基于光纤振动传感器与FPGA的石油管道安防系统

张晖，吕宏伟，冯进良，才存良

（长春理工大学　光电工程学院，长春　130022）

基于光纤振动传感器与FPGA的石油管道安防系统

张晖，吕宏伟，冯进良，才存良

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

针对石油管道铺设于土壤中发生泄漏难以检测的问题，结合光纤振动传感器高灵敏度与FPGA高扫描速度的特点，设计了基于FPGA和光纤振动传感器的石油管道安防系统。首先采用光纤传感器检测故障点振动，再通过计算由振动调制的信号传到两端基站的时间差确定管道泄漏点。系统采用雷达辐射信号分选算法在FPGA中实现信号的筛选，采用授时精度高达15ns的U-blox授时芯片保证不同基站的时间一致，采用“双基站源-双向定位”方式有效平均定位误差。结果表明，系统可对5.5km范围内管道的泄漏事件进行有效报警定位，定位误差在30mm范围内。

光纤振动传感器；FPGA；双基站源-双向定位

管道输运具有密闭安全，输运量大，成本费用及输运价格比较低的优点，且便于控制和管理等［1］。鉴于石油管线距离长并且蓄意的打孔盗油、建筑施工误刨管线、管道老化等常常造成管道泄漏，这不仅给能源企业造成经济上的损失，而且油气泄漏会造成环境污染、引发火灾或者爆炸。因此迫切需要设计管道安防系统，最大程度的减少泄漏事故的发生［2］。传统的安防方案定位精度差，管道一旦发生泄漏无法查证，只能通过局部地区切断油气源来查找泄露点，而且大面积的挖掘管线费时费工，极有可能延误最佳抢险时间和造成对管道的二次破坏，给后期的故障诊断和事故责任划分来带诸多不便。而基于光纤振动传感器与FPGA的石油管道安防系统采用专业授时芯片，保证各个基站之间时间高度一致；采用高运算速度的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作为处理器，可分辨3ns的时间差；采用1064nm波长的激光作为光源，极大地提高了系统的定位精度，对管道的抢修有着极为重要的指导意义。

1　系统原理

1.1振动检测原理

结合石油管道特定环境、点多、面广、距离长和能源少等特点，采用基于马赫-泽德干涉仪结构的光纤振动传感器，激光束通过分束器，射入信号光线与参考光纤，如图1所示。

图1　马赫-泽德干涉结构示意图

信号光纤跟随石油管道同渠敷设，参考光纤敷设在石油管线上方约1m的位置。信号光线采用光弹材料制成，当信号光纤沿线有管道泄漏时，将导致光纤内部产生应变，此时从该处光纤内部传输光波受到相位调制。泄漏引起的振动改变了信号光和参考光的相对相位，产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为：

由于振动体的移动、反射光强的变化以及光学系统调整状况的变化等原因，都将引起探测器的入射光强的变化，这种变化的影响也混入被调解的信号中。为了消除这一影响，在两束光之间预先引入光强变化的低频相位调制，同时检测引入的相位调制和振动相位调制的成分，然后取两者之比，因而抵消和去除上述影响。若引入低频相位调制ϕc和固定相位差，则入射到光检测器件的光强表示为：

式中ES、ER分别表示信号光和参考光的振幅。

1.2定位原理

调制后的光波分别沿正向传输光路和逆向传输光路传播，分别在光路首段和尾端检测两路光电流信号之间的时间差，利用互相关函数估计时延的方法即可对异常事件进行定位。由于事件发生位置与系统首尾两端的距离不同，而光波在光纤中的传播速度是相同的，因此布置于首尾两端的探测器检测到同一事件的时刻点不会相同。假定两探测器检测到该事件的时间分别为t1和t2，则对异常事件定位的原理如图2所示。

图2中，L为待检测管道的总长度；Δt为故障发生点至系统一端的距离。定位公式为：

式中，υ为光波在光纤中的传播速度，Δt为两路干涉光强信号的时间差。由于基站A、B之间会因为授时芯片的精度产生15ns的误差，因此大多数时刻L≠Z1+Z2，故障点的实际位置为：

图2　故障点定位原理图

1.3信号分选原理

为了实现对多个目标的准确跟踪需要从复杂的电磁环境中分离出来自不同目标的脉冲信号，而雷达脉冲信号分选技术正是基于雷达脉冲到达方向DOA、脉冲宽度PW、脉冲载频RF等脉冲信号的特点，加上脉冲重复间隔去交错处理实现了不同目标信号的准确拆分和目标信号序列重构［3］。

