專利名稱：提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信號檢測和分析技術領域，涉及一種在線檢測方法，特別涉及一種利用Golay碼提高油氣管道泄漏和第三方入侵事件檢測的分布式光纖傳感器性能的方法。
背景技術：
管道輸送是一種經(jīng)濟方便的運輸方式，在石油和天然氣的輸送中具有獨特 優(yōu)勢，突出表現(xiàn)為安全、便捷和高效等。長輸油氣管道已經(jīng)成為我國能源大動 脈的重要組成部分，戰(zhàn)略地位十分重要。長輸油氣管道的特點是點多線長，且 多為地埋管道。由于使用環(huán)境惡劣，隨著服役時間增長，腐蝕、地形沉降、重 壓、機械施工及人為破壞等因素都可能使管道出現(xiàn)損傷，甚至泄漏。泄漏不僅 會造成巨大財產(chǎn)損失和嚴重環(huán)境污染，甚至會引發(fā)火災、爆炸，威脅人民生命 和財產(chǎn)的安全。對管道泄漏和可能引起管道外力損傷的重壓、地形沉降、機械 施工及人為破壞等第三方入侵事件進行迅速判斷和準確定位、及時發(fā)現(xiàn)泄漏和 預報泄漏隱患就顯得十分重要。目前，管道泄漏檢測的方法很多，分直接檢漏法和間接檢漏法。直接檢漏 法是利用探測器直接檢測管道外的泄漏物判斷泄漏，包括檢漏電纜法、導電高 聚合物檢漏法、傳感光纜法、紅外線法和探地雷達法等。間接檢漏法是通過監(jiān) 測管道的運行參數(shù)(如壓力、流量、溫度等)估計泄漏，包括質(zhì)量平衡法、負 壓波法、壓力梯度法、管內(nèi)爬行機法、統(tǒng)計檢漏法、應力波法、聲學方法和實 時模型法等。其中傳感光纜法是一種基于分布式光纖傳感器的檢測方法，己成 為油氣管道安全檢測技術研究的熱點。分布式光纖傳感器是伴隨光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光 為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號的新型傳感器，它具有同時獲取傳 感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力。沿油氣管道鋪設一 條傳感光纜，管道泄漏和可能引起管道外力損傷的第三方入侵事件對管道附近 鋪設的傳感光纜產(chǎn)生作用力，其中的橫向力和縱向力能夠通過微彎或光柵效應使傳感光纜中的傳感光纖產(chǎn)生傳輸損耗；另外，傳感光纜可以采用天然橡膠等具有膨潤特性的包覆材料，輸油管道發(fā)生泄漏或滲漏(滴漏)時，傳感光纜的 包覆材料遇油體積發(fā)生膨脹，膨脹產(chǎn)生的力作用于傳感光纖，使傳感光纖發(fā)生彎曲，出現(xiàn)損耗。使用OTDR可以對導致?lián)p耗的外部事件進行定位。 一種基于 OTDR油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器的系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。如圖1所示，激光脈沖發(fā)生器[101]產(chǎn)生的光脈沖經(jīng)隔離器[102]和耦合器[103] 從一端(稱為輸入端)注入到傳感光纖[2]并在傳感光纖[2]中向前傳播，在傳感 光纖[2]的另一端(稱為輸出端)輸出并耦合到光功率探測器[401]轉(zhuǎn)換成電信號， 然后經(jīng)放大/濾波器[402]、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器[403]等單元處理后，結(jié)果 送給計算機數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[5]，稱為輸出光功率檢測模塊[4]。同時，光脈沖沿傳 感光纖[2]向前傳播過程中，因瑞利散射和菲涅耳反射不斷產(chǎn)生背向散射光。背 向散射光沿傳感光纖[2]反向傳播并返回到輸入端，經(jīng)耦合器[103]到光功率探測 器[301]，轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大/濾波器[302]、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器[303] 等單元處理后，結(jié)果也送給計算機數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[5]，稱為背向散射光檢測模塊 [3]。