基于φ-OTDR的分布式光纤管道泄漏监测系统研究

摘要：结合分布式光纤传感技术和光时域反射技术，对油气运输管道泄漏监测与定位系统进行了研究。利用指数阈值函数进行小波分析去噪，实现管道泄漏的实时在线监测和定位。分析了系统的硬件结构设计和小波去噪流程，搭建了实验平台并进行了重复性实验，实验测试结果表明，该监测系统安装简单，定位精准度较高。

关键词：φ-OTDR;光纤;泄漏;定位

中图分类号：TN253  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）05-0034-03

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

引言

近年来，我国油气消耗大幅度增加，对低成本、高安全性油气管道运输的需求与日俱增。但随着管道运输的广泛应用，各类管道泄漏事故层出不穷，造成了巨大的经济、能源损失，环境污染以及人员伤亡，因此油气输送管道的泄漏监测及泄漏点的精准定位已成为管道安全运行的重要保障。对油气运输管道进行实时泄漏监测和定位，可为泄漏管道的及时报警和维修提供便利条件，从而极大地减少经济损失和能源浪费，尽可能避免因泄漏引起的环境污染和安全事故的发生。传统的输油管道泄漏监测定位方法中，有的是沿光缆全线逐点进行人工检验，效率低下，实施难度大，有的是通过测量管道内各种参数再配合软件技术来进行监测[1-3]，但这些方法基本都存在不能提前预警、定位难以及成本较高等缺点。因此，本文提出了一种基于φ-OTDR（Phase-sensitive optical time domain reflectometry）的分布式光纤管道泄漏监测定位系统，其安装更加方便，且提高了定位精度。

1    系统工作原理

1.1    分布式光纤监测原理

分布式光纤传感是一种比较先进的监测技术，其中的光纤集传输介质和传感元件于一体，可以实时获取光纤敷设区域随时空变化的温度、压力、振动、应变等被测量信息及环境信息。其工作原理是当光线在光纤中传播时会产生后向散射效应，其中与入射光频率相同的为瑞利散射，与入射光频率不同的为拉曼散射或布里渊散射[4]，这些散射光中携带光纤纤芯的几何与物理特性变化信息。当传感区域内某些被测参数的改变作用于光纤某处时，会改变该处光纤纤芯的尺寸和折射率，从而使光纤中光波信号的相位和强度等发生改变，通过监测该点光信号的偏振状态、相位、波长等参数的变化，就可以获得该处的压力、温度等被测参数的信息。分布式光纤传感技术的优点是施工简单、成本较低且受环境影响较小，因此其近年来在管道监测领域的应用发展迅速。

1.2    φ-OTDR泄漏监测原理

相位敏感光时域反射φ-OTDR的监测原理：光线在沿光纤传播的过程中会产生后向瑞利散射，当光纤某点受到外界泄漏干扰时，该点就会发生弹光效应，改变光纤纤芯的折射率，继而散射光的光强也由于干涉的作用发生变化，散射光强随着传播距离的延长而衰减，且在一定条件下传播距离正比于时间。

设光纤长为l，入射光的中心波长为λ，光纤折射率为n，则相位φ=nl，当光纤受扰动时，光的相位变化为：

式（1）中，光纤长度的改变量Δl=εl，其中ε表示光纤的纵向应变张量[5]，由于相位被调制发生改变，则相应的光电探测器所测得的电流也会发生改变。假设第n个散射点受到扰动，则干扰前后的电流变化为：

综合式（1）和式（2）可知，根据相位变化就可以计算出瑞利散射相干光强的变化，并得到相应的泄漏扰动信息。

2    系统结构设计

2.1    系统硬件设计

本实验系统结构如图1所示。由于光源线宽越窄，光的干涉效果越好，因此系统采用超窄线激光器作为监测光源。函数发生器和声光调制器通过强度调制把光源发出的光调制成脉冲光，再经掺铒光纤放大器放大至23 dBm后进入管道内的传感光纤。脉冲光在传感光纤中传输时，受到纤芯折射率不均匀性的影响，产生在光纖内逆向传播的后向瑞利散射光，当管道发生泄漏时，会对传感光纤产生扰动，光纤内瑞利散射光的相位也会受到相应调制而携带泄漏信息，通过分析这些后向瑞利散射信号即可获得传感光纤上不同位置的扰动情况进而获得泄漏信息。后向瑞利散射相干光通过环形器被光电探测器接收，转变为易于测量的电信号，然后通过数据采集系统对其进行采集以形成传感光纤内完整的空域信号并送到上位机进行小波消噪处理，以确定是否产生泄漏并完成泄漏位置的定位计算。

