專利名稱：基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于管道泄漏檢測領域，尤其涉及一種采用混合干涉型分布式光纖傳感技術進行水下長輸管道泄漏檢測的裝置。
背景技術：
管道輸送具有投資省、建設周期短、輸送量大、輸送費用低、對生態(tài)環(huán)境影響小、管理方便、可靠性高等優(yōu)點，國內(nèi)外已普遍采用長輸管道輸送石油與天然氣。隨著海上油氣田的開發(fā)，對于水下長輸管道的健康監(jiān)測受到了高度的關注，水下長輸管道運行的檢測技術也在不斷發(fā)展?，F(xiàn)有的對海底長途輸氣管道的安全檢測系統(tǒng)采用的方法包括射線法、系纜式漏磁法、清管球、水下遙控機器人、聲發(fā)射法等，存在工作效率低、需要逐點檢測(或只能間斷性進行檢測)、檢測距離短、定位精度低等缺點。而且由于水下長輸管道鋪設環(huán)境復雜，水體對于聲、光等信號的吸收性強，長距離管線泄漏點準確定位困難，使得上述方法對水下長輸管道的檢測中難以滿足實時監(jiān)測、準確定位的要求。分布式光纖傳感是近年來發(fā)展起來的一項新技術，具有長距離連續(xù)監(jiān)測、抗電磁干擾性好、使用壽命長等優(yōu)點，能夠取代傳統(tǒng)的單點式傳感器陣列，用于水下長輸管道檢測系統(tǒng)中。中國發(fā)明專利申請200610113044. 0基于Mgnac光纖干涉儀進行管道泄漏檢測， 采用由兩根獨立的光纖形成的兩個Mgnac干涉儀構成傳感部分，當管道發(fā)生泄漏時對光纖產(chǎn)生擾動，利用光纖的應力應變效應對光纖中的光波進行調(diào)制，引起輸出干涉光的相位發(fā)生改變，進而判斷有無泄漏發(fā)生并定位。由于這種傳感系統(tǒng)為了解決當管徑較大或泄漏孔背向光纖方向時檢測問題，架構采用了兩個干涉儀。這使得整個傳感系統(tǒng)結構復雜，不利于在水下復雜情況下的長輸管道上進行布放，且該裝置沒有實時人機交互系統(tǒng)，不便于陸上人員對于水下管線的實時管理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了以上所述的缺陷，提供一種基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置，本發(fā)明分布式光纖感測架構簡單，便于在水下復雜情況下的長輸管道上進行布放，采用DSP進行信號快速處理，通過人機交互界面進行管線的實時管理，且裝置的檢測靈敏度高、光信號損耗小、定位精度高、能實現(xiàn)水下管道的長距離實時監(jiān)測。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案，一種基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置，它包括光纖感測系統(tǒng)、信號解調(diào)系統(tǒng)、信號處理與通信系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)；
其中，光纖感測系統(tǒng)包括低同調(diào)長度高功率光源、光環(huán)形器、第一耦合器、延遲光纖、 相位調(diào)制器、第二耦合器、感測光纖和法拉第旋轉鏡；信號解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測器、第一混頻模塊、第二混頻模塊、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第一運算放大器、第二運算放大器、第一微分交叉相乘模塊、第二微分交叉相乘模塊、減法器和積分器；信號處理與通信系統(tǒng)主要由DSP處理器、串口和第一 3G模塊依次相連組成；人機交互系統(tǒng)主要由第二 3G 模塊和計算機相連組成；
