长途油气管道破坏预警的干涉型分布式光纤传感系统定位技术研究

摘要

管道运输作为五大运输方式之一，具有安全、经济、保质、无污染等优点，已经成为油气运输的重要途径。然而近些年来，偷油盗油、施工破坏等人为原因却严重影响了油气管道的正常运行。为了保障油气管道的正常运行，必须对管道安全进行实时监测。然而现有管道安全监测方法仅能在泄漏事故发生后，被动的检测泄漏点，仅能减少损失，不能避免损失。因此，开展管道破坏行为的预警技术研究具有广泛的应用前景。 将光纤干涉技术与光纤分布式传感技术结合而成的干涉型分布式光纤测量系统是管道破坏行为预警的最理想手段之一。干涉型分布式传感系统由于基于相位感测原理，其高灵敏度的探测特性已为大家所公认，然而高精度的定位技术还有待进一步深入研究。双马赫．曾德尔分布式光纤传感系统由重庆大学于2005年自主开发。在前期研究中，解决了如何将光纤干涉技术与分布式传感技术有机结合的问题、解决了高灵敏度的探测和对不同对象的识别问题，由于时间原因没有在高精度定位技术方面做太深入的研究。鉴于管道破坏行为预警、定位的巨大需求，对基于双马赫．曾德尔结构的分布式传感系统定位技术进行研究，不仅具有非常高的理论可行性，而且具有重大的科学价值和潜在的社会经济效益。 为此，首先分析了挖掘、钻孔等破坏行为引起的地震动信号的产生及传播机理，分别构建了破坏行为引起的震源振动模型、地振动波模型。针对纵波(P波)对光纤的作用方式，构建了管道破坏行为的光纤传感模型。分析了破坏行为引起的相位变化在基本马赫．曾德尔光纤干涉仪输出信号中的表现形式，并在对马赫一曾德尔光纤干涉仪基本结构进行适当变换的基础上，构建了双马赫-曾德尔光纤干涉结构的分布式传感系统，通过对油气管道破坏行为定位基本原理的推导，得出求取两列干涉信号的时延△τ是整个定位技术关键的结论。 由于单模光纤双折射效应的存在，线偏光在普通单模光纤中传输时，会发生偏振态退化现象。首先利用琼斯矩阵法仿真分析了单模光纤双折射引起的偏振态退化对传感系统性能的影响，揭示了偏振态退化对干涉输出信号质量及整个系统定位精度影响的内在规律。在琼斯矩阵法分析的基础上，进一步利用椭圆偏振光干涉法定量的研究了干涉条纹可见度V、相位误差ζ随椭圆偏振光方位角和椭圆率角θ，β的影响变化情况。根据系统的偏振退化特性，选择光纤机械式偏振控制器对系统偏振态进行调节，并且设计了以相位调制器为核心元件的偏振控制方案。 在解决偏振退化问题，保证干涉信号满足后续处理要求的基础上，选择互相关方法作为高精度定位的实现算法。从相关分析方法的理论切入，推导了基于互相关方法的破坏行为定位原理。分析了直接对干涉信号作互相关可能对定位结果的影响，提出了基于广义互相关方法的改进定位技术。分析了相关分析中可能对定位精度造成影响的诸多因素，提出了通过提高采集卡采样率、增加互相关数据长度、小波滤除系统噪声、采用时延差估计方法提高系统定位精度的方法。在上述理论基础上，开发了整个试验系统：包括能够实现破坏行为定位的分布式光纤传感系统、能够对测量得到的定位值进行评价的破坏行为发生位置标定系统。通过采用偏振控制、增加数据长度、小波去噪等手段后，系统的定位精度基本达到了预期目标。针对定位距离存在一定随机偏差的情况，采用τ值平均法提高时延估计精度，有效的消除了单次测量的随机误差，多次测量的平均结果与OTDR测量值之间有4～52m左右的误差。试验结果表明，该系统性能能够满足油气管道破坏行为定位的工程实际需求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2干涉型分布式光纤传感系统定位技术研究的国内外现状

1.2.1基于绝对相位求取的干涉型分布式光纤定位技术

1.2.2基于相对相位特性的干涉型分布式光纤定位技术

1.3现有技术存在的问题及性能对比

1.3.1评价定位技术优劣的主要标准

1.3.2各种定位技术之间的优缺点对比

1.4论文的意义及主要工作

2分布式传感系统用于油气管道破坏行为定位的基本原理

2.1引言

2.2油气管道破坏行为引起的震源振动理论模型

2.2.1油气管道的基本情况

2.2.2人为造成管道事故的行为分类

2.2.3破坏行为引起的震源振动理论模型

2.3破坏行为引起的地震动波理论模型

2.3.1破坏行为引起的地震动波

2.3.2破坏行为引起的地震动波理论模型

2.4传感光纤感测地震动波的理论模型

2.4.1光纤线路敷设

2.4.2光纤传感模型

2.5油气管道破坏行为定位的基本原理

2.5.1马赫-曾德尔光纤干涉仪

2.5.2基于马赫-曾德尔干涉原理的油气管道破坏行为定位基本原理

2.5.3定位关键技术

2.6本章小结

3偏振态衰落对分布式光纤传感系统定位性能的影响分析

3.1引言

3.2单模光纤双折射及其引起的偏振态演化

3.2.1单模光纤的双折射

3.2.2引起单模光纤双折射的原因

3.2.3单模光纤双折射引起的偏振状态的演化

3.3琼斯矩阵法分析偏振态退化对定位性能的影响

3.3.1光路系统中光波偏振态的简化模型

3.3.2传感器系统的功率传输系数仿真

3.3.3偏振态退化对干涉输出相位的影响发现

3.4椭圆偏振光干涉法分析偏振态退化对定位性能的影响

3.4.1椭圆偏振光的数学表示

3.4.2椭圆偏振光干涉的一般形式

3.4.3偏振态退化对传感系统定位性能的影响分析

3.4.4结论

3.5抗偏振衰落方案的设计

3.5.1偏振控制思路

3.5.2偏振控制方法的选择

3.5.3偏振控制方案的设计

3.6本章小结

4基于互相关方法的定位技术研究

4.1引言

4.2相关分析方法

4.2.1相关系数与相关函数

4.2.2相关分析方法

4.3基于互相关方法的分布式光纤传感系统定位技术

4.4基于广义互相关方法的分布式光纤传感系统定位技术

4.4.1采用广义互相关方法的原因

4.4.2基于广义互相关方法的定位技术

4.5相关分析中影响定位精度的因素分析

4.5.1采集卡采样周期T对定位精度的影响

4.5.2相关系数最大值对应的m'点的误差对定位精度的影响

4.6提高相关系数最大值对应m'点精度的方法

4.6.1增加互相关数据长度

4.6.2小波去噪

4.6.3采用时延差估计方法

4.7本章小结

5试验研究

5.1引言

5.2试验系统开发

5.2.1分布式光纤传感系统

5.2.2破坏行为发生位置标定系统

5.3试验方案设计

5.4试验结果及分析

5.4.1试验结果

5.4.2试验结果分析

5.5本章小结

6总结与展望

6.1主要结论

6.2论文的展望

致谢

参考文献

附 录