計算機[5]對光纖輸出光功率檢測模塊[4]的輸出數(shù)據(jù)進行分析和融合，獲得 沿傳感光纖[2]路徑上壓力和振動信號的變化，根據(jù)其頻譜特征判定是否有管道 泄漏或入侵事件發(fā)生，并利用背向散射光檢測模塊[3]進行定位。因此，輸出光 功率檢測模塊[4]可以獲得傳感光纖[2]上損耗變化的頻譜特征，判斷故障類型；背向散射光檢測模塊[3]用于傳感光纖[2]上各點靜態(tài)和動態(tài)損耗測量，實現(xiàn)故障 定位。在分布式光纖傳感器系統(tǒng)中，激光脈沖發(fā)生器[101]產(chǎn)生的光脈沖有兩個作 用 一是光脈沖在傳感光纖[2]中向前傳播的過程中不斷產(chǎn)生背向散射光，在輸 入端通過對背向散射光的測量，獲得傳感光纖[2]上新增損耗的空間分布；二是 光脈沖在傳感光纖[2]中向前傳播的過程中，管道泄漏和第三方入侵等事件產(chǎn)生 的外部干擾使傳感光纖[2]中傳輸?shù)墓饷}沖出現(xiàn)損耗，輸出的光功率發(fā)生變化，因此脈沖光可以作為傳感光纖[2]傳輸損耗的采樣脈沖?；贠TDR油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器的優(yōu)點， 一是脈 沖光源[101]和背向散射光信號檢測模塊[3]均在傳感光纖[2]的同一端，可以實現(xiàn) 單端故障定位，爆炸、挖掘等事件導致傳感光纜斷裂時，仍可以對故障事件進 行定位；二是由于光脈沖在傳感光纖[2]上不同位置產(chǎn)生的背向散射光返回到輸 入端的時間不同，相互之間不會發(fā)生干擾，因此可以對多個故障點同時定位。 缺點是光脈沖在傳感光纖[2]中傳播時產(chǎn)生的背向散射光信號非常弱，比光脈沖 能量低得多，直接影響了背向散射光的信噪比，限制了檢測距離，而且具有采 樣功能的脈沖光之間的最小間隔也存在一定的限制。為了提高背向散射光的信噪比，需要提高光脈沖的能量。 一種方法是提高 激光脈沖發(fā)生器[101]的功率，另一種方法是增加光脈沖的時間寬度。 一旦光脈 沖峰值功率已經(jīng)達到最大值，并且接收器的靈敏度也是最好的，那么只能夠使 用增加光脈沖寬度的方法提高背向散射光的信噪比。但是，增加脈沖寬度會引 起背向散射光信號的空間分辨率下降。因此在背向散射光信噪比和損耗空間分 辨率之間存在矛盾，光脈沖越窄，損耗定位的空間分辨率越高，但背向散射光 信號的信噪比越差。另一種提高背向散射光信噪比的方法是按照一定時間間隔發(fā)射多個脈沖， 分別采集每個脈沖的背向散射光信號，然后求取平均值。這里存在一個限制， 即只有前一個光脈沖的背向散射光全部返回到輸入端之后，才能發(fā)送下一個脈 沖，否則前一個脈沖在較遠位置的背向散射光與后一個脈沖在較近位置的背向散射光相互疊加，彼此造成干擾。輸入到傳感光纖[2]中光脈沖之間的最小間隔r可以通過公式(1)獲得<formula>formula see original document page 8</formula> (l)其中Z是光纖[2]的長度；C是光信號在真空中的傳播速度；",是纖芯折射率；常 數(shù)2表示光脈沖傳播到傳感光纖[2]輸出端以及在輸出端產(chǎn)生的背向散射光再返回到輸入端(即來回)的時間。因此，傳感光纖[2]越長，脈沖之間的時間間隔r越大，脈沖重復的頻率越小。光脈沖在傳感光纖[2]中傳播時，損耗被外部事件產(chǎn)生的擾動調(diào)制。在傳感光纖[2]中傳播的以時間r重復的光脈沖也是傳感光纖[2]傳輸損耗的采樣脈沖。 傳感光纖p]越長，脈沖間的時間間隔r越大，采樣脈沖的頻率越小。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是傳感光纖[2]上損耗最大頻率的2倍。因此，外部事件導致傳感光纖[2]中的傳輸損耗的最大頻率限定了傳輸損耗的最低采樣頻率和采樣脈沖的最大時間間隔r，從而限制了基于OTDR油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器的檢測距離。 