基于Φ-OTDR的煤层气管线外界入侵振动检测系统*

王鹏飞,董 齐,刘 昕,王 宇,王 东,靳宝全,2*

(1.太原理工大学,新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;2.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西 晋城 048012)

众所周知,针对长距离的煤层气输送管道,由于其埋地深、穿越条件具有复杂性,以及有着较广的分布范围,致使人们对其外界入侵振动的监测提出了较高的要求[1-2]。因此,针对埋地管道周围的管道盗采行为、非法入侵等第三方入侵以及管道泄漏等事故的发生进行实时监测而言有重大意义。对煤层气输送管道的传统监测方法主要有管线巡视、次声波法以及井口加臭法等[3]。近年来,数据采集与监控系统(SCADA)[4]逐步在油气管道等方面加以应用,通过结合压力波分析、质量体积平衡及压力流量分析等检测技术[5],来做到实时监测管道运行状态。以上方法虽然能够对埋地管道的局部点实现有效监测,但是这类监测只能在事故发生甚至事故扩大后才能检测到,尤其对于第三方的非法入侵与盗采行为发生时无法进行监测,同时对沿线管道的运行状态不能进行实时监控,又针对某些所处地理环境复杂的输送管道不能布置常规的传感器。可见,传统的管道监测技术存在着局限性。

于是,为实现煤层气管道外界入侵振动的实时监测,亟需一种新的检测技术。随着光纤技术的发展,以及光纤具有的传输距离长、抗电磁干扰能力强、隐蔽性好等优势,已经成为一种重要的传感技术。目前,光纤传感技术已经逐步用于油气管道的实时安全监测,例如:Mach-Zehnder光纤干涉仪[6-8],Sagnac干涉仪[9],光时域反射计[10]等。而分布式光纤振动传感器,能够在分布式测量的同时能够对其运行状态以及第三方非法入侵与盗采等各种危险源做到在线监控,同时能够做到定位。

本文针对煤层气管线的外界入侵振动实时在线检测问题提出了基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式振动检测系统[11]。为实现 Φ-OTDR 系统振动数据的实时高速采集功能,融合了基于高性能FPGA的采集卡与USB2.0技术,构成了本系统的采集模块,实现了数据的高效传输。相对于传统利用振动信号的一维信息作为判据来检测振动源,本文创新性的分析了振动信号的时间-空间二维信息,并以此特征作为振动判别的依据,较为全面的得到振动特征。同时,根据振动产生的结果,为提高定位精确度,我们对利用差分处理后的振动信号中波前、波峰与末端位置定位性能进行了分析。为实现覆盖振动源特征频率,同时测定了系统的频率响应范围。最后,开展了系统误差分析。

1 管道振动检测原理

本文将针对煤层气输送管道外界入侵检测与定位,安全实时监控问题,提出了基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)原理的分布式光纤振动系统。由于光纤具有非匀质性,这将导致的光波在光纤中传播时会产生的瑞利散射效应[12]。而Φ-OTDR系统主要是通过对瑞利后向散射信号进行解调来实现分布式测量与定位。

当光纤周界有振动事件发生时,振动源所产生的信号通过机械波传播,引起光纤的振动。光纤受振动影响主要表现在光纤沿轴向长度的变化、光纤纤芯直径的变化、光纤折射率的变化三个方面,这三种变化所引起的效应分别称之为应变效应、泊松效应以及弹光效应,从而会造成所传输光信号的相位变化。通过对光相位的变化进行探测、采集和算法的提取解调便能够实现对振动事件的实时定位和监测。

假定外界作用于光纤的压力为P,当其作用于传感光纤时,光纤中传播的光相位的改变量ΔΦ与外界压力的关系如下。

(1)

(2)

式中:k0为一系数常量,n为光纤的折射率,E为弹性模量,P11,P12是光纤的弹光系数,L为传感光纤的长度。式(1)、式(2)所示光纤在纵向和横向受压时的对应关系。显然,在光纤材质确定的前提下,外界压力P作用与光相位的改变量ΔΦ成正比例的光系。

当振动源所产生的振动信号施加到光纤上时,会引起散射点相位变化,从而导致干涉光强I的变化。振动信号具有随机性和快速性,在外界振动发生的情况下,干涉后的后向瑞利散射光强也会发生明显、快速的变化。通常,光的干涉的功率在纳瓦级别,而且探测到的后向瑞利散射信号是随着传感距离呈现衰减的趋势的,且为锯齿状,振动信号淹没在散射曲线里。如图1所示。

图1 振动检测原理

因此,为了有效的提取出振动信号,将每次探测到的振动曲线做差分运算,便能够将每条曲线共模部分减掉,而随着振动信号随机、快速变化对应振动位置处的差模部分便会被提取出来。

振动检测不仅要具有对信号探测和感知的能力,同时对振动点定位功能的实现必也是不可少的。与传统的OTDR原理相类似,Φ-OTDR的定位与传统OTDR均是采用飞行原理进行事件定位。如式(3)所示。

(3)

