基于光纤传感及小波分析的管道泄漏检测与定位技术

第２１卷第１期　传感技术　学报　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮ９］ＲＳ　ＡＮＤ　ｕ　ｃ强　Ｖ０１．２１　Ｎｏ．１　２００８年１月　ＪＡＮ．２００８　Ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｌｅａｋ　ａｇｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｅ　ｎｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｗａｖｅｌｅｔ　ＺＨＡＮＧＳｈｕ—ｑｉｎｇ　，ＬＩＥｒ－ｗｅｉ　，　ＪＮＳｈｉ－ｊｉｕ　，ＺＨＡＮＧＬｉ—ｇｕｏ　，ＺＨＡＮＧＫｅ－ｘｉｎ　、　／１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　Ｈｅｂｅｉ　０６６００４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａ　ｉｎ　３０００７２，　，　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｈｉｇｈ　ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ．Ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｌｅａｋａｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｌｅａｋｅｄ　ｉｎｆｏｒｍａ—　ｔｉｏｎ　ａｌｏｎｇ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｅａｋｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃａｐａｂｌｅ　ｔｏ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅ　１ｏｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅａｋｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇｙ　ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｌｅａｋａｇｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍａｌ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ　ＥＥＡＣＣ：７２３０Ｅ　基于光纤传感及小波分析的管道泄漏检测与定位技术　＊　张淑清　，李二伟　，靳世久　，张立国　，张克欣　（１．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛０６６００４；２．天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２）　摘　要：利用一条高双折射单模光纤和一根普通单模光纤构成分布式光纤传感器，通过检测管道沿途发生的泄漏信息，可以　实时地监测管道沿途发生的泄漏情况；用在时频域中具有表征信号局部特征能力的小波分析的方法确定光纤两端两个测试　信号的时延，进而即可确定泄漏点的位置。文中阐述了其测试原理和泄漏点定位方法，理论分析和仿真试验结果表明，该方　法可以有效提高管道泄漏测试的灵敏度和定位精度，非常适用于管道小泄漏点的检测。　关键词：管道泄漏检测与定位；分布式光纤；小波分析　中图分类号：ＴＰ２０６．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４－１６９９（２００８）０１－０１９２－ｏ３　管道泄漏的及时发现和定位具有重要的现实　漏进行实时在线监测。　意义。目前国内外管道在线泄漏检测系统多数是基　于瞬变流模型、压力点分析法、压力梯度法等建立　的［　，由于测试方法、测试原理和仪器本身等因素的　１泄漏检测原理分析　分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器，　能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布的　信息［２］。