CN101266024A - 基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，包括激光器，激光器发出正向传播的光信号从偏振分束器的第一端口输入，并从第二端口输出至传感光纤，传感光纤的末端连接法拉第旋光镜，正向传播的光信号经由法拉第旋光镜反射、其偏振态旋转90°后变为逆向传输的光信号，该逆向光信号从偏振分束器的第二端口输入，并从其第三端口输出至光电探测器，并将转变后的电信号传送至数字信号处理子系统。本发明能够根据电功率变化的时间信息对传感线路扰动点进行定位，最终输出报警、定位信息。本发明成本低、安全性可靠性高，能够对输油气管线的破坏活动进行早期的定位及预警，非常适合长距离监测，在油气管线自动监测领域具有极佳的应用前景。

Description

基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统

【技术领域】：

本发明属于长距离、分布式光纤传感技术领域，特别涉及一种基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统。

【背景技术】：

管道运输系统作为一种安全、经济的运输方法已广泛应用于石油、天然气等工业部门中，然而近年来输油管道被打孔盗油案件时有发生，造成了巨大的经济损失，这使得油气管线自动监测技术变得日益重要。

目前，国内外比较成熟的管道泄漏检测技术大体可分为内部检测和外部检测两大类，包括，内部检测法：漏磁通检测、超声波检测、涡流检测、照相和录像检测法；外部检测法：沿线巡查、高聚物电缆、静态试验、质量分析、应力波、压力差、负压波法等等。国内一些石油公司也已经利用上述一些技术实现了管道泄漏的自动检测与报警，并取得了一定的成果，例如：胜利油田利用负压波与流量检测相结合的方法，可以发现管道泄漏并进行定位，其报警反应时间为200s；中原油田采用智能化声学检测及应力波技术，实现了对输油管道的实时检测。

但是，上述技术由于受到检测原理、传感器性能、采样点密集度等多种因素限制，很难同时满足检测泄漏灵敏度(只能发现大量泄漏的情况)、定位准确度(500m-1000m)、误报警率和及时报警(100s量级)等多项要求。另外，这些方法受周围环境噪声的影响较大，并对监测人员的经验有很强的依赖性。

光纤传感器以其特有的特点，如抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、对被测介质影响小以及成本低等，近年来得到了极大的发展。到目前为止，光纤传感器已经应用于磁场、电流、声音、温度以及压力等物理量的测量。在各种光纤传感技术中，分布式光纤传感技术集信息的采集与传输于一体，并且可以获得沿光纤分布的被测量的连续信息，特别适合长距离监测，因此在油气管线自动监测技术领域具有极佳的应用前景。

分布式光纤传感技术主要的实现方法包括：光时域反射(OTDR)法、干涉法以及波长扫描法等。其中，OTDR法利用光的后向散射，包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射，通过测量其光强(瑞利散射)或频移(喇曼和布里渊散射)，来检测外界物理场的应力及温度的变化。目前，OTDR技术已经比较成熟，市场上也有相应的产品，但对于长距离管道泄漏监测还有一定的不足：(1)传感器设计麻烦，性价比低；(2)对小泄漏不敏感；(3)监测距离短。

干涉式光纤传感器是利用光纤受到所监测物理场感应，如温度、旋转、压力或振动等，使导光相位产生延迟，造成输出光强度改变，进而得知待测物理场的变化。干涉式分布光纤传感器相对于OTDR技术的优点在于动态范围大、灵敏度高。干涉法中主要可以应用Sagnac干涉仪、迈克耳逊干涉仪、马赫-曾得干涉仪以及各种干涉仪混合结构等。但是，由于光相位对于环境变化非常敏感，基于干涉法的光纤传感系统对于后期信号处理无论在算法，还是在硬件实现方面都提出了很高的要求，目前市场上还没有比较成熟的方案或产品。

通过对上述现有技术的分析可以发现，所有技术只能在泄漏后进行报警、定位，属于事后防盗，无法在不法分子作案早期进行预警。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，针对油气管线早期预警的要求，提供一种基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统。

该系统结构非常简单，性价比极高，定位准确，监测距离长，具有很高的灵敏度，并且光纤铺设在油气管线周围，使之能够在不法分子作案的早期(挖土阶段)进行定位、报警，从而达到早期预警的目的。

本发明提供的基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，包括激光器，激光器发出正向传播的光信号从偏振分束器的第一端口输入，并从第二端口输出至传感光纤，传感光纤的末端连接法拉第旋光镜，正向传播的光信号经由法拉第旋光镜反射、其偏振态旋转90°后变为逆向传输的光信号，该逆向光信号从偏振分束器的第二端口输入，并从其第三端口输出至光电探测器，光电探测器将逆向光的强度信息转变为电信号传送至数字信号处理子系统；