式中:c为光在真空中传播的速度,c/n为光在光纤中的传播速度,t为光传播到振动点一个往返所用的时间。

2 Φ-OTDR测振系统

Φ-OTDR系统结构如图2所示。声光调制器(AOM)将窄线宽的连续光调制为脉冲光并经掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大,之后脉冲光通过环形器进入传感光纤,同时构造管道模型以模拟煤层气管线,传感光纤中的后向瑞利散射曲线经环形器被光电探测器(PD)所接收,并由高速数据采集系统采集信号并上传至上位机。

图2 实验系统结构

为了实现光纤沿线的分布式实时在线测量,数据的高速采集与传输十分重要。本文将采用FPGA+USB2.0数据采集模块来实现数据的高效采集。其中,高性能的FPGA作为采集模块的处理单元,FPGA具有并行处理快,配置灵活,在线编程等优点[13-14],广泛用于数据采集与处理。因此本系统将FPGA作为数据采集模块的主控芯片应用于Φ-OTDR振动检测系统中,用以控制AD转换器进行数据采集,同时将采集到的后向散射曲线缓存至FPGA内部的先入先出(FIFO)缓存区,并配合传输速度高达60 Mbyte/s的USB2.0技术,以实现在光纤传感沿线分布式的实时预警监测,实现智能化,减少人工因素对振动点的选取造成的检测失败的问题。

本文所使用的高速数据采集系统将FPGA作为主控设备,对USB主控芯片进行读写控制。本系统FPGA主控芯片采用Altera公司所生产的Cyclone III系列,并使用Quartus II开发环境进行开发,同时USB2.0[15]的外设控制器采用Cypress公司所生产的CY7C68013芯片,并设置其为Slave FIFO模式。本系统所采用的数据采集结构如图3所示。

图3 高速数据采集系统

FPGA与USB2.0外设控制器的通信是通过异步读写来完成的。经采集得到的振动信号存储到FPGA中的FIFO中,根据Slave FIFO的控制时序信号,将FPGA的FIFO中的振动信号再传输到USB控制芯片。FPGA与芯片CY7C68013的Slave FIFO接口电路如图4所示。

图4 FPGA与Slave FIFO接口电路

通过将CY7C68013设置为Slave FIFO模式后,FPGA对CY7C68013芯片的传输控制变为对FIFO的简单读写,当Slave FIFO写满后USB控制芯片内部的FX2内核将数据包自动上传至上位机。图中,FD[15:0]为16为双向数据总线;SLOE用于使能数据总线FD的输入输出;SLRD/SLWR分别为Slave FIFO的读/写控制;FLAGA/FLAGB为Slave FIFO空/满标志位;FIFOADDR[1:0]用于选择数据总线FD的端点缓存区,其中00为端点2(EP2),01为端点4(EP4),10为端点6(EP6),11为端点8(EP8)。

FPGA与USB2.0的通信过程即为将FPGA作为主控芯片对CY7C68013A的EP2、EP4、EP6、EP8四个端点的FIFO进行读写操作,其读写的时序图如图5、图6所示。

图5 FIFO读时序

在读过程中,如读时序图5所示,外部系统控制FIFOADDR0和FIFOADDR1地址线的电平进行端口选择,SLOE信号拉低后,选择的端口会把FIFO的数据输出到数据总线。外部系统拉低SLRD开始读取数据。

在写过程中,如写时序图6所示,外部系统控制FIFOADDR0和FIFOADDR1地址线的电平进行端口选择,再输出要写的数据到数据总线,拉高SLWR信号,在SLWR的上升沿期间把数据存入FIFO中。

图6 FIFO写时序

3 系统功能验证

对于本文所使用的系统,将信号调制为频率为8 kHz、脉宽为200 ns的周期性脉冲光,之后经过环形器传输到实际长度为5.1 km的传感光纤中。于是,采集到的后向瑞利散射曲线如图7所示。

图7 后向散射曲线

图7所示的后向瑞利散射曲线,其中共显示了4个脉冲周期所对应的后向散射信号。呈现衰减趋势的部分是实验中传感光纤的实际总长度。图中T2=-1.25×10-4s,T1=-2.5×10-4s,于是得脉冲周期ΔT=T2-T1=125 μs,与重复频率8 kHz相对应,即每一个脉冲光产生一个对应的后向散射曲线。Ф-OTDR 系统正是基于后向瑞利散射曲线而进行振动测量。

将传感光纤布设在管道上来模拟实际煤层气管线外界入侵检测系统,此时敲击管道上的传感光纤,可以得到由后向散射曲线所组成的瀑布图,如图8所示。

该图表征了传感部分的二维信息,即时间-空间信息,横坐标表示空间信息,纵坐标表示时间信息,图中颜色的深浅表示幅值信息。可见,图中所示方框中刻痕部分为振动信号,其放大的局部三维瑞利散射曲面如图9所示,可见在整体波动的散射曲面中有一处明显变化,此处即为振动点。

