基于杜芬振子检测分布式光纤管道的泄漏的装置及方法

摘要

一种基于杜芬振子检测分布式光纤管道的泄漏的装置及方法，属于流体管道泄漏检测技术领域。装置包括光源模块、光纤干涉仪模块、光电探测模块、数据采集模块和PC机。检测方法，步骤如下：1、产生激光；2、由光纤干涉仪模块检测管道沿途的振动信号；3、光电探测模块接收光纤干涉仪模块传送过来的光信号，将光信号转换成电信号，并且将光信号放大输出；4、数据采集模块接收光电探测模块输出的电信号，将电信号进行滤波处理，并且进行A/D转换；5、PC机检测。本发明的优点：将混沌振子的检测算法应用于分布式光纤流体管道泄漏检测装置及方法，由于其具有极强的噪声抑制能力和信号频率选择的特性，能显著降低对检测信号信噪比的要求。

说明书

技术领域

本发明属于流体管道泄漏检测技术领域，特别涉及一种基于杜芬振子(Duffing)检测分 布式光纤管道的泄漏的装置及方法。

背景技术

管道运输作为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一，在国防工业和 国民经济中发挥着越来越重要的作用。随着十几年来经济的飞速发展，流体管道泄漏检测技 术也有长足的进步，出现了多种管道泄漏检测方法。

流体输送管道泄漏检测以及定位的方法大致分为两类，管外检测法和管内检测法。管外 检测法直接检测管道外部环境和管壁状况，例如管道外部巡视检测法、油敏线缆、检测光纤 等。管内检测法也被称为计算机管道监控(Computational Pipeline Monitor，CPM)，它应用仪 器仪表对管道内部运行参数进行检测，然后将管道内部运行参数(例如压力、流量和温度等) 作为计算机管道监控的输入数据，根据泄漏引起的流量、压力等物理参数发生的变化，通过 计算机推理和人工分析得出管道是否发生泄漏。

近年来，随着光纤技术的不断发展，光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测。分布式 光纤管道检测技术利用光纤作为传感器检测流体管道沿途的振动信号，不仅可以检测出管道 发生泄漏的状况，而且可以对管道沿线发生的危害管道事件进行预警。分布式光纤流体管道 泄漏监测技术对于检测精度和灵敏度有很高的要求。当背景噪声较大而泄漏量较小时，分布 式光纤流体管道泄漏监测系统测得的信号表现为强噪声背景下的微弱周期信号的检测问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于杜芬振子(Duffing)检测分布式光纤管 道的泄漏的装置及方法。

本发明装置包括光源模块、光纤干涉仪模块、光电探测模块、数据采集模块和PC机；

光源模块：光源模块包括激光器、光源驱动电路和光源保护电路，其中光源驱动电路的 输出端接光源保护电路的输入端，光源保护电路的输出端作为光源模块的输出端。

光纤干涉仪模块：光纤干涉仪模块由激光器、光隔离器、光纤耦合器、单模光纤、引导 光纤和光环行器组成。其中激光器是用来产生激光的装置；光隔离器能够实现光信号的正向 传输，同时抑制反向光，具有不可逆性，能够解决光路中光反射的问题，用于保护光源；光 纤耦合器为两个，可以把一个或多个光输入分成两个或多个光输出，用于传送和分配光信号 的无源器件，其中一个光纤耦合器用作将从激光器传播过来的激光分成两束光的分光器，另 一个光纤耦合器用来形成干涉信号并且将信号传送给引导光纤；单模光纤是沿管道铺设作为 测试光纤，用于检测管道沿途的振动信号；光环行器只允许某端口的入射光从确定端口输入 而反射光从另一端口输出的非互易性器件，光环行器可避免经过耦合器产生的损耗。