2.2    阈值函数与阈值选取

常用的小波阈值降噪方法有软阈值函数降噪和硬阈值函数降噪两种，其中硬阈值函数的表达式为：

软阈值函数的表达式为：

式中：λ为阈值。

其中硬阈值函数只处理绝对值比设定阈值小的小波系数，所以不能消除比较大的噪声，且连续性不好;软阈值函数处理后的小波系数与原始值之间存在固定误差，从而有可能导致小波重构信号出现较大的误差，丢失原始信息的某些特征。

为了在保留这两种降噪函数优点的基础上尽量弥补其缺陷，本实验选取指数阈值函数，其函数表达式为y=x-λ+，指数阈值函数连续性较好，因此不会引起振荡现象，且能够处理所有的小波系数，避免了有用的小信号被滤除的危险，适合泄漏噪声的处理。

阈值是区分噪声信号和泄漏信号的关键数据，它的选取直接影响着去噪效果的好坏，因此阈值应根据分解尺度的变化而改变，可利用下式选取最佳阈值：

式中：σ为泄漏噪声的方差;N为泄漏信号长度;j为分解尺度。

2.3    小波去噪流程设计

原始信号中有用信息和噪声混叠在一起，有用信息甚至会被噪声湮没，经小波分析去噪后可以滤掉暂态和瞬态信号，抑制高频噪声的影响，从而保留所需的信号尖峰及突变信号。其过程是经过小波分解后，有用信号与噪声信号被分解到不同区域，通过选取恰当的阈值分离开高频和低频区域的小波系数，保留满足阈值条件的有效信息，再对这些保留的有效小波系数进行逆变换重构[6]并显示结果，若没有泄漏则输出管道运行正常信息，如有泄漏则发出报警。小波去噪流程如图2所示。

3    实验结果

在实验管道上加装一段长为20 m的PE管道，加装部分一段埋在沙土中，一段埋在水中，并开两个直径为8 mm、间距为10 m的小孔。将一根长为2 km的单模光纤敷设于管道表面作为传感光纤。选用中心波长为1 550 nm、线宽为100 Hz的超窄线宽激光器作为光源，探测脉冲为150 ns，采样频率为50 MHz，精度为14位，实验结果如表1所示。

由表1数据可得，在2 km的测试范围内，该实验系统的泄漏定位精度可控制在8 m以内。

4    结语

本文提出了一种基于相位敏感光时域反射技术和小波去噪的管道泄漏定位系统，该系统可以对管道沿线发生的泄漏事故进行实时监测和报警，并且能较精准地确定泄漏点的位置。通过小波去噪可以有效去除噪声，提高定位精度，在2 km范围内可达到8 m以内的精度。分布式光纤管道泄漏监测技术，采用光纤作为传感元件，安装简单，精度较高，不易受电磁干扰，电绝缘性能优越，且光纤具有较好的耐腐蚀性，更适用于潮湿复杂的管道敷设环境，在油气输送管道泄漏监测领域有着良好的应用前景。

[参考文献]

[1] 赵亚丽.光纤光栅传感系统解调方法概述[J].承德石油高等专科学校学报，2018，20（1）：48-53.

[2] 杨洋，沙洲，封皓，等.输水管道预警与泄漏定位中φ-OTDR技术信号处理法[J].激光与光电子学进展，2018，55（4）：98-106.

[3] 沙洲，杨洋，刘穎华，等.小波信息熵在输水管道泄漏检测技术中的应用[J].电子测量与仪器学报，2018，32（7）：151-156.

[4] 张伟鹏.基于φ-OTDR的输气管道泄漏定位技术研究[J].石油和化工设备，2020，23（10）：82-84.

[5] 吴建灵，季伟，叶向阳，等.φ-OTDR技术在电力系统光缆监测中的应用[J].数字通信世界，2020（6）：203-204.

[6] 张勇，段运达，王臣，等.基于小波阈值去噪的管道泄漏检测研究[J].化工自动化及仪表，2021，48（2）：128-133.

收稿日期：2021-12-22

作者简介：赵亚丽（1982—），女，河北保定人，硕士，副教授，研究方向：光纤传感技术与电气控制技术。