本系统中记录了三种外界干扰信号：敲击、攀爬和切割。图3至图6详细表示了敲击、攀爬、切割以及泄漏四种常见信号的测试以及干涉信号及经过FPGA处理后的统计信号波形。图7形象地表示出了系统将随机混合的脉冲序列通过脉冲分选技术实现不同目标信号拆分和重构事件的整个过程。

图3　切割行为干涉信号与频率变化信号

图4　敲击行为干涉信号与频率变化信号

图5　攀爬行为干涉信号与频率变化信号

图6　泄露干涉信号与频率变化信号

图7　信号分选原理

2　系统结构和程序框图

2.1系统方案

系统采用U-blox授时芯片统一授时；光纤振动传感器将振动信号调制成光纤干涉信号输出；FPGA作为中央处理器，通过控制AD采样将模拟电压信号转换为数字信号，同时完成对数据的处理和信号的分选，依据U-blox芯片的授时统一打上时间戳，同时通过以太网网线传输给PC进行备案并且控制报警电路进行声光报警。结构框图如图8所示。

图8　系统结构框图

2.2FPGA系统内部框图

本方案中的FPGA采用XILINX公司的SPARTAN SPE3芯片，该芯片具有低成本、低功耗、高密度等诸多优点，能够很好的满足要求。FPGA的主要作用是：控制AD采样，处理光纤振动传感器回传数据，信号分选，加注时间戳。其结构框图如图9所示。

图9　FPGA内部结构框图

3　系统误差分析和数据处理

系统采用1064nm波长激光器，根据光速c得，每移动3mm耗时1ns。瑞士U-blox公司的授时芯片精度为15ns，即由于两端基站时间不一致引起的定位误差为15×3=45mm。

XILINX公司的SPARTAN SPE3型FPGA芯片的机器周期为3ns，即由处理器加注时间戳的时间差引起的定位误差为3×3=9mm。

光纤振动传感器响应速度对定位误差没有影响。

根据误差合成公式：

当误差传递系数ai=1时：

所以该系统的系统误差为：

系统采用“双基站源-双向定位”方式，即每一段光纤的两端都有数据采集检测系统，这样经过双向定位之后系统的系统误差为：

在常温条件下，5.5km光纤长度，模拟四种故障，分别进行100次试验，实验结果如表1所示。

表1　实验结果

4　结论

实验结果表明：采用了1064nm波长的激光作为光源、光纤振动传感器、FPGA、U-blox授时芯片、“双基站源-双向定位”方式的石油管道安防系统，能有效的区分攀爬、敲击、切割、泄漏等故障信息，能够有效地定位故障地点，为石油管道的安全保驾护航，为排解石油管道故障提供了可靠的信息。

［1］李兆南，龚斌，林木，等.压力管道泄漏声发射信号频谱特性实验研究［J］.声学术.2007，3（26）：423-426.

［2］刘志华.长输石油管线泄漏检测关键技术研究［D］.南京：南京理工大学，2009.

［3］国强.复杂环境下未知雷达辐射源信号分选的理论研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

［4］夏映玲.被动式防空雷达信号分选技术研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［5］曲志刚.分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术研究［D］.天津：天津大学，2008.

［6］张溪默.Mach-Zehnder型光纤油气管道安全系统中的偏振控制［D］.天津：天津大学，2011.

［7］Martinelli M，Russell A C.Endless polarization control algorithm using adjustable liner retarders with fixedaxes［J］.JournalofLightwaveTechnology，2003，21（9）：2089-2096.

［8］潘岳.基于FPGA的光纤振动传感器信号采集与处理系统［D］.杭州：杭州电子科技大学，2012.

Oil Pipeline Security System Based on Fiber-optic Vibration Sensor and FPGA

ZHANG Hui，LV Hongwei，FENG Jinliang，CAI Cunliang
（School of Optoelectronic Engineering，University of Science and Technology Changchun，Changchun 130022）

According to the fact that it’s hard to detect the oil spill if the pipeline is laid in the soil.Combined with the high sensitivity of fiber-optic vibration sensor and high scanning speed of FPGA，this paper designs the oil pipeline security system based on FPGA and fiber-optic vibration sensor.Firstly，fiber-optic sensor is adopted to detect spill point.Then the oil spill point is determined by calculating the time difference of the vibratory modulation signals between base station at both ends.The system adopts the algorithm of radar radiation signal sorting to filter signal in the FPGA，uses 15ns U-blox timing chips to ensure timing accuracy of different base stations and“source oftwin-station-bi-directional positioning” mode to average location error effectively.The results indicate that the system can effectively alert the position of pipeline spill in 5.5km，and the position error range is in 30mm.

fiber vibration sensors；FPGA；source of twin-station-bi-directional positioning

TN915

A

1672-9870（2016）03-0116-04

2016-03-18

张晖（1979-），男，硕士，讲师，E-mail：9204160@qq.com