其中所述的传感光纤依附在输油气管线上，既作为传感器使用，同时也作为信号传输链路使用，且能够将传感线路扰动而造成的偏振态变化经由光电探测器传送至数字信号处理子系统，并将该扰转变为电功率的变化，根据其电功率变化的时间信息对扰动点进行定位，最终输出报警、定位信息。

激光器与偏振分束器之间还安装有偏振控制器，该偏振控制器是电控式，或是手动式，用于系统初始化时将激光器输出光的偏振态与偏振分束器第一端口对准。

所述激光器输出的光是偏振态及功率稳定的连续光，或脉冲光。

所述偏振分束器第二端口的尾纤为普通光纤，第一端口、第三端口的尾纤为保偏光纤，并且透光轴相互垂直。

所述的数字信号处理子系统包括高速模/数转换以及信号处理两部分。

该系统中，有源器件仅包括激光器、光电探测器以及数字信号处理子系统，其它均为无源器件，这使得该系统具有极高的稳定性，几乎无需维护。

所述激光器、偏振控制器、偏振分束器、光电探测器以及数字信号处理子系统位于控制室内，便于保护。

所述光纤对压力变化和振动信号敏感；光纤既作为传感器使用，同时也作为信号传输链路使用。

所述法拉第旋光镜位于传感光纤的末端，与传感光线同步铺设，埋入地下，安全性高、隐蔽性好。

本发明的工作原理(如图2所示)：

第一，当传感线路无扰动时，

各端口偏振态的演变过程：

调整偏振控制器，使： ${\stackrel{\→}{S}}_{1P}={\stackrel{\→}{S}}_{2P}$ (1)

设当传感线路无扰动时，其正向偏振传输矩阵为G₀，则： ${\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FP}}=G_0\·{\stackrel{\→}{S}}_{2P}$ (2)

设法拉第旋光镜的偏振传输矩阵为G_F，则： ${\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FC}}=G_F\·{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FP}}$ (3)

该逆向光经由传感光纤到达偏振分束器二端口时， ${\stackrel{\→}{S}}_{2C}=G_0^{-1}\·{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FC}}$ (4)

联立公式(1)-(4)可得： ${\stackrel{\→}{S}}_{2C}=G_F\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}$ (5)

根据偏振分束器的特性， ${\stackrel{\→}{S}}_{3C}={\stackrel{\→}{S}}_{2C}$ (6)

所以， ${\stackrel{\→}{S}}_{3C}=G_F\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}$ (7)

上述分析说明，当传感线路无扰动时，由偏振分束器端口一输入的正向光偏振态S_1P，经由“传感光纤-法拉第旋光镜-传感光纤”之后，到达偏振分束器端口二的逆向光偏振态S_2C将旋转90°。根据偏振分束器的特性可知，逆向光将全部从偏振分束器端口三输出，此时，光电探测器输出的电信号功率将达到最大值。

第二、假设在t₁时刻，a点处发生扰动，

此时，a点处逆向光为Y，正向光为X。定义逆向光Y到达偏振分束器第二端口的时刻为t₂，正向光X到达偏振分束器第二端口的时刻为t₃，则：t₂＝t₁+L₂/c，t₃＝t₁+(L₀+L₁)/c，其中c为光速，

设t₁时刻后，传感光纤的正向偏振传输矩阵将变为G₁，那么在t₂时刻到t₃时刻之间，偏振分束器第二端口的逆向光偏振态为： ${{\stackrel{\→}{S}}^{\′}}_{2C}=G_1^{-1}\·G_F\·G_0\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}\≠{\stackrel{\→}{S}}_{2C}$ (8)

所以，在t₂到t₃时间段内，逆向光经过偏振分束器第二端口后会有一部分光经由第一端口输出，而从第三端口输出的功率会减小。

在t₃时刻后，第二端口的逆向光偏振态为： ${{\stackrel{\→}{S}}^{\′\′}}_{2C}=G_1^{-1}\·G_F\·G_0\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}={\stackrel{\→}{S}}_{2C}$ (9)