其中光隔离器的输入端作为光纤干涉仪模块的输入端，光隔离器的输出端与耦合器相连 接，光纤耦合器的输出端连接两个单模光纤的首端，两个单模光纤并行连接，单模光纤的末 端连接光纤耦合器的输入端，另外当测试光纤受力分别向相反方向传播振动时，光纤耦合器 为两个，一个光纤耦合器的输入端此时变为输出端，此时光纤耦合器的输出端与光环行器的 输入端连接，光环行器输出与光电探测模块的一路输入连接，另一个光纤耦合器的输出端连 接引导光纤，引导光纤的末端连接光电探测模块的另外一路输入端；

光电探测模块，完成光转换成电并且将电信号放大的功能，光电探测模块包括将光信号 转换成电信号的器件光电探测器和将电信号放大的放大电路，光电探测模块有两路接收信号 端，其中一路接收引导光纤传播过来的信号，另外一路接收光环行器传播过来的信号。

数据采集模块，包括滤波电路和数据采集卡，滤波电路的输入端作为数据采集模块的输 入端，滤波电路的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡将数据进行A/D转换并且输 出至PC机。

该装置中光源模块的输出端连接光纤干涉仪模块的光隔离器的输入端，光纤干涉仪模块 中引导光纤的输出端连接光电探测模块的一路输入端，光纤干涉仪模块中光环行器的输出端 与光电探测模块的另外一路输入连接，光电探测模块的输出端连接数据采集模块的输入端， 数据采集模块的输出连接至PC机，进行信号的测试和处理。

本发明以LabVIEW作为开发平台，完成信号向计算机的读取，以及完成应用Duffing混 沌理论实现信号的检测，通过输出相轨迹图的变化判断泄漏情况，并且实现定位。

本发明中由单纵模窄线宽光纤激光器发出的激光经过隔离器和光纤耦合器分成光强相等 的两束光波在两条单模光纤中传播，在光纤传感器的末端，即光纤耦合器出形成干涉信号， 两束相干光光强分别为I₁、I₂，ΔS(t)为两束相干光波调制差，为两束相干光波的相位差， 两束相干光波干涉后的光强I为

设I_h为输入到两条测试光纤中的总光强；λ为两相干光的混合效率，则两束相干光波干 涉后的光强I(t)有

只考虑交流光强，并且通过光电检测器的光信号转换成电信号，K为光电转换系数，λ为 两相干光的混合效率，光电流的交流量i(t)为

管道发生泄漏，当测试光缆受到管道沿线振动信号作用时，光缆中的两条测试光纤都会 产生应力应变，因此两条传感光纤中传播的两束相干光会产生相位变化，从而影响光强度的 变化，最终导致光电探测器输出电流信号的变化。因此我们可以通过光电探测器输出光强度 的变化检测出分布式光纤沿途为振动信号，从而实现管道泄漏实时检测。

当发生泄漏时，测试光纤产生应力应变，造成该处光纤相位调制，产生调制的信号同时 向传感器两端传播，一条经过耦合器c1、光环行器e2、光电探测器f2传回数据采集信号处 理，另外一条光路通过引导光纤，光电探测器f1传送回数据采集信号处理，通过两端振动检 测信号的时间差，可以精确的计算出泄漏发生的位置，定位公式可表示为

$X=\frac{L_w-v(t_2-t_1-\frac{L_w}{v})}{2}---\left(7\right)$

式中，X为泄漏点到首端的距离；L_w为检测的管道长度；t₁为传感器首端检测到管道泄 漏信号的时间；t₂为传感器末端检测到管道泄漏信号的时间；v为光波在光纤中的传播速度。

针对分布式光纤管道泄漏检测装置对灵敏度和精度的高要求，本发明提出将Duffing振子 检测算法应用到本发明中。当背景噪声较大而泄漏量较小时，本发明测得的信号表现为强噪 声下的微弱信号检测的问题。由于混沌系统在临界相变处对噪声具有鲁棒性而对周期信号具 有敏感性，也就是说，在临界相变处，即使很强的噪声也不会使混沌系统发生相变，另外 Duffing振子系统只对与本发明策动力频率一致的周期信号敏感，而对于其他频率的信号，即 使频率很高，信号很强也并不太敏感，此时与策动力频率不同的信号相当于噪声，混沌系统 只对与策动力频率相同的周期信号敏感。只要我们将Duffing振子系统的策动力频率设定与泄 漏时振动信号的频率相同，我们即可排除其他频率的信号以及噪声的干扰，能够有效的提高 装置的信噪比。