光波在光纤中传播时，其特征参量（如振　幅、相位、偏振态、波长等）在外界因素（如压力、振　制约，这些在线方法很难同时满足高泄漏灵敏度、精　度定位和低误报率等多项要求。　本文提出一种基于单光纤偏振型干涉仪原理的　分布式光纤管道泄漏检测技术，利用光纤作为传感　器拾取管道沿途泄漏信息，通过对检测信号的处理　和分析，可以有效地检测到管道泄漏情况，对管道泄　动、位移、温度等）的作用下会发生一定变化，当管道　发生泄漏时，泄漏的高温、高压介质会对敷设在管道　附近的光纤产生冲击，并使局部温度升高。利用这　基金项目：国家基金资助项目（６０１０２００２）；河北博士基金资助项目（１３２ＯＯ４５２２）　收稿日期－２００７—０６—０３　修改日期：２００７—０７—１９　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　张淑清，李二伟等：基于光纤传感及小波分析的管道泄漏检测与定位技术　１９３　些特点，基于高双折射单模光纤的二正交偏振模式，　线偏振光｛，　｝的输出光强，经电子线路处理后，可以　得到一个与偏振光总功率，。无关的信号，　：　ｒ　ｒ　在外界因素影响下相移不同的原理，用两条单膜光　纤构成光纤分布式传感器，拾取管道沿途的泄漏信　息，确定泄漏的发生并定位泄漏点的位置。测试原　理图如下图１所示。　ｔｔｔ泄漏Ａ　＝＝［二　图１测试系统原理图　当管道泄漏时，在温度、振动等作用下，光纤的　长度、纤芯的直径和折射率都将发生变化，因此光纤　中传播的光波产生相位延迟　３　］。　１）温度作用产生的相位延迟为：　忽略半径变化的影响，认为　不变，　血一　ｆ　）＋２ｎ７２ｆ—ＯＬ）：　ｒ　＋　ｄＴ　ａＴ　。　ａＴ　ＯＴ。　（　）］　（１）　２）振动作用产生的相位延迟为：　ｄ　—ｄ　＋ｄ　＋ｄ似一＿ｇｌｒＬｎ｛￡ｇ一等［（Ｐ１１－Ｉ－　Ｐ１２）ｅ　＋Ｐ　ｅ　］｝＋　。Ｌ［　（　一等（Ｐ　＋Ｐ　）］ｅ　＋　｛￡　一等［（Ｐ　＋Ｐ　）￡　＋Ｐ１２￣１］｝　（２）　（１）～（２）式中：光纤长Ｌ，纤芯折射率”，纤芯直径　ｎ，介质中的光波长　，光纤弹光系数Ｐ　Ｐ　轴向、　径向应变￡，，￡　，波导波长　，是。一竽，Ｂ一　。　由Ｈｅ—Ｎｅ激光器发出的光束经起偏器和Ａ／４　波片后变为圆偏振光，对高双折射单模光纤的两个　正交偏振态均匀激励。由于在外界因素作用下，它们　的相移不同，输出光的合成偏振态可以在左旋圆偏　振光一４５。线偏振光一右旋圆偏振光一１３５。线偏　振光之间输出，如果输出端只检测４５。或１３５。线偏　振分量，则光强变为　，１一・１ｏ［１－Ｆ　ｃｏｓ￣（ｔ）］　ｒ　（３）　，２一等［１一ｃｏｓ　（ｒ）］　式中　（ｆ）——外界温度引起两正交偏振态之间的　相移角，，。为光纤初始入射光强，，　、，　分别为检测　４５。、３５。线偏振分量时的光强。　为抵消光源光强和环境变化的影响，用　Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ棱镜同时检测４５。线偏振光（，１）和１３５。　，　一　＿孚一ｃｏｓ』１十』２　￣（。　ｔ）　（４）　由于测试光纤受到外界因素的影响，因而在传　感光纤中传播的光波产生相位变化，ｃｏｓ￣（ｔ）为一变　量。通过实时监测输出光信号的变化，就可以检测出　光纤传感器沿途管道泄漏信息，实现管道泄漏的实　时检测。　２泄漏定位原理　设光纤总长度为２Ｒ，其中光纤一半被屏蔽；泄　漏点距离光纤首端的距离为Ｌ，激光器发出的光波　经１：１分束后分别进入光纤，用两个光电检测器检　测光纤两端出射的光波信号，即可确定两个测试信　号的时间差，进而定位泄漏点。定位原理图如图２　所示。　同一光源——　的婀束光波　。　｝．．————一Ｒ——一ｌ　图２定位系统原理图　光波沿光纤传播一周延所用时间ｒ为：　２ｎＲ　（５）　ｒ一‘　　Ｃ　～　在距离光纤端点Ｌ处发生泄漏，光纤内两束相　向传播的光波从泄漏点传播到端点所产生的延时时　间差　为：　Ｌｄ　一　（６）…　　由式（６）可以导出　Ｌ一　ｎ　（７）＼Ｉ，　（５）一（６）式中：Ｃ为光在真空中的传播速度（３×１Ｏ。　ｍ／ｓ），”为光纤的折射率。　从式（７）可以看出，当系统确定时，仅有　与泄　漏距离Ｌ有关，因此可以通过确定　获得泄漏事件　的具体位置。　３仿真试验分析　在管道泄漏检测仿真实验中，作为传感器的光　纤全长为２　０００　ｍ，折射率为１．４５８，光波在光纤中　的传播速度为２．０５７　６×１０。ｍ／ｓ，光纤与管道平行　敷设，间距为５００　ｍｍ。测试系统的采样频率为８×　１Ｏ　，管道首端与测试光纤首端对齐。