發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種利用Golay碼 克服上述限制并提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能的方 法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是在傳感光纖的輸入端，激光脈沖發(fā)生器輸出的是幅值被Golay碼和它們反 碼調(diào)制的光脈沖序列。光脈沖序列沿傳感光纖向前傳播的過程中被管道泄漏和 入侵事件產(chǎn)生的擾動調(diào)制。在傳感光纖的輸出端，輸出光功率檢測模塊采集傳 感光纖輸出的光脈沖序列，并送計算機進行處理；計算機對輸出光功率檢測模 塊輸出的脈沖序列信號進行幅值變換，消除Golay碼和它們反碼的調(diào)制，使變 換后輸出的脈沖序列信號的幅值只與管道泄漏和入侵事件產(chǎn)生的擾動有關。另 一方面，光脈沖序列沿傳感光纖向前傳播過程中產(chǎn)生的背向散射光沿傳感光纖 反向傳播到輸入端，經(jīng)背向散射光檢測模塊采集處理后，送計算機進行處理。 計算機利用Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列沿傳感光纖傳播過程中產(chǎn)生 的背向散射光信號，合成新的背向散射光信號。與單脈沖的背向散射光信號相 比，合成的背向散射光信號的信號強，而且兩者的空間分辨率相同，從而使管 道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器在事件定位精度不變的條件下，可以通 過增加光脈沖序列的長度來提高背向散射光信號的信噪比，從而增加管道的監(jiān) 測長度。一種利用Golay碼提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能 的方法，具體包括以下步驟1) 在油氣管道附近，與油氣管道并行鋪設一條光纜，利用傳感光纖作為傳 感器，對油氣管道泄漏和第三方入侵事件進行實時監(jiān)測；2) 在傳感光纖的兩端，分別設置一背向散射光檢測模塊和光纖輸出光功率 檢測模塊；計算機分別用Golay碼和它們的反碼調(diào)制激光脈沖發(fā)生器，使激光脈沖發(fā) 生器輸出的是幅值被Golay碼和它們反碼調(diào)制的連續(xù)的光脈沖序列；激光脈沖發(fā)生器輸出的光脈沖序列經(jīng)隔離器和耦合器被耦合進傳感光纖并在傳感光纖中向前傳播；在傳感光纖的輸出端，輸出光功率檢測模塊采集傳感 光纖輸出的光脈沖序列，并送計算機處理；計算機對輸出光功率檢測模塊輸出 的脈沖序列信號進行幅值變換，消除Golay碼和它們反碼的調(diào)制；計算機通過 對變換后的光纖輸出光功率信號的分析，完成傳感光纖全徑總損耗動態(tài)變化的 測量和故障類型的判定；在傳感光纖的輸入端，背向散射光檢測模塊分別采集Golay碼和它們反碼 調(diào)制的光脈沖序列沿傳感光纖向前傳播過程中產(chǎn)生的背向散射光信號，并送計 算機處理；計算機利用上述背向散射光信號合成新的背向散射光信號，合成的 背向散射光信號在空間分辨率方面與序列中單個光脈沖的背向散射光信號的相 同，在信號強度方面，比單個脈沖的強，且與序列中光脈沖的個數(shù)成正比；計 算機通過對新合成的背向散射光信號的分析，完成傳感光纖上各點的靜態(tài)和動 態(tài)損耗的測量和定位；3)計算機通過對傳感光纖上損耗數(shù)據(jù)的分析和融合，獲得油氣管道周圍的 壓力和振動信號的特征，判斷并定位油氣管道泄露和第三方入侵等事件的發(fā)生。本發(fā)明的其它一些特點是所述的激光脈沖發(fā)生器或是激光二極管，或是激光三極管，其輸出的光脈 沖的寬度、能量是可控的。所述的激光脈沖發(fā)生器輸出的是連續(xù)的光脈沖序列，序列中脈沖的寬度相 同，幅值被Golay碼和它們的反碼調(diào)制。所述的Golay碼和它們反碼的長度均是2的冪次方。所述的Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列之間是以一定的時間間隔輸 入到傳感光纖中，其最小間隔等于序列中最后一位光脈沖在傳感光纖輸出端產(chǎn) 生的背向散射光返回到傳感光纖輸入端時的時間與序列中第一位光脈沖輸入到傳感光纖時的時間的差值。