Duffing振子作为检测一般模型为

式中，k为阻尼比；f为周期策动力幅值；ω为策动力角频率，x(t)为输出。

当k固定时，Duffing系统的状态随策动力的变化有规律的变化。当f为0时，相点最终 停在两鞍点(±1，0)之一；f较小时，相点在两鞍点附近周期振动；f稍许增加时，周期振动出 现分频，当f继续增加超过三奇点之间的间隔时，可以在这些奇点之间来回迁跃振荡，出现 混沌状态；进一步增加f到混沌临界值，出现大尺度周期运动状态。

混沌的阈值R(ω)，下面表示阈值为f_d，也就是出现混沌状态向大尺度周期状态转变的临 界策动力值。k为阻尼比，f为周期策动力幅值，混沌阈值R(ω)＝f/k的取值范围：

(1)如f/k＞0

$\frac{f}{k}>\frac{4\cosh \left(\frac{\mathrm{\pi \omega }}{2}\right)}{3\sqrt{2}\mathrm{\pi \omega }}---\left(9\right)$

由混沌状态向大尺度周期状态转变。

(2)如f/k＜0

$-\frac{4\cosh \left(\frac{\mathrm{\pi \omega }}{2}\right)}{3\sqrt{2}\mathrm{\pi \omega }}<\frac{f}{k}<\frac{4\cosh \left(\frac{\mathrm{\pi \omega }}{2}\right)}{3\sqrt{2}\mathrm{\pi \omega }}---\left(10\right)$

由混沌状态向大尺度周期状态转变。

基于Duffing振子的分布式光纤流体管道泄漏检测模型如下：

其中z(t)为待检测信号，首先将策动力f_c设置在临界混沌状态对应的策动力f_d处，此时 处于混沌临界状态如图4所示。当同频率待测信号输入系统时，即分布式光纤流体管道泄漏 检测系统有泄漏时，系统的相轨迹迅速转入周期状态，如图5所示。无泄漏时，待测信号不 含同频率周期信号，只存在噪声，系统处于混沌状态。由此可以根据系统相轨迹的变化判断 输入待测信号中是否含有与策动信号同频率的周期信号，既能检测流体管道系统的泄漏情况。

若待测信号z(t)＝f_ccos(ωt+θ)作为周期力的摄动，其中f_c为待测信号的策动力幅值，ω为 待测信号的频率，θ为待测信号的初始相角，Duffing方程式中的总周期力A(t)变为

式(12)中，是待测周期信号的相位，f_w为总策动力幅值，

$f_w=\sqrt{f_d^2+f_d{f}_c\cos \theta +f_c^2}---\left(13\right)$

若f_c＝f_d，则的影响可以忽略。

如果进一步流体管道泄漏检测系统信号的幅值，则开始调节(减小)策动力值f，直 到系统重新进入混沌状态，记下此时策动力的值f′，此值与混沌临界状态对应的策动力f的 差值即为待测周期信号幅值，即待测的周期信号的幅值为f_c＝f_d-f′。

本发明基于Duffing振子相轨迹检测分布式光纤管道的泄漏的检测方法，步骤如下：

步骤1、首先激光器经过光源电路的驱动，产生激光，通过光源保护电路传送给光纤干 涉仪模块；

步骤2、由光纤干涉仪模块检测管道沿途的振动信号，振动信沿相反方向传播，一路振 动信号沿光纤耦合器返回，另外一路振动信号沿引导光纤返回，分别送给光电探测模块进行 光电探测；