低同調(diào)長度高功率光源通過第一單模光纖與光環(huán)行器的一個端口連接，光電探測器通過第三單模光纖與光環(huán)行器同側的另一個端口連接，光環(huán)行器異側的端口通過第二單模光纖與第一耦合器的一個端口連接，第一耦合器異側的兩個端口分別通過延遲光纖和相位調(diào)制器與第二耦合器的一個端口連接，第二耦合器異側的一個端口通過感測光纖與法拉第旋轉鏡連接；
光電探測器分別與第一混頻模塊和第二混頻模塊連接，第一混頻模塊、第一低通濾波器、第一運算放大器和第一微分交叉相乘模塊依次相連，第二混頻模塊、第二低通濾波器、 第二運算放大器和第二微分交叉相乘模塊依次相連，第一微分交叉相乘模塊和第二微分交叉相乘模塊分別與減法器相連，減法器與積分器相連，積分器與DSP處理器連接，第一 3G模塊與第二 3G模塊相連。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用了同軸式Mach-Zehnder和Mgnac混合干涉型分布式光纖傳感技術對管道進行實時監(jiān)測，整個傳感部分由一根鋪設在管壁夾層中的光纖構成，可適應水下復雜環(huán)境中長輸管道的檢測。為了降低信號損耗，整個信號感測、解調(diào)、處理都在水下模塊內(nèi)完成，并通過3G模塊與人機交互系統(tǒng)通信，傳輸管道的實時監(jiān)測情況， 實現(xiàn)實時動態(tài)和高速的數(shù)據(jù)獲取。結合計算機科學的因素分析、傳遞比對、風險預測、可靠性評價，達到快速應急響應的目的。整個裝置的傳感、信息匯集、遠程發(fā)送傳輸可形成一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用其遠程監(jiān)控、批量數(shù)據(jù)匯集、便于資源共享等優(yōu)勢，實現(xiàn)水下長輸管道質(zhì)量、安全相關的快捷溯源、追蹤、查詢與管理，從而構建一個區(qū)域監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)陸上監(jiān)控中心對水下多條長輸管線的實時、集中、有效的監(jiān)測與管理。


圖1本發(fā)明裝置的結構示意圖； 圖2光路徑一示意圖3光路徑二示意圖1中光纖感測系統(tǒng)1、信號解調(diào)系統(tǒng)2、信號處理與通信系統(tǒng)3、人機交互系統(tǒng)4、低同調(diào)長度高功率光源5、第一單模光纖6、第三單模光纖7、光環(huán)行器8、第二單模光纖9、第一耦合器10、延遲光纖11、相位調(diào)制器12、第二耦合器13、感測光纖14、法拉第旋轉鏡15、光電探測器16、第一混頻模塊17、第二混頻模塊18、第一低通濾波器19、第二低通濾波器20、 第一運算放大器21、第二運算放大器22、第一微分交相乘模塊23、第二微分交相乘模塊24、 減法器25、積分器26、DSP27、串口 28、第一 3G模塊四、第二 3G模塊30、計算機31、外部設備32、密閉容器33。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，本發(fā)明基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置， 包括光纖感測系統(tǒng)1、信號解調(diào)系統(tǒng)2、信號處理與通信系統(tǒng)3和人機交互系統(tǒng)4 ；其中，光纖感測系統(tǒng)1包括低同調(diào)長度高功率光源5、光環(huán)形器8、第一耦合器10、延遲光纖11、相位調(diào)制器12、第二耦合器13、感測光纖14和法拉第旋轉鏡15 ；信號解調(diào)系統(tǒng)2包括光電探測器16、第一混頻模塊17、第二混頻模塊18、第一低通濾波器19、第二低通濾波器20、第一運算放大器21、第二運算放大器22、第一微分交叉相乘模塊23、第二微分交叉相乘模塊24、 減法器25和積分器沈；信號處理與通信系統(tǒng)3包括DSP處理器27、串口 28、第一 3G模塊 29 ；人機交互系統(tǒng)4包括第二 3G模塊30和計算機31。計算機31包括外部設備32，外部設備32可以為報警器、打印輸出設備等。