管道全长３００　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ９４　传感技术学报　２００８正　ｍ，泄漏点距离管道首端２００　ｍ，该点对应的测试光　纤首端的位置为２００ｍ。图３所示是管内压力为　从仿真结果可以看出，分布式光纤管道泄漏检　测技术可以获得较高的泄漏定位精度。由于泄漏定　位绝对误差与采样频率有关，因此泄漏定位的绝对　误差不随检测距离的增加而增加。　甚　０．７　ＭＰａ、泄漏点孔径为５　ｍｍ所检测到的泄漏信　号。在泄漏定位仿真中，利用小波变换的多分辨率　特性和时频局部化的特点，可有效的提取出信号的　突变信息［５］。测得的原始信号波形如图３所示，图　５是六层小波分解采用Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ２级小波，ｄ４、　ｄ５、ｄ６分别为分解后高频段信号的重构信号。信号　经六层小波分解后，在频段ｄ４、ｄ５、ｄ６上可明显看到　信号的突变信息。两端突变点分别出现在８．０６９　４　×ｌ０　和８．００７　９×１０　处，时间差　：　一堡　６　上掣　Ｕ　一７．６８８×ｌ　ｓ（８）　根据式（７）可以获得泄漏点到首端的距离为２０９．１　ｍ，绝对误差为９．１　ｍ，相对误差为０．４５５　。　＞　＼　０　ｊ！！垦　．５　时问／ｓ　图３管道泄漏检测信号　ｌ　二　二二　两路原始信　８０６　８　０６５　８　０７　［＝＝＝　８　０７５　８　０８　图４测得的两路原始信号波形　图５　两端测试信号小波分解图　４结论　本文将光纤传感和小波变换方法应用到管道泄　漏检测中，提高了测量精度。对泄漏孔径较小的管　道泄漏情况，也有很好的检测效果。仿真试验结果　表明此方法可实现输油管道泄漏点的及时发现和精　确定位，误报率低。　该项技术可以对气体、液体输送管道的泄漏进　行实时监测，并且可以在恶劣的环境中正常工作，对　人为破坏或自然灾害等可能造成的管道泄漏故障进　行报警。缺点是不能判断泄漏故障类型；在泄漏定　位时光纤一半部分需做屏蔽处理，增加了成本。　参考文献：　Ｅ１３　Ｚｈｏｕ　Ｙａｎ，Ｊｉｎ　Ｓｈｉ　ｊｉｕ，Ｚｈａｎｇ　Ｙｕｎ　ｃｈａｏ，Ｓｕｎ　Ｉ　ｉ　ｙｉｎｇ．Ｄｉｓｔｒｉｂ—　ｕｔｅｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｌｅａｋａｇｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｅ　Ｊ］．ＡＣＴＡ　ＰＥＴＥＲＯＩ　ＥＩ　ＳＩＮＩＣＡ．　２００６，２（２７）：１２１—１２４．　Ｅ２］Ｋｕｒｍｅｒ　Ｊ　Ｐ，Ｋｉｎｇｓｌｅｙ　Ｓ　Ａ。Ｌａｕｄｏ　Ｊ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｌｅａｋ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ＥＪ］．ＳＨＥ　１９９１，　１５８６：１１７—１２７．　Ｅ３１　Ｔａｎ　Ｊｉｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｗｅｉｍｉｎ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌｏｃａｔｉｎｇ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｌｅａｋａｇｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＡＣＴＡ　ＰＨ０Ｔ０ＮＩＣ　ｓＩＮＩＣ八２００６，２（３５）：２２８－２３１．　Ｅ４１　Ｈｕ　Ｚｈｉ　ｘｉｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｇｕｉ　ｌｉａｎ，Ｈｅ　ｊｕ，Ｚｈａｎｇ　Ｌｉｎｇ，Ｚｈｏｕ　Ｊｉｎ　ｘｉｏｎｇ．Ｌｅａｋ　ｅＤｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｇａｓ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｉ—　ｂｅｔ－Ｏｐｔｉｃ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｋｇｙ．２００３，１０（２２）：４８—５３．　［５１胡昌华等．基于ＭＡＴＩ　ＡＢ的系统分析与设计——小波分析　ＥＭ］．１９９９．　张淑清（１９６＆），女，教授，博士学位。研究　课题１０余项，获省部级科技进步奖５项。　发表论文３０余篇。主要研究方向为信号　检测理论和方法、故障诊断及数据处理、　智能仪器等，Ｚｈｓｈｑ—ｙｄ＠１６３．ｃｏｍ