所以在t₃时刻后，光电探测器输出的电信号功率将恢复到最大值。

有扰动时，光电探测器输出的电信号功率变化如图3所示。在数字信号处理子系统中，预警算法只需根据电信号的功率变化，进而推算出L₁，就能实现定位、报警功能。

本发明的优点和有益效果：本发明采用偏振检测的方法实现分布式光纤预警系统，该系统保留了所有光纤传感器的优点，特别具有以下几点优势：一、定位准确、报警迅速，能够实现早期预警。基于本发明的工作原理，位于传感光纤任一点的偏振扰动信息将沿光纤以光速传送至控制室中的光电探测器，数字信号处理系统将根据该偏振扰动信号的时间信息确定扰动位置，因此，本系统的定位准确性及报警时间仅由数字信号处理芯片的处理速度上限所决定；二、稳定性、可靠性高。由于本系统所采用的器件均为市场上早已成熟的商用器件，因此其可靠性极高。另外本系统采用的有源器件数量极少，且均位于室内，使其不受环境因素的影响，因此具有极高的稳定性，一经使用几乎不用维护；三、安全性高，隐蔽性好。本系统的绝大多数组成部分均位于控制室内，而法拉第旋光镜及传感光纤则可以沿被监测线路埋入地下，所以本系统安全性、隐蔽性高，不易被他人发现或破坏。基于上述优点，本发明非常适合长距离监测，在油气管线自动监测技术领域具有极佳的应用前景。

【附图说明】：

图1为基于偏振检测的分布式光纤预警系统组成示意图。图中，1激光器、2偏振控制器、3偏振分束器(包括三个端口)、4传感光纤、5法拉第旋光镜、6光电探测器、7数字信号处理子系统。

图2为基于偏振检测的分布式光纤预警系统工作原理示意图。图中，S_1P为偏振分束器端口一的正向光偏振态、S_2P为偏振分束器端口二的正向光偏振态、S_2C为偏振分束器端口二的逆向光偏振态、S_3C为偏振分束器端口三的正向光偏振态、S_FP为法拉第旋光镜正向光偏振态、S_FC为法拉第旋光镜逆向光偏振态、L₀为传感光纤总长度、a为偏振扰动点、L₁为扰动点与法拉第旋光镜间距离，L₂为扰动点与偏振分束器间距离。

图3为有扰动时，光电探测器输出的电信号功率变化。

【具体实施方式】：

实施例

下面结合附图和发明人依技术方案所完成的实施例，对本发明的原理作进一步的详细描述，本发明不限于这个实施例。

图1为本发明实施例的系统框图，其中各器件不同端口的正向光、逆向光偏振态的定义，以及系统的工作原理如图2所示。首先，说明当传感线路无扰动时，各端口偏振态的演变过程：

调整偏振控制器，使： ${\stackrel{\→}{S}}_{1P}={\stackrel{\→}{S}}_{2P}$ (1)

设当传感线路无扰动时，其正向偏振传输矩阵为G₀，则： ${\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FP}}=G_0\·{\stackrel{\→}{S}}_{2P}$ (2)

设法拉第旋光镜的偏振传输矩阵为G_F，则： ${\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FC}}=G_F\·{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FP}}$ (3)

该逆向光经由传感光纤到达偏振分束器二端口时， ${\stackrel{\→}{S}}_{2C}=G_0^{-1}\·{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{FC}}$ (4)

联立公式(1)-(4)可得： ${\stackrel{\→}{S}}_{2C}=G_F\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}$ (5)

根据偏振分束器的特性， ${\stackrel{\→}{S}}_{3C}={\stackrel{\→}{S}}_{2C}$ (6)

所以， ${\stackrel{\→}{S}}_{3C}=G_F\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}$ (7)

上述分析说明，当传感线路无扰动时，由偏振分束器端口一输入的正向光偏振态S_1P，经由“传感光纤-法拉第旋光镜-传感光纤”之后，到达偏振分束器端口二的逆向光偏振态S_2C将旋转90°。根据偏振分束器的特性可知，逆向光将全部从偏振分束器端口三输出，此时，光电探测器输出的电信号功率将达到最大值。

设在t₁时刻，a点处发生扰动，此时，a点处逆向光为Y，正向光为X。定义逆向光Y到达偏振分束器端口二的时刻为t₂，正向光X到达偏振分束器端口二的时刻为t₃，则：t₂＝t₁+L₂/c，t₃＝t₁+(L₀+L₁)/c，其中c为光速，

设t₁时刻后，传感光纤的正向偏振传输矩阵将变为G₁，那么在t₂时刻到t₃时刻之间，偏振分束器端口二的逆向光偏振态为： ${{\stackrel{\→}{S}}^{\′}}_{2C}=G_1^{-1}\·G_F\·G_0\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}\≠{\stackrel{\→}{S}}_{2C}$ (8)