低同調(diào)長度高功率光源5通過第一單模光纖6與光環(huán)行器8的一個端口 portl連接，光環(huán)行器8的端口 port2通過第二單模光纖9與第一耦合器10的端口 port4連接，第一耦合器10的端口 port6通過延遲光纖11與第二耦合器13的端口 portS連接，第二耦合器 13的端口 portlO通過感測光纖14與法拉第旋轉鏡15連接，第一耦合器10的端口 port7 通過相位調(diào)制器12與第二耦合器13的端口 port9連接，感測光纖14布放在長輸管道P表面的夾層中，光環(huán)行器8的端口 port3通過第三單模光纖7與光電探測器16連接，光電探測器16分別與第一混頻模塊17和第二混頻模塊18連接，第一混頻模塊17、第一低通濾波器19、第一運算放大器21和第一微分交叉相乘模塊23依次相連，第二混頻模塊18、第二低通濾波器20、第二運算放大器22、第二微分交叉相乘模塊M依次相連，第一微分交叉相乘模塊23和第二微分交叉相乘模塊M分別與減法器25相連，減法器25與積分器沈相連， 積分器26與DSP處理器27連接，DSP處理器27、串口觀和第一 3G模塊四依次相連，第一 3G模塊四與第二 3G模塊30相連，第二 3G模塊30與計算機31相連。感測光纖14布放在長輸管道P的夾層中，長輸管道P的最內(nèi)層為耐壓鋼管，耐壓鋼管內(nèi)表面涂有防腐涂料，耐壓鋼管外為一層由絕緣材料構成的絕緣層，絕緣層外為由聚乙烯材料構成的套管，聚乙烯套管外為混凝土層，在混凝土層中置入貫穿長輸管道P始末的堅韌微管形成一個夾層，感測光纖14置于該夾層中，該夾層具有防腐蝕，抗電磁干擾，保護光纖不受損害的功能。光纖感測系統(tǒng)1中，第一耦合器9、第二耦合器12均為2X2耦合器(分光比為 50:50)。光纖感測系統(tǒng)1中的低同調(diào)長度高功率光源5、第一單模光纖6、第三單模光纖7、光環(huán)形器8、第二單模光纖9、第一耦合器10、延遲光纖11、第二耦合器13、法拉第旋轉鏡15、 相位調(diào)制器12，信號解調(diào)系統(tǒng)2信號處理與通信系統(tǒng)3中的DSP處理器27、串口 28都置于密閉容器33中，并布放在水下，所以密閉容器33應耐腐蝕和抗電磁干擾；第一 3G模塊四置于水上，在安裝時要做好隔離保護，以免損壞；人機交互系統(tǒng)4布放在陸地監(jiān)控中心。本發(fā)明的工作原理光纖感測系統(tǒng)1采用同軸式Mach-Zehnder和Mgnac混合干涉型分布式光纖感測架構，整個傳感部分由一根鋪設在管壁夾層中的光纖構成，可適應水下復雜環(huán)境中長輸管道的檢測，檢測時由低同調(diào)長度高功率光源5發(fā)出的光通過第一單模光纖6進入光環(huán)行器8，從光環(huán)行器8的端口 port2射出后通過第二單模光纖9進入第一耦合器10，第一耦合器10輸出的光功率按50:50分成兩路(形成兩個光路徑)，其中，具體參見圖2，路徑一光從第一耦合器10的端口 port6輸出，經(jīng)過延遲光纖11從第二耦合器13 的端口 portS輸入，然后從第二耦合器13的端口 portlO輸出，經(jīng)過感測光纖14進入法拉第旋轉鏡15，被法拉第旋轉鏡15反射后的光再通過感測光纖14進入第二耦合器13的端口 portlO，從第二耦合器13的端口 port9輸出的光經(jīng)過相位調(diào)制器12調(diào)制后進入第一耦合器10的端口 port7 (部分光從第二耦合器13的端口 portS輸出，經(jīng)過延遲光纖11后進入第一耦合器10的端口 port6，此束光與路徑一、二的光不滿足零光程差條件，所以沒有干涉現(xiàn)象，因此不作考慮)，與路徑二的光在第一耦合器10中發(fā)生干涉后，通過第二單模光纖 9進入光環(huán)行器8，從光環(huán)行器8的端口 port3輸出的光經(jīng)第三單模光纖7進入光電探測器 16。