步骤3、光电探测模块接收光纤干涉仪模块传送过来的光信号，将光信号转换成电信号， 并且将光信号放大输出；

步骤4、数据采集模块接收光电探测模块输出的电信号，将电信号进行滤波处理，并且 进行A/D转换，最后将转换后的信号传送给PC机进行处理；

步骤5、PC机采用Duffing混沌相轨迹法对采集来的信号进行检测，通过相轨迹的变化， 观察泄漏状态的发生情况，当未发生泄漏时，相轨迹处于临界混沌状态，一旦发生泄漏，相 轨迹立刻跃变至大尺度周期状态，由此可以判断泄漏，并且通过相关的定位算法进行定位；

步骤6、此检测为循环检测，不断重复步骤2-步骤5。

本发明的优点：将混沌振子的检测算法应用于分布式光纤流体管道泄漏检测装置及方法， 由于其具有极强的噪声抑制能力和信号频率选择的特性，能显著降低对检测信号信噪比的要 求。

附图说明

图1是本发明中装置的结构框图；

图2是本发明中光源驱动电路图；

图3是本发明中光电探测模块电路图；

图4是本发明中数据采集模块滤波电路图；

图5是本发明中混沌系统处于混沌临界状态的相轨迹图；

图6是本发明中混沌系统处于大尺度周期状态的相轨迹图；

图7是本发明加入噪声信号的混沌临界状态相轨迹图；

图8是本发明一种基于Duffing振子相轨迹检测分布式光纤管道的泄漏的方法流程图；

具体实施方式

本发明结合具体实施例和说明书附图加以详细说明。

图1是本发明一种基于杜芬振子(Duffing)检测分布式光纤管道的泄漏的装置的结构 框图。包括光源模块、光纤干涉仪模块、光电探测模块、数据采集模块和PC机；

光源模块：光源模块包括激光器、光源驱动电路、光源保护电路，其中光源驱动电路的输 出端接光源保护电路的输入端，光源保护电路的输出端作为光源模块的输出端。

光源的驱动电路如图2所示，图中D2为激光二极管，D1为监测二极管，D2输出的光功 率由监测二极管D1进行监测，并通过监测光电二极管将D2输出的光的功率信号转换为电流 信号。监测二极管输出的电流信号再经过电位器R5和电阻R7转换为电压信号，电压信号通 过反馈回路中的运算放大器AR1和电压比较器AR2设定的值进行比较，进而控制三极管Q1调 节D2输出的驱动电流的大小，实现了激光器输出功率的自动控制。

光纤干涉仪模块：光纤干涉仪模块由激光器a、光隔离器b、光纤耦合器c1、c2、单模 光纤d1、d2、光环行器e1组成。其中激光器a是用来产生激光的装置；光隔离器b能够实 现光信号的正向传输，同时抑制反向光，具有不可逆性，能够解决光路中光反射的问题，用 于保护光源；光纤耦合器c1、c2可以把一个或多个光输入分成两个或多个光输出，用于传送 和分配光信号的无源器件，其中c1用作将从激光器传播过来的激光分成两束光的分光器，c2 用来形成干涉信号并且将信号传送给引导光纤d3；单模光纤d1、d2是沿管道铺设作为测试 光纤，用于检测管道沿途的振动信号；光环行器e1，只允许某端口的入射光从确定端口输入 而反射光从另一端口输出的非互易性器件，光环行器可避免经过耦合器产生的损耗。

其中光隔离器b的输入端作为光纤干涉仪的输入端，光隔离器b的输出端与耦合器c1相 连接，耦合器c1的输出端连接单模光纤d1、d2的首端，两个单模光纤d1、d2并行连接，单 模光纤的末端连接耦合器c2的输入端，另外当测试光纤受力分别向相反方向传播振动时，耦 合器c1的输入端此时变为输出端，此时耦合器c1的输出端与光环行器e1的输入端连接，光 环行器e1输出与光电探测器模块的另外一路输入连接，耦合器c2的输出端连接引导光纤d3， 引导光纤d3的末端连接光电探测模块的一路输入端，各器件的连接构成光纤干涉仪模块。

