基于分布式光纖干涉原理的長途管道破壞預(yù)警技術(shù)研究.pdf

1、管道運(yùn)輸具有安全、經(jīng)濟(jì)、保質(zhì)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用，在未來幾年，全世界的成品油和天然氣管道還將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢。然而油氣管道具有高溫、高壓、易燃和易爆的特點(diǎn)，任何油氣泄漏都可能引發(fā)重大安全事故并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和精確定位管道泄漏對控制事故損失和環(huán)境污染有極大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)外在管道泄漏監(jiān)測和定位方面作了大量研究工作，開發(fā)了多種檢測油氣管道泄漏的方法，有的方法進(jìn)行了多次試用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。然

2、而泄漏監(jiān)測方法只能在油氣發(fā)生泄漏以后才會有效，屬于事后監(jiān)測。如果能在泄漏發(fā)生前探測和定位那些正在發(fā)生的對管道有潛在威脅的破壞行為，并向管理者發(fā)出預(yù)警信息，使他們有足夠的時(shí)間去制止，就可以避免由油氣泄漏所帶來的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國外有50﹪以上的重大泄漏事故是人的破壞行為造成的，國內(nèi)的這一比例則更高，特別是頻繁的偷盜油事故給油氣管道造成了大量安全隱患，如果能將這些事故都控制在萌芽狀態(tài)，將會帶來不可估量的社會和經(jīng)濟(jì)效益。因此，開展

3、早期發(fā)現(xiàn)和定位那些對管道有潛在威脅的破壞行為的預(yù)警技術(shù)研究具有廣泛的應(yīng)用前景。 由于管道埋于地下、傳輸距離遠(yuǎn)、破壞行為發(fā)生地點(diǎn)不確定，因此如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)那些對其有威脅的破壞行為是困擾研究者多年的難題。直到通信光纖在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，才為管道破壞預(yù)警技術(shù)研究提供了一類具有分布式傳感能力、監(jiān)測距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、鋪設(shè)后免維護(hù)的傳感方法。利用分布式光纖進(jìn)行管道破壞探測的最簡單方法是根據(jù)光強(qiáng)度的變化進(jìn)行探測和定位，但靈敏度較低。于是U

4、dd等人提出了基于薩格奈克干涉原理的傳感方法，并提出了多種分離破壞行為的位置和振動信息的改進(jìn)方法。雖然這些方法在探測和定位破壞行為時(shí)具有很高的靈敏度，但監(jiān)測距離受傳感結(jié)構(gòu)的限制，不能用于對長途管道的在線監(jiān)測。因此，在干涉原理的基礎(chǔ)上，研究基于分布式光纖傳感的長途管道破壞預(yù)警技術(shù)是一個(gè)非常有應(yīng)用前景和實(shí)際意義的課題。 論文在熟悉薩格奈克干涉效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了幾種基于分布式光纖的傳感方案，仿真分析了傳感光路中單模光纖的雙折射影響和

5、偏振態(tài)控制方法，研究了從探測信號中識別和定位破壞行為的方法。從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了上述傳感方案用于長途管道破壞在線監(jiān)測和預(yù)警的可行性。 具體研究的內(nèi)容如下： 1、從目前國內(nèi)外油氣管道的發(fā)展、油氣泄漏的危害和現(xiàn)有的管道破壞監(jiān)測方法入手，分析開展長途油氣管道破壞在線監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)研究的重要性和必要性。 2、對薩格奈克干涉原理、基于薩格奈克原理的管道破壞監(jiān)測方法進(jìn)行了研究，分析了它們的優(yōu)點(diǎn)和在長途管道監(jiān)測方面的局限

6、性。 3、在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，針對長途管道上的破壞預(yù)警監(jiān)測，提出了三種基于薩格奈克干涉原理的分布式光纖傳感方案：基于薩格奈克/雙馬赫-曾德干涉儀的傳感方案和它的改進(jìn)方案，以及基于薩格奈克/模間干涉原理的傳感方案。在研究了上述方案的傳感光路基礎(chǔ)上，建立和推導(dǎo)了它們的探測和定位理論模型，論證了將它們用于長途管道破壞在線監(jiān)測和預(yù)警的可行性。 4、針對上述三種傳感方案中傳感光纖雙折射對干涉信號帶來的偏振衰落問題，利用瓊斯矩陣分析法

7、，以基于薩格奈克/雙馬赫-曾德干涉儀的傳感系統(tǒng)為例，對其光路的偏振衰落現(xiàn)象進(jìn)行了仿真研究，提出了幾種控制入射光偏振態(tài)的解決措施，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)用性。 5、運(yùn)用模式識別技術(shù)，研究了從傳感系統(tǒng)輸出的探測信號中識別破壞行為和泄漏的方法，包括信號的特征提取和分類器設(shè)計(jì)。利用從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得的幾種典型作用下的探測信號進(jìn)行驗(yàn)證，識別率可以達(dá)到96﹪。 6、為實(shí)現(xiàn)對破壞行為或泄漏的定位，研究了傳感系統(tǒng)中兩個(gè)馬赫-曾德干涉儀或模間干涉

8、儀輸出干涉信號的相關(guān)處理方法，分析討論了影響定位精度的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。利用從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)驗(yàn)證定位算法，可以獲得較為滿意的結(jié)果。 7、在上述理論基礎(chǔ)上，以基于薩格奈克/雙馬赫-曾德干涉儀的傳感系統(tǒng)為例，組建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括傳感光路、信號的采集和處理電路、薩格奈克干涉相位的解調(diào)和自動定位等算法程序。實(shí)驗(yàn)過程中模擬了幾種典型作用施加到傳感光纖上，為破壞類型的識別研究提供了大量數(shù)據(jù)。此外，還對傳感系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測試結(jié)果