所述的在傳感光纖中傳播的光脈沖序列的長度與Golay碼和它們反碼的長 度相同，也是2的冪次方。所述的Golay碼和它們的反碼是偽隨機信號，因此在傳感光纖的輸出端， 不使用濾波器，而是通過變換的方法來消除Golay碼或它們反碼的調(diào)制。所述的傳感光纜中的傳感光纖或是單模光纖，或是多模光纖，其傳輸損耗 對形變、壓力和振動信號敏感。所述的背向散射光檢測模塊包括光功率探測器、放大和低通濾波器、模/數(shù) 轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器等單元。所述的輸出光功率檢測模塊同樣包括光功率探測器、放大和低通濾波器、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器等單元。所述的背向散射光檢測模塊和輸出光功率檢測模塊可以集成在一個系統(tǒng) 中，也可以使分離的，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡相連。所述的背向散射光檢測模塊和輸出光功率檢測模塊既可以同時工作，也可 以獨立工作。背向散射光檢測模塊主要完成傳感光纖上各點的靜態(tài)和動態(tài)損耗 的測量和定位功能；輸出光功率檢測模塊主要完成傳感光纖上總損耗動態(tài)變化 的測量和故障類型的判定功能。所述的背向散射光檢測模塊可以是一臺OTDR，利用OTDR提供的通信接 口 (如GPIB、 RS-232)或OTDR提供的網(wǎng)絡接口與計算機通信；也可以是OTDR 卡直接安裝在計算機中。OTDR的工作狀態(tài)受計算機控制。本發(fā)明所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能的方 法具有如下優(yōu)點1)本發(fā)明所述的方法中，傳感光纖的探測信號是用Golay碼和它們反碼調(diào)制的連續(xù)光脈沖序列，這些光脈沖序列是傳感光纖傳輸損耗的采樣信號。由于 序列中光脈沖的周期(寬度)沒有任何限制，理論上可以取任意小的值，因此 可以減小序列中光脈沖的寬度。 一方面，通過減小序列中光脈沖的寬度，可以 增加傳感光纖損耗的采樣頻率，從而使計算機可以在更大頻譜范圍分析管道泄 漏和可能引起管道損傷的第三方入侵事件在傳感光纖上產(chǎn)生的損耗的特征；另 一方面，計算機合成的背向散射光信號在空間分辨率方面與序列中單個光脈沖 的背向散射光信號的相同，因此通過減少光脈沖序列中脈沖的寬度，也可以同 時提高合成背向散射光信號的空間分辨率，從而提高傳感光纖上新增損耗的定 位精度。2)本發(fā)明所述的方法中，傳感光纖的探測信號是用Golay碼和它們反碼調(diào) 制的連續(xù)光脈沖序列。 一方面，通過增加序列中脈沖的個數(shù)，可以增加傳感光 纖損耗的采樣點數(shù)，有助于分析管道泄漏和第三方入侵等事件導致的傳感光纖 中新增傳輸損耗信號的特征；另一方面，由于合成的背向散射光信號的信號強 度與序列中光脈沖的個數(shù)成正比，通過增加序列中脈沖的個數(shù)，可以提高合成 背向散射光信號的信噪比，從而增加分布式光纖傳感器檢測管線的距離。因此本發(fā)明所述方法，既能夠通過增強背向散射光信號的強度和提高信噪 比，增加分布式光纖傳感器檢測管線的距離；又能夠通過增加傳感光纖損耗的 采樣頻率，在更大頻譜范圍分析管道泄漏和可能導致管道損傷的第三方入侵事 件在傳感光纖上產(chǎn)生的損耗的特征，從而改善基于OTDR油氣管道泄漏和入侵 檢測的分布式光纖傳感器的整體性能。