光电探测模块，完成光转换成电并且将电信号放大的功能，模块包括将光信号转换成电 信号的器件光电探测器f1、f2，以及将电信号放大的放大电路，本发明中光电探测模块有两 路接收信号端，其中一路接收引导光纤d3传播过来的信号，另外一路接收光环行器传播过来 的信号。

光电探测模块电路如图3所示，将两个完全相同的PIN光电二极管连接到运算放大器A1 和A2的反相输入端，再将A1和A2的输出端分别连接到差分放大器A3的同相输入端和反相 输入端上。当探测器受到外界环境的影响产生干扰信号时，A1和A2这2个运算放大器产生 的将会是相位相同、振幅相同、时间同步的共模信号，在差分放大器A3的输入端接收到共模 信号后，会将共模信号滤除，从而提高了信噪比，达到消除外界环境对探测电路影响的目的。

数据采集模块，包括滤波电路以及数据采集卡，滤波电路的输入端作为数据采集模块的 输入端，滤波电路的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡将数据进行A/D转换并且 输出至PC机。

滤波电路如图4所示，通常情况下管道泄漏的振动信号的频率范围为100～2000Hz，计 算得分频比为44.74因此根据芯片MAX266的资料给出的分频比范围，应该选择最接近的 43.96，此时要求F₀、F₂、F₃、F₄、F₅为低电平，要求F₁为高电平。接下来对于芯片MAX266 的工作模式进行设置，其中MODE3可以对中心频率自由调整，满足要求。MAX266的工作 模式通过对引脚SIA、SA/B以及SIB的设置实现。可以外接一个8051单片机的IO口对F₀～F₅的高低电平以及工作模式进行设置。选择R₁＝R₃＝1.5kΩ，R₂＝R₄＝10kΩ。电路结构确定后， 滤波器的滤波特性仅与时钟频率有关。

一种基于杜芬振子(Duffing)检测分布式光纤管道的泄漏的方法，步骤如下：

步骤1、首先激光器经过光源电路的驱动，产生激光，通过光源保护电路传送给光纤干 涉仪模块，本发明中采用能保证激光具有极好相干性的单纵模窄线宽光纤激光器，光源的驱 动电路如图2所示，图中D2为激光二极管，D1为监测二极管，D2输出的光功率由监测二极 管D1进行监测，并通过监测光电二极管将D2输出的光的功率信号转换为电流信号。监测二 极管输出的电流信号再经过电位器R5和电阻R7转换为电压信号，电压信号通过反馈回路中 的运算放大器AR1和电压比较器AR2设定的值进行比较，进而控制三极管Q1调节D2输出的 驱动电流的大小，实现了激光器输出功率的自动控制。半导体激光器对于电冲击的承受能力 不强，而在开启和关掉电源的时候产生的电流和电压等对于半导体激光器的电冲击又时常发 生。对于这种电冲击，将一个接触电阻很小的开关与半导体激光器并联，当半导体激光器启 动时，将开关闭合，等到电源工作稳定之后再将电源断开，这种方法对于消除电冲击十分有 效。

步骤2、由光纤干涉仪检测管道沿途的振动信号，振动信沿相反方向传播，一路振动信 号沿耦合器c1返回，另外一路振动信号沿引导光纤d3返回，分别送给光电探测模块进行光 电探测。

步骤3、光电探测模块接收光纤干涉仪传送过来的光信号，将光信号转换成电信号，并 且将光信号放大输出，光电探测模块放大电路如图3所示，将两个完全相同的PIN光电二极 管连接到运算放大器A1和A2的反相输入端，再将A1和A2的输出端分别连接到差分放大器 A3的同相输入端和反相输入端上。当探测器受到外界环境的影响产生干扰信号时，A1和A2 这2个运算放大器产生的将会是相位相同、振幅相同、时间同步的共模信号，在差分放大器 A3的输入端接收到共模信号后，会将共模信号滤除，从而提高了信噪比，达到消除外界环境 对探测电路影响的目的。