具體參見圖3，路徑二的光從第一耦合器10的端口 port7輸出，經(jīng)過相位調(diào)制器 12調(diào)制后進入第二耦合器13的端口 port9，然后從第二耦合器13的端口 portlO輸出，通過感測光纖14進入法拉第旋轉鏡15，被法拉第旋轉鏡15反射后的光再通過感測光纖14進入第二耦合器13的端口 portlO，然后從第二耦合器13的端口 portS輸出，經(jīng)過延遲光纖 11進入第一耦合器10的端口 port6 (部分光從第二耦合器13的端口 port9輸出，經(jīng)過相位調(diào)制器12后進入第一耦合器10的端口 port7，此束光與路徑一、二的光不滿足零光程差條件，所以沒有干涉現(xiàn)象，因此不作考慮)，與路徑一的光在第一耦合器10中發(fā)生干涉后，通過第二單模光纖9進入光環(huán)行器8，從光環(huán)行器8的端口 port3輸出的光經(jīng)第三單模光纖 7進入光電探測器16，光電探測器16將感測光信號轉化為電信號，然后給該電信號分別乘上兩個倍頻信號，一個信號經(jīng)過第一混頻模塊17、第一低通濾波器19、第一運算放大器21、 第一微分交叉相乘模塊23，另一個信號經(jīng)過第二混頻模塊18、第二低通濾波器20、第二運算放大器22、第二微分交叉相乘模塊M，然后兩個信號經(jīng)過減法器25和積分器沈后完成解調(diào)，通過DSP處理器27的內(nèi)部A/D對解調(diào)信號進行采樣，然后完成信號處理和泄漏點定位計算，為了降低信號損耗，整個信號感測、解調(diào)、處理都在水下模塊內(nèi)完成，再通過串口觀與水面上的第一 3G模塊四通信，傳輸管道的實時監(jiān)測情況，實現(xiàn)實時動態(tài)和高速的數(shù)據(jù)獲取，由信號處理與通信系統(tǒng)3的第一 3G模塊四通過無線方式與人機交互系統(tǒng)4的第二 3G 模塊30通信，最后由計算機31顯示管道監(jiān)測信息和有關數(shù)據(jù)，實施泄漏報警，結合計算機 31科學的因素分析、傳遞比對、風險預測、可靠性評價，達到快速應急響應的目的，并可由外部設備32輸出聲、光警報信號和打印紙質(zhì)管道檢測信息。該裝置的管道泄漏檢測與定位原理是當管道沿線某處發(fā)生泄漏時，泄漏流體與泄漏孔壁的摩擦會在管壁上產(chǎn)生應力波，此應力波會對鋪設在管壁特殊夾層中的感測光纖 14產(chǎn)生擾動，通過光纖的應力應變效應對光纖中傳輸?shù)墓庑盘栂辔贿M行調(diào)制，延遲線圈11 的存在使沿兩個光路徑傳輸?shù)墓獠ㄍㄟ^泄漏點S的時間不同，泄漏場對兩條光路徑的光波的相位調(diào)制也不同，兩束光產(chǎn)生相位差且滿足零光程差條件，所以在耦合時發(fā)生干涉。(沒有泄漏時，沿兩條光路徑傳輸?shù)墓鉀]有相位差，不發(fā)生干涉)因此可以通過實時監(jiān)測光纖中干涉光信號的情況，經(jīng)過信號解調(diào)和處理確定泄漏狀況和泄漏點位置，并通過位于水面的第一 3G模塊四與位于監(jiān)控中心的人機交互系統(tǒng)4的第二 3G模塊30通信，從而使陸上工作人員能夠?qū)崟r獲取管道監(jiān)測信息。
權利要求
1.一種基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置，其特征在于，它包括光纖感測系統(tǒng)(1)、信號解調(diào)系統(tǒng)(2)、信號處理與通信系統(tǒng)(3)和人機交互系統(tǒng)(4) 等；其中，光纖感測系統(tǒng)(1)包括低同調(diào)長度高功率光源(5)、光環(huán)形器(8)、第一耦合器(10)、延遲光纖(11)、相位調(diào)制器(12)、第二耦合器(13)、感測光纖(14)和法拉第旋轉鏡(15)等；信號解調(diào)系統(tǒng)(2)包括光電探測器(16)、第一混頻模塊(17)、第二混頻模塊 (18)、第一低通濾波器(19)、第二低通濾波器(20)、第一運算放大器(21)、第二運算放大器(22)、第一微分交叉相乘模塊(23)、第二微分交叉相乘模塊(24)、減法器(25)和積分器 (26)；信號處理與通信系統(tǒng)(3)主要由DSP處理器(27)、串口(28)和第一 3G模塊(29)依次相連組成；人機交互系統(tǒng)(4)主要由第二 3G模塊(30)和計算機(31)相連組成；低同調(diào)長度高功率光源(5)通過第一單模光纖(6)與光環(huán)行器(8)的一個端口連接，光電探測器(16 )通過第三單模光纖(7 )與光環(huán)行器(8 )同側的另一個端口連接，光環(huán)行器(8 ) 異側的端口通過第二單模光纖(9)與第一耦合器(10)的一個端口連接，第一耦合器(10)異側的兩個端口分別通過延遲光纖(11)和相位調(diào)制器(12)與第二耦合器(13)的一側的兩個端口連接，第二耦合器(13)異側的一個端口通過感測光纖(14)與法拉第旋轉鏡(15)連接；光電探測器(16)分別與第一混頻模塊(17)和第二混頻模塊(18)連接，第一混頻模塊 (17)、第一低通濾波器(19)、第一運算放大器(21)和第一微分交叉相乘模塊(23)依次相連，第二混頻模塊(18)、第二低通濾波器(20)、第二運算放大器(22)和第二微分交叉相乘模塊(24)依次相連，第一微分交叉相乘模塊(23)和第二微分交叉相乘模塊(24)分別與減法器(25)相連，減法器(25)與積分器(26)相連，積分器(26)與DSP處理器(27)連接，第一 3G模塊(29)與第二 3G模塊(30)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置， 其特征在于，所述的光纖感測系統(tǒng)(1)的低同調(diào)長度高功率光源(5)、第一單模光纖(6)、第三單模光纖(7)、光環(huán)形器(8)、第二單模光纖(9)、第一耦合器(10)、延遲光纖(11)、相位調(diào)制器(12)、第二耦合器(13)和法拉第旋轉鏡(15)，信號解調(diào)系統(tǒng)(2)，信號處理與通信系統(tǒng) (3)的DSP處理器(27)和串口(28)均置于密閉容器(33)中，并布放在水下；所述感測光纖 (14)布放在長輸管道的夾層中。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置， 其特征在于所述通信系統(tǒng)(3)的第一 3G模塊(29)布放在水面上，人機交互系統(tǒng)(4)布放在陸地。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置， 其特征在于所述計算機(31)包括外部設備(32)，外部設備(32)可以為報警器、打印輸出設備等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于混合干涉型分布式光纖的水下長輸管道泄漏檢測裝置，包括光纖感測系統(tǒng)、信號解調(diào)系統(tǒng)、信號處理與通信系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)；光纖感測系統(tǒng)的低同調(diào)長度高功率光源、光環(huán)形器、第一耦合器、延遲光纖、第二耦合器、感測光纖、法拉第旋轉鏡、相位調(diào)制器構成Sagnac/Mach-Zehnder混合型干涉儀，干涉儀輸出的光信號經(jīng)信號解調(diào)系統(tǒng)轉換為電信號并被解調(diào)，然后傳輸至信號處理與通信系統(tǒng)，通過DSP處理器進行信號處理并確定泄漏點位置信息，再通過3G模塊與人機交互系統(tǒng)通信，最終在人機交互系統(tǒng)顯示監(jiān)測信息；本裝置可實時檢測水下長輸管道沿線泄漏狀況，具有很高的靈敏度和定位精度。
文檔編號F17D5/02GK102352963SQ20111030231
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權日2011年10月9日
發(fā)明者喬波, 楊其華, 王強, 胡正松 申請人:中國計量學院