圖1是本發(fā)明實施例的分布式光纖傳感器的系統(tǒng)結(jié)構框圖。 圖2是本發(fā)明實施例的一組64位Golay碼^和S的波形。圖3是本發(fā)明實施例的64位Golay碼^和S的自相關函數(shù)以及它們自相關 函數(shù)和的波形。圖4是本發(fā)明實施例的64位Golay碼^和S以及它們反碼2禾n 5調(diào)制的激 光脈沖發(fā)生器[101]輸出的光脈沖序列信號的波形。圖5是本發(fā)明實施例的傳感光纖[2]輸出的光脈沖序列信號幅值變換前后的 波形。圖6是本發(fā)明實施例中利用Golay碼j和S以及它們反碼2和》調(diào)制的光 脈沖序列的背向散射光信號合成新的背向散射光信號的過程。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的分布式光纖傳感器包括傳感光纖以及分別位于傳感 光纖兩端的背向散射光檢測模塊和光纖輸出光功率檢測模塊。本發(fā)明提出的利 用Golay碼提高管道泄漏和入侵事件檢測的分布式光纖傳感器性能的方法，包 括以下步驟-1) 計算機5分別用Golay碼和它們的反碼調(diào)制激光脈沖發(fā)生器101，使激 光脈沖發(fā)生器101輸出的是幅值被Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列。2) 激光脈沖發(fā)生器101輸出的光脈沖序列被耦合進傳感光纖2;光脈沖序 列沿傳感光纖2向前傳播的過程中，其幅值被管道泄漏和入侵事件產(chǎn)生的擾動 調(diào)制；在傳感光纖2的輸出端，光脈沖序列信號被光纖輸出光功率檢測模塊4 采集并送計算機5進行處理；計算機5首先對光脈沖序列信號進行幅值變換， 消除Golay碼和它們反碼的調(diào)制，變換后輸出信號幅值的變化只與傳感光纖2 受到的外部事件的干擾有關；然后計算機5通過頻譜分析，獲得傳感光纖2受 到管道泄漏和第三方入侵事件干擾時新增的傳輸損耗信號變化的特征。由于傳感光纖2中傳輸損耗的采樣信號是連續(xù)的光脈沖序列，序列中光脈沖的周期(寬度)沒有任何限制，理論上可以取任意小的值，因此可以通過減 小序列中光脈沖的寬度，增加傳感光纖2損耗的采樣頻率，從而使計算機5可 以在更大頻譜范圍分析管道泄漏和可能引起管道損傷的第三方入侵事件在傳感光纖2上產(chǎn)生的損耗的特征。3)在傳感光纖2輸入端，分別采集Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列 沿傳感光纖2向前傳播過程中產(chǎn)生的背向散射光信號，并合成新的背向散射光 信號。光脈沖序列沿傳感光纖2向前傳播過程中不斷產(chǎn)生背向散射光。背向散射 光沿光纖2反向傳播到傳感光纖2的輸入端。計算機5分別用Golay碼和它們 的反碼調(diào)制激光脈沖發(fā)生器101輸出的光脈沖信號的幅值；背向散射光檢測模 塊3分別采集Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列沿傳感光纖2向前傳播過 程中產(chǎn)生的背向散射光信號，并送計算機5處理；計算機5利用上述背向散射 光信號合成新的背向散射光信號；合成的背向散射光信號在空間分辨率方面與 序列中單個光脈沖的背向散射光信號的相同，在信號強度方面，比單個脈沖的 強，且與序列中光脈沖的個數(shù)成正比。以下是發(fā)明人給出的實施例1)計算機5利用公式(2)生成一組Golay碼J和S，以及它們的反碼2和<formula>formula see original document page 14</formula>(2)其中^是^"憤反碼，如果碼^w是l，則碼^是-1，反之如果碼^w是-l，則碼W")是1; I是連接符，因此，生成的Golay碼J和B，以及它們的反碼〗 和》的長度丄是2的冪次方。Golay碼^和S的自相關函數(shù)rA(0和 (柳勺和具有如下特性 .<formula>formula see original document page 15</formula>假設^((())=1禾卩#G)=1，那么依公式(2)生成的64位Golay碼^和J5分別<formula>formula see original document page 15</formula> 圖2是上述64位Golay碼j和5的波形。圖3是上述64位Golay碼^和S的自相關函數(shù)以及它們自相關函數(shù)和的波 形，其中圖3(a)是Golay碼^自相關函數(shù)的波形，圖3 (b)是Golay碼S自相關 函數(shù)的波形，圖3(c)是Golay碼^和S自相關函數(shù)和的波形。從圖3(c)可以看 出，64位Golay碼^和S的自相關函數(shù)的和是5。