所以，在t₂到t₃时间段内，逆向光经过偏振分束器端口二后会有一部分光经由端口一输出，而从端口三输出的功率会减小。

在t₃时刻后，端口二的逆向光偏振态为： ${{\stackrel{\→}{S}}^{\′\′}}_{2C}=G_1^{-1}\·G_F\·G_0\·{\stackrel{\→}{S}}_{1P}={\stackrel{\→}{S}}_{2C}$ (9)

所以在t₃时刻后，光电探测器输出的电信号功率将恢复到最大值。

有扰动时，光电探测器输出的电信号功率变化如图3所示。在数字信号处理子系统中，预警算法只需根据电信号的功率变化，进而推算出L₁，就能实现定位、报警功能。

本发明利用上述原理，设计了基于偏振检测的分布式光纤预警系统，主要包括激光器、偏振控制器、偏振分束器、传感光纤、法拉第旋光镜、光电探测器以及数字信号处理子系统。其特征是激光器发出正向传播的光信号，利用偏振控制器调整其偏振态使之从偏振分束器的第一端口输入，并从第二端口输出至传感光纤。正向传播的光信号经由法拉第旋光镜反射变为逆向传输的光，其偏振态将旋转90°。该逆向光从偏振分束器的第二端口输入，并从其第三端口输出至光电探测器。光电探测器将逆向光的强度信息转变为电信号传送至数字信号处理子系统。利用上述装置，本发明能够将由传感线路扰动而造成的偏振态变化转变为电功率的变化，并根据其电功率变化的时间信息对扰动点进行定位，最终输出报警、定位信息。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述激光器输出的光可以是连续光，也可以是脉冲光，要求其输出光偏振态及功率稳定。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述偏振控制器可以是电控的，也可以是手动的，它只在系统初始化时调节一次即可，其作用是将激光器输出光的偏振态与偏振分束器端口一对准。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述偏振分束器端口二的尾纤为普通光纤，端口一、端口三的尾纤为保偏光纤，并且透光轴相互垂直。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述传感光纤对压力变化和振动信号敏感；光纤既作为传感器使用，同时也作为信号传输链路使用。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述法拉第旋光镜位于传感光纤的末端，与传感光线同步铺设，埋入地下，安全性高、隐蔽性好。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述数字信号处理子系统包括高速模/数(A/D)转换以及信号处理两部分。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述激光器、偏振控制器、偏振分束器、光电探测器以及数字信号处理子系统位于控制室内，便于保护。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，所述有源器件仅包括激光器、光电探测器以及数字信号处理子系统，其它均为无源器件，因此该系统具有极高的稳定性，几乎无需维护。

上述基于偏振检测的分布式光纤预警系统，其特征在于，系统的定位精度及报警时间仅由数字信号处理芯片的处理速度上限所决定。

以上所述为本发明最佳实施例，其成本最低、可靠性高。但并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对上述实施例作任何简单修改、等同变化和修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1、一种基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，其特征在于该预警系统包括激光器，激光器发出正向传播的光信号从偏振分束器的第一端口输入，并从第二端口输出至传感光纤，传感光纤的末端连接法拉第旋光镜，正向传播的光信号经由法拉第旋光镜反射、其偏振态旋转90°后变为逆向传输的光信号，该逆向光信号从偏振分束器的第二端口输入，并从其第三端口输出至光电探测器，光电探测器将逆向光的强度信息转变为电信号传送至数字信号处理子系统；

其中所述的传感光纤依附在输油气管线上，既作为传感器使用，同时也作为信号传输链路使用，且能够将传感线路扰动而造成的偏振态变化经由光电探测器传送至数字信号处理子系统，并将该扰转变为电功率的变化，根据其电功率变化的时间信息对扰动点进行定位，最终输出报警、定位信息。

2、根据权利要求1所述的基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，其特征在于所述激光器输出的光是偏振态及功率稳定的连续光，或脉冲光。

3、根据权利要求1所述的基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，其特征在于所述偏振分束器第二端口的尾纤为普通光纤，第一端口、第三端口的尾纤为保偏光纤，并且透光轴相互垂直。

4、根据权利要求1所述的基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，其特征在于所述的数字信号处理子系统包括高速模/数转换以及信号处理两部分。

5、根据权利要求1所述的基于偏振检测的分布式光纤输油气管线早期预警系统，其特征在于激光器与偏振分束器之间还安装有偏振控制器，该偏振控制器是电控式，或是手动式，用于系统初始化时将激光器输出光的偏振态与偏振分束器第一端口对准。

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