图8 振动瀑布图

图9 振动信号时-空定位

可见振动信号包含在波动的瑞利散射曲线之中,为使振动信号更加明显,本文采用差分算法对原始的后向散射曲线进行处理,其结果如图10所示。可以看到,经过算法的处理,瑞利散射的波动部分及噪声基本消除,而振动所引起的脉冲相对更加明显。由图11所示,使用振动脉冲的所在位置作为振动的发生点。通过振动点可以判断光纤附近的危险源以及做到实时定位。

图10 差分处理振动定位

图11 定位结果

4 定位结果分析

通过理论分析与实验可知,Φ-OTDR系统可以对振动信号做到分布式测量,且灵敏度高,定位效果好。接下来将针对定位结果着重讨论振动脉冲的定位位置的选择(波前、波峰或末端)、系统响应频率范围以及定位误差分析。

4.1 脉冲位置选择

由定位结果可知,Φ-OTDR通常是通过对脉冲所在位置进行定位。但一个振动脉冲包含波前、尖峰与末端三部分,其跨度在空间上约为10 m～30 m左右。可见,选取合理的脉冲位置能改善定位精度。相比于传统OTDR仪器,其通过菲涅尔反射原理,同时利用反射脉冲的波前来实现定位。因此,有必要对Φ-OTDR的后向散射曲线的振动脉冲定位进行进一步讨论,来确定具体是依据脉冲的波前、尖峰与末端的位置来实现定位。

本实验利用上述Φ-OTDR系统进行测试,在光纤的1 120 m处施加振动信号。通过10次实验,分别测量振动脉冲的波前、波峰与末端所对应的实际距离,以及计算与标定的振动点1 120 m处的欧式距离。其结果如图12所示,其中黑色曲线即为标定的振动施加点,为固定的1 120 m,红色曲线为脉冲波前的测量值,蓝色曲线为脉冲波峰的测量值,紫色曲线为脉冲末端的测量值。从图中显然可以看出,波峰处的测量值与标定点处最接近,即利用波峰作为定位点的定位结果最精确。

图12 不同脉冲位置的定位对比

本实验中振动脉冲的波前、波峰与末端与标定点的欧氏距离如表1所示。由表可以看出,使用波峰进行定位可以得到最理想的定位效果。

表1 与标定点欧式距离

综上所述,为实现精确定位,将选取振动脉冲的波峰作为系统的振动测量点。

4.2 频率响应范围

系统的频率响应范围同时对定位精度与灵敏性产生影响,意味着在实际使用中,要求系统的频率响应范围能够达到应用要求。为测定本Ф-OTDR系统的频率响应范围,将在传感光纤的3 950 m处使用压电陶瓷施加方波信号,频率从1 Hz起逐步向上递增。由于本系统采用的脉冲重复频率为8 kHz,所以理论响应频率为4 kHz。经实验验证可知,当系统频率超过3 kHz时,定位精度将受到较大影响,即本系统的最佳频率响应范围约在1 Hz到3 kHz之间。频率响应范围内的定位误差如图13所示。为观察方便,图中将频率值取对数(以10为底)处理。显然,在该响应范围内,系统有着很好的定位精度,同时具备很高的灵敏度。同时该频率范围完全可以满足煤层气输送管道大部分的常见危险源,做到灵敏、精确定位。

图13 频率响应范围

4.3 误差分析

针对实验系统的定位误差,接下来将测定本实验系统的定位误差进行测定。本实验将在传感距离为10 km的传感光纤上进行测试,分别在在光纤的4 km处与9 km处施加振动。同时为了验证本系统能对多种形式的振动做到准确定位,将在振动处随机采用人手拍振动、振动台振动、压电陶瓷驱动起振等四种方式施加振动。系统的在4 km处和9 km处的定位误差如图14所示。

图14 定位误差

根据实验结果可得,系统在10 km的传感光纤上,在4 km和9 km处的定位误差集中在20 m的范围内,定位效果良好。

5 现场试验

本文所述的Ф-OTDR振动检测系统在山西省沁水县10 km长煤层气输气管线上进行了现场实验。工程光缆铺设在煤层气管道上方并用轧带进行固定,随后使用多层细土对光缆掩埋保护,如图15(a)所示。在图15(b)中,工程人员在煤层气管道掩埋上方进行人工挖掘来模拟盗采等第三方入侵行为。在图15(c)的上位机监控界面中可以看到,光纤2.4 km处能看到明显的振动信号,实现了对外界入侵事件的精确定位与报警,从而验证了本系统在煤层气输送管线第三方入侵实时监测中的可行性。

图15 现场试验

6 结论

本文针对煤层气管线的外界入侵振动检测与定位问题,提出了一种基于Ф-OTDR原理的分布式光纤振动系统,从原理与实验两个角度详细阐述了系统的可行性。为实现数据的高效采集与传输,本系统采用了FPGA+USB2.0数据采集系统,同时利用振动信号的时间-空间二维信息全面概述振动特征。为实现精确定位,提出了利用振动脉冲的波峰作为定位点,测定了系统的响应频率为1 Hz～3 kHz,覆盖煤层气输送管道入侵振源频率范围。最后,对系统开展了定位误差分析,通过实验可以验证,系统误差小于20 m,具有良好的定位效果。