2)計算機5利用公式(5)將雙極性Golay碼^和凡以及它們的反碼2和 》轉(zhuǎn)換成單極性的脈沖序列A,尸s,6和P5=0.75xi + 0.25" Pg =0.75xi +0.25x55 =0.75x1+ 0.25x^1(5)& =0.75x1 + 0.25x5其中i是長度等于丄，每個碼元均是l的脈沖序列。脈沖序列^,戶￡,5和^的每個碼元的值或是l，或是0.5。圖4從上至下依次是脈沖序列& A，巧和^的波形。3)計算機5用脈沖序列&調(diào)制激光脈沖發(fā)生器101，碼元值是l時激光脈沖發(fā)生器101輸出的光脈沖的峰值功率是其允許輸出的最大值，碼元值是0.5時 激光脈沖發(fā)生器101輸出的光脈沖的峰值功率是其允許輸出最大值的一半。4) A調(diào)制的光脈沖序列沿傳感光纖2傳播到輸出端，被光纖輸出光功率檢 測模塊[4]采集，并送計算機5進行處理。5) 計算機5對光纖輸出光功率檢測模塊4采集的光脈沖序列信號按如下規(guī) 則進行幅值變換如果光脈沖序列信號中某一脈沖在A中對應碼元的值是0.5， 則該脈沖信號的幅值乘以2，否則不變。變換后光脈沖序列信號的幅值只與管道泄漏和入侵事件產(chǎn)生的擾動有關， 從而消除了調(diào)制信號A的影響。由于脈沖序列的長度丄是2的冪次方，因此更 適于進行數(shù)字信號處理。例如，A被耦合進傳感光纖2并沿光纖2向前傳播，假設在傳播過程中受 到外部事件的干擾，光纖2輸出信號如圖5(a)所示，那么變換后的輸出信號如圖 5(b)所示。從圖5中可以看出，調(diào)制信號Golay碼」已經(jīng)被消除，其輸出只與外 部事件產(chǎn)生的干擾有關。6) 另一方面，沿傳感光纖2向前傳播過程中，i^調(diào)制的光脈沖序列信號不 斷產(chǎn)生背向散射光，背向散射光沿光纖2反向傳播并返回到輸入端，被背向散 射光功率檢測模塊采集3并送計算機5進行處理。假設傳感光纖2對單個光脈 沖的背向散射光信號的響應是/2/，那么輸入是A調(diào)制的光脈沖序列信號時，相 應的背向散射光信號是A和/^的巻積，記作/V^/。7) 分別用尸s,^禾n ^代替i^，重復步驟3) -6)，背向散射光功率檢測模塊3采集相應的背向散射光信號，并送計算機5進行處理。圖6是計算機5利用A、」 、^和A的背向散射光合成新的背向散射光信號的過程(1) 計算機5將采集的A和A的背向散射光信號相減，然后再與Golay碼v4進行相關運算，記作x^"=cwr iV (6)(2) 計算機[5]將采集的尸3和？5的背向散射光信號相減，然后再與Golay碼S進行相關運算，記作&xs 6*/ ,) (7)(3) 將步驟(1)和(2)得到的結(jié)果相加，計算機5獲得合成的背向散射 光信號少=+ &=corr(& * 一 巧* )+ c。r,，尸丑* —巧* ) =證(A(尸^ - i^) * ~) +證(竭-*=co r(A0.5 x j * + co^r(^S,0.5 x萬* /z,) ( 6 )=0.5 x (cwr( j， j) + co廳(S, 5)) *因此，合成背向散射光信號的強度是單脈沖的背向散射光信號的丄倍，且 它們的空間分辨率相同。在基于OTDR油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器中，本發(fā)明提 出用Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列作為探測信號，因此傳感光纖2中 傳播的是長度Z是2的冪次方的連續(xù)光脈沖序列信號。Golay碼和它們反碼調(diào)制 的光脈沖序列被耦合進傳感光纖2;光脈沖序列沿傳感光纖2向前傳播的過程中， 其幅值被管道泄漏和入侵事件產(chǎn)生的擾動調(diào)制；在傳感光纖2的輸出端，光脈 沖序列信號被光纖輸出光功率檢測模塊4采集并送計算機5進行處理；計算機5 首先對光脈沖序列信號進行幅值變換，消除Golay碼和它們反碼的調(diào)制，變換 后輸出信號幅值的變化只與傳感光纖2受到的外部事件的干擾有關；計算機5 通過頻譜分析，獲得傳感光纖2受到外部事件干擾時傳輸損耗變化的特征。另一方面，光脈沖序列沿傳感光纖2向前傳播過程中不斷產(chǎn)生背向散射光。背向散射光沿光纖2反向傳播并返回到傳感光纖2的輸入端。