基于Sagnac干涉仪制备的涡旋光监测油气管道泄露问题

夏长权 赵星月 朱金荣

摘要：随着社会经济的快速发展，管道运输业迅速发展。但是由于管道长时间的老化和腐蚀等自然原因，管道泄漏经常发生，造成了大量的经济损失。本文的一个创新点是利用涡旋光来监测管道泄漏，首先介绍了Sagnac干涉仪的结构特点和基本原理，然后研究了怎么用Sagnac干涉仪去制备高质量的涡旋光，通过此方法制备好的涡旋光具有质量高和稳定的特点，可以用来测量和计算物体的离面位移。

Abstract： With the rapid development of social economy， the pipeline transportation industry develops rapidly. However， due to the aging and corrosion of the pipeline for a long time and other natural causes， pipeline leakage often occurs， resulting in a large number of economic losses. An innovative point of this article is to use vortex light to detect pipeline leakage. This article first introduced the structure characteristics and the basic principle of Sagnac interferometer， and then studied how to use the Sagnac interferometer for the preparation of high quality vortex light. The vortex light prepared by this method has the characteristics of high quality and stability， and can be used to measure and calculate the off-plane displacement of the object.

关键词：油气管道泄漏;Sagnac干涉仪;涡旋光

Key words： oil and gas pipeline leakage;Sagnac interferometer;vortex light

中图分类号：TE973                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0082-03

1  油气管道运输存在的问题

随着国家经济的发展与国民经济的需要，油气管道运输也在迅速地发展中。管道运输由于运输距离长，且长期埋在地下等原因，很容易因为自然原因造成管道的腐蚀和破坏，导致油气发生泄漏，油气泄漏不仅仅会造成大量的经济损失，而且还会对周边的环境造成污染，影响人们身心健康。

2  Sagnac干涉仪原理及结构分析

2.1 Sagnac干涉仪的结构特点

光纤传感器由于体积小，质量轻，动态范围宽，响应速

度快，绝缘和耐腐蚀等优点，广泛应用于很多领域。光纤传感器一般有两种类型，分为马赫曾德干涉仪传感器和萨格奈克干涉仪传感器，其中马赫曾德光纤振动传感器的结构中需要一个参考光纤，环境对其影响比较大，导致测量的不稳定，所以限制了它的使用，与传统的马赫曾德光纤振动传感器相比较，Sagnac干涉仪不存在两传感臂长度不一致引起的噪音，且对光源的要求比较低，所以可使用高功率的宽带光源，更适合长距离的检测，受环境的影响也比较小。

2.2 Sagnac干涉仪的原理分析

下面结合图1对本文章中的Sagnac干涉仪作进一步的描述：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会和，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角度时屏幕上的干涉条纹将会发生移动，产生干涉。其中分布式Sagnac干涉仪是根据不同振动点信号的灵敏度的差异来实现定位的。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对的一输入量变化的比值。结合图2，这里选择的光纤是单模光纤，经过隔离器，阻止光路中各种原因产生的后向传输光，然后再经过2*2耦合器1分光。当管道被破坏时，压力导致产生振动信号，振动信号同时作用于干涉臂A，B时，A为信号臂，B为参考臂，其中作用于A的一组光向左经2*2耦合器2，在耦合器2中产生干涉后到达探测器1，另一组作用于B参考臂中的光向右经耦合器3产生干涉后到达探测器2，然后经过锁相检测，开始信号处理，采用基于小波包分析的“频带-能量”特征提取信号的特征向量，建立信号的模式库，然后将采集到的信号的特征特征向量进行比对，确定信号的类型[2]。

2.3 Sagnac干涉仪的定位计算

当振动信号作用于光纤时，就会引起光纤折射率变化，进而引起光波相位的变化。待检测的振动信号主要为外界缓变压力信号和声场异常扰动信号，这两种信号实质上都会对光纤产生压力作用时，其折射率变化为：

5  总结

通过觀察涡旋光的干涉图样来确定管道是否发生泄漏，本文主要研究了用Sagnac制作的涡旋光来监测管道泄漏问题。首先介绍了油气管道发生泄漏的问题和危害，接着研究了怎么来制备高质量的涡旋光，涡旋光具有测量离面位移的特点，如果管道遭到人为破坏或发生泄漏，铺在地面下的光纤便会发生变形而产生离面位移，然后文章分析了变形时的涡旋光干涉图样，我们通过干涉图样的分析可以判断管道油气是否发生泄漏，以便做到及时处理。

参考文献：

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