衡度较好，在远端较差。

传感光纤平衡度对定位精度的影响如图5所示。

图5　传感光纤平衡度对定位精度的影响Fig.5　Influence of optical fiber balance degreeon locating accuracy

光纤平衡度对定位精度有一定影响。光纤平衡度较好的区域(近端)，定位精度较好，定位平均误差小于70 m；光纤平衡度较差的区域(远端)，定位精度较差，定位平均误差小于300 m。

4.6　震动源相对光缆位置对定位精度的影响

震动源相对于光缆的位置不同，其定位精度也会产生一定的变化。

①震动源产生的波向外扩散时，其传播呈现的是一个球面，在两个不同的两维剖面上都呈扇形。

②波前扩散到传感光缆时，光缆感受到的震动不是一个点，而是一个线段。

以下具体分径向剖面和横向剖面两种情况进行分析。

4.6.1径向剖面

从表1中的数据可以看出，在光缆正上方敲击时，系统定位最为准确；偏离光缆正上方的进行敲击，随着偏离距离的增加，震动波的波前到达光缆时与光缆接触的区域增大，光缆的这一段区域都将产生回波信号。监控主机结果表明，分析后得出的是多个定位信息，定位精度也有所下降。震源与光缆的距离对定位精度的影响如图6所示。

图6　震源与光缆的距离对定位精度的影响Fig.6　Influence of distance between vibration source and optical cable on locating accuracy

4.6.2横向剖面

在同一个地点进行敲击测试。随着光缆埋设深度的增加，震动波波前到达光缆时与光缆接触的区域增加；光缆的这一段区域都将产生回波信号，监控主机分析后得出的是多个定位信息，定位精度也有所下降。

光缆埋设深度对定位精度的影响如图7所示。

图7　光缆埋设深度对定位精度的影响Fig.7　Influence of optical cable buried depth on locating accuracy

震动源离光缆越近，定位精度越高。随着震源与光缆之间距离的增加，震动波波前到达传感光缆时与光缆的接触区域也随之增加，将会出现多个定位数据；而且，随着分布范围变大，定位精度相应降低。

4.7　光缆质量对有效探测距离的影响

通常情况下，层绞式光缆出厂时的衰减值为0.21 dB/km@1 550 nm；埋入地下施工后测量，光缆的衰减值一般在0.25 dB/km@1 550 nm左右；数年后，光缆的衰减值一般小于0.30 dB/km@1 550 nm。

根据本项目采用的基于干涉型分布式光纤传感器要求，如果以衰减值0.25 dB/km@1 550 nm计算，系统的最大有效探测距离在40 km左右；如果以衰减值0.30 dB/km@1 550 nm计算，系统的最大有效探测距离在35 km左右。

以上分析表明，系统的有效探测距离与光缆质量、光缆施工质量密切相关。如果施工质量差，会造成光纤衰减加剧、系统的有效探测距离相应缩短。与此同时，还要考虑光纤随时间增加、衰减值相应增大的情况，留有一定的冗余，以备不时之需。

5　结束语

环境因素对管道安全预警系统性能有一定的影响，主要表现在如下几个方面。

①土壤密度对探测灵敏度的影响：黏质土壤密度大，探测范围大，探测灵敏度高； 沙质土壤密度小，探测范围小，探测灵敏度低。

②土壤含水量对探测灵敏度的影响：土壤含水量小，探测灵敏度较高；土壤含水量大，探测灵敏度较低；土壤含水量对灵敏度的影响在10%～20%左右。

③光缆结构对探测灵敏度的影响：层绞式结构光缆比中心束管式结构光缆更适用于管道安全监测。

④光缆埋设条件对探测灵敏度的影响：光缆直埋能更大限度地发挥光纤传感器的性能；光缆穿管埋设将降低探测灵敏度，对探测灵敏度的影响大约为20%。

⑤光纤平衡度对定位精度的影响：光纤平衡度较好的区域，定位精度较高；光纤平衡度较差的区域，定位精度相对降低。

⑥震源相对光缆位置对定位精度的影响：震源离光缆越近，定位精度越高；震源离光缆越远，定位精度越低。

⑦光缆质量对有效探测距离的影响：光纤衰减值越小，有效探测距离越远；光纤衰减值越大，有效探测距离缩短。

该研究将为分布式光纤传感器的信号分析和模式识别提供帮助，有助于分布式光纤传感器在实际工程中的应用。

参考文献:

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[8] 曾科宏,张金权,王飞.光纤管道安全预警系统的研究与应用[J].计算机工程与设计,2011,32(5):1862-1865.

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