計算機5分別用 Golay碼和它們的反碼調(diào)制激光脈沖發(fā)生器101輸出的光脈沖信號的幅值；背向 散射光檢測模塊3分別接收Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列沿傳感光纖2 向前傳播過程中產(chǎn)生的背向散射光信號，并送計算機5處理；計算機5利用上 述背向散射光信號合成新的背向散射光信號；合成背向散射光信號在空間分辨 率方面與序列中單個光脈沖的背向散射光信號的相同，在信號強度方面，比單 個脈沖的強，且與序列中光脈沖的個數(shù)成正比。由于傳感光纖2中探測信號是連續(xù)的光脈沖序列，它也是傳感光纖2損耗 的采樣信號。因此，可以通過減少光脈沖序列中脈沖的寬度，提高傳感光纖2 損耗的采樣頻率，從而使系統(tǒng)可以在更大頻譜范圍分析外部事件導致傳感光纖2 新增損耗的特征；而且，光脈沖寬度的減少，有助于提高合成背向散射光信號 的空間分辨率。另一方面，可以通過增加光脈沖序列中脈沖的個數(shù)，增加合成 背向散射光信號的強度和提高信噪比，從而增加分布式光纖傳感器檢測管線的 距離；而且，通過增加序列中脈沖的個數(shù)，可以增加了傳感光纖2傳輸損耗的 采樣點數(shù)，有助于對傳感光纖2上新增損耗特征的分析。因此本發(fā)明所述方法，既能夠通過增強背向散射光信號的強度和提高信噪 比，增加分布式光纖傳感器檢測管線的距離；又能夠通過增加傳感光纖2損耗 的采樣頻率，在更大頻譜范圍分析管道泄漏和第三方入侵等事件在傳感光纖2 上產(chǎn)生的損耗的特征，從而改善基于OTDR油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式 光纖傳感器的整體性能。
權利要求
1.一種提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能的方法，其特征在于，包括以下步驟1)在油氣管道附近，與油氣管道并行鋪設一條光纜，利用傳感光纖[2]作為傳感器，對油氣管道泄漏和第三方入侵事件進行實時監(jiān)測；2)在傳感光纖[2]的兩端，分別設置一背向散射光檢測模塊[3]和光纖輸出光功率檢測模塊[4]；計算機[5]分別用Golay碼和它們的反碼調(diào)制激光脈沖發(fā)生器[101]，使激光脈沖發(fā)生器[101]輸出的是幅值被Golay碼和它們反碼調(diào)制的連續(xù)的光脈沖序列；激光脈沖發(fā)生器[101]輸出的光脈沖序列經(jīng)隔離器[101]和耦合器[103]被耦合進傳感光纖[2]并在傳感光纖[2]中向前傳播；在傳感光纖[2]的輸出端，輸出光功率檢測模塊[4]采集傳感光纖[2]輸出的光脈沖序列，并送計算機[5]處理；計算機[5]對輸出光功率檢測模塊[4]輸出的脈沖序列信號進行幅值變換，消除Golay碼和它們反碼的調(diào)制；計算機[5]通過對變換后的光纖[2]輸出光功率信號的分析，完成傳感光纖[2]全徑總損耗動態(tài)變化的測量和故障類型的判定；在傳感光纖[2]的輸入端，背向散射光檢測模塊[3]分別采集Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列沿傳感光纖[2]向前傳播過程中產(chǎn)生的背向散射光信號，并送計算機[5]處理；計算機[5]利用上述背向散射光信號合成新的背向散射光信號，合成的背向散射光信號在空間分辨率方面與序列中單個光脈沖的背向散射光信號的相同，在信號強度方面，比單個脈沖的強，且與序列中光脈沖的個數(shù)成正比；計算機[5]通過對新合成的背向散射光信號的分析，完成傳感光纖[2]上各點的靜態(tài)和動態(tài)損耗的測量和定位；3)計算機[5]通過對傳感光纖[2]上損耗數(shù)據(jù)的分析和融合，獲得油氣管道周圍的壓力和振動信號的特征，判斷并定位油氣管道泄露和第三方入侵等事件的發(fā)生。
2. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，所述的激光脈沖發(fā)生器[101]是激光二極管或激 光三極管，其輸出的光脈沖的寬度和能量是可控的。
3. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，所述的傳感光纜中的傳感光纖[2]是單模光纖或多模光纖，其傳輸損耗對形變、壓力和振動信號敏感。
4. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，所述的輸出光功率檢測模塊[4]包括光功率探測 器[40i]、放大和低通濾波器[402]、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器[403]單元，用 于采集傳感光纖[2]輸出的光序列脈沖信號。
5. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，所述的背向散射光檢測模塊[3]同樣包括光功率 探測器[301]、放大和低通濾波器[302]、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器[303]等單 元，用于采集傳感光纖的背向散射光信號。
6. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，所述的激光脈沖發(fā)生器[101]輸出的是連續(xù)的光 脈沖序列，序列中脈沖的寬度相同，幅值被Golay碼和它們的反碼調(diào)制，序 列中脈沖的長度與Golay碼和它們反碼的長度相同，均是2的冪次方。
7. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能的方法，其特征在于，所述的Golay碼和它們反碼調(diào)制的光脈沖序列 是以一定的時間間隔分別輸入到傳感光纖[2]中，其最小時間間隔等于序列中 最后一位光脈沖在傳感光纖[2]輸出端產(chǎn)生的背向散射光返回到傳感光纖[2]輸 入端與序列中第一位光脈沖輸入到傳感光纖[2]的時間差。
8. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，所述的Golay碼和它們的反碼是偽隨機信號， 在傳感光纖[2]的輸出端，計算機[5]對輸出光功率檢測模塊[4]采集的脈沖序列 信號進行幅值變換，消除Golay碼和它們反碼的調(diào)制；變換后脈沖序列信號 的幅值只與管道泄漏和第三方入侵事件產(chǎn)生的擾動有關。
9. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感 器性能的方法，其特征在于，計算機[5]合成的背向散射光信號在空間分辨率 方面與序列中單個光脈沖的背向散射光信號的相同，合成的背向散射光信號 的強度比單個脈沖的強，且與序列中光脈沖的個數(shù)成正比。
10. 如權利要求1所述的提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳 感器性能的方法，其特征在于，所述的背向散射光檢測模塊[3]和輸出光功率 檢測模塊[4]同時工作或獨立工作，背向散射光檢測模塊[3]完成傳感光纖[2]上 各點的靜態(tài)和動態(tài)損耗的測量和定位功能；輸出光功率檢測模塊[4]完成傳感 光纖[2]上總損耗動態(tài)變化的測量和故障類型的判定功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用Golay碼提高油氣管道泄漏和入侵檢測的分布式光纖傳感器性能的方法，傳感光纖中的探測信號是用Golay碼和它們反碼調(diào)制的連續(xù)光脈沖序列，這些光脈沖序列是傳感光纖傳輸損耗的采樣信號，減少光脈沖序列中脈沖的寬度，既可提高傳感光纖傳輸損耗的采樣頻率，在更大頻譜范圍分析管道泄漏和第三方入侵事件導致的傳感光纖中新增傳輸損耗的特征，也可提高合成背向散射光信號的空間分辨率，提高新增損耗的定位精度，另一方面，增加序列中光脈沖的數(shù)量，既可增加傳輸損耗的采樣點數(shù)，有助于分析傳感光纖中新增傳輸損耗信號的特征，也可提高合成背向散射光信號的強度和信噪比，增加檢測管線的距離。
文檔編號F17D5/00GK101255951SQ20081004926
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權日2008年2月25日
發(fā)明者李正民, 王延年, 蔣莊德 申請人:鄭州大學