步骤4、数据采集模块接收光电探测模块输出的电信号，将电信号进行滤波处理，并且 进行A/D转换，最后将转换后的信号传送给PC机进行处理，其中采用美国国家仪器公司(NI) 公司生产的PCI-6251数据采集卡完成，滤波电路如图4所示，通常情况下管道泄漏的振动信 号的频率范围为100～2000Hz，计算得分频比为44.74因此根据芯片MAX266的资料给出的 分频比范围，应该选择最接近的43.96，此时要求F₀、F₂、F₃、F₄、F₅为低电平，要求F₁为 高电平。接下来对于芯片MAX266的工作模式进行设置，其中MODE3可以对中心频率自由 调整，满足要求。MAX266的工作模式通过对引脚SIA、SA/B以及SIB的设置实现。可以外 接一个8051单片机的IO口对F₀～F₅的高低电平以及工作模式进行设置。选择 R₁＝R₃＝1.5kΩ，R₂＝R₄＝10kΩ。电路结构确定后，滤波器的滤波特性仅与时钟频率有关。

步骤5、以LabVIEW作为开发平台，完成信号向PC机的读取，以及完成应用Duffing 混沌理论实现系统信号的检测，通过输出相轨迹图的变化，判断泄漏情况，并且实现定位。 软件模块采用Duffing混沌相轨迹法对采集来的信号进行检测，通过相轨迹的变化，观察泄 漏状态的发生情况，当未发生泄漏时，相轨迹处于临界混沌状态，一旦发生泄漏，相轨迹立 刻跃变至大尺度周期状态，由此可以判断泄漏，并且通过相关的定位算法进行定位。

其中基于Duffing振子相轨迹法检测微弱信号步骤如下：

(1)、调节策动力幅值，观察相轨迹图，当策动力幅值f＝0.72562时，处于临界混沌状 态，而使用Melnikov方法计算所得的阈值R(ω)＝0.7530，由此可知实际出现的混沌现象的 策动力幅值比Melnikov方法计算所得的值小，如图5所示为系统临界混沌状态的相轨迹图；

(2)、输入待测信号f_ccosωt，系统跃变为大尺度周期状态，如图6所示为系统处于大尺 度周期状态的系统相轨迹图，此时调节系统策动力幅值f，当系统重新回到临界混沌状态时， 系统的策动力幅值f′＝0.72561，则待测信号的幅值f_c＝f_d-f′＝0.00001。由仿真结果得知 系统可检测的最低门限值为10^-5，即10lg 0.00001＝-50dB而目前在微信号检测领域内，用时 域方法处理信号的最低信噪比门限只有-10dB。因此可以说明采用Duffing相轨迹方法检测 微弱正弦信号是可行的。

(3)、加入高斯白噪声，观察相轨迹图的变化，图7为加入均值为0，方差为0.1的高斯 白噪声时系统的临界混沌状态相轨迹图。由相轨迹图可以看出，噪声使相轨迹变得粗糙，相 轨迹环周围出现了许多“毛刺”，但是噪声的存在不改变相轨迹的状态，因此Duffing相轨迹 方法对于正弦信号敏感，而对于噪声具有鲁棒性。

(4)、通过实验发现当加入频率不同的正弦信号时，系统没有发生明显变化，由此可以推 断，相轨迹对于与策动力信号频率相同的正弦信号敏感，对于其他频率的信号，即使频率很 高，信号很强也并不太敏感。

步骤6、此检测为循环检测，不断重复步骤2-步骤5。

通过分析可知分布式流体管道泄漏实时检测装置输出的微弱的正弦信号，采用Duffing 振子相轨迹法对其进行检测，当装置的背景噪声较大而泄漏量较小时，本发明测得的信号表 现为强噪声下的微弱信号检测的问题。通过上述分析可以看出采用Duffing振子相轨迹法，检 测与策动力同频率的微弱信号的最低信噪比门限值可以达到-50dB，因此采用Duffing振子 相轨迹法检测分布式流体管道泄漏实时检测装置输出的微弱的正弦信号，能够有效的提高装 置的信噪比。