王鵬飛,董 齊,劉 昕,王 宇,王 東,靳寶全,2*

(1.太原理工大學(xué),新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012)

眾所周知,針對長距離的煤層氣輸送管道,由于其埋地深、穿越條件具有復(fù)雜性,以及有著較廣的分布范圍,致使人們對其外界入侵振動的監(jiān)測提出了較高的要求[1-2]。因此,針對埋地管道周圍的管道盜采行為、非法入侵等第三方入侵以及管道泄漏等事故的發(fā)生進行實時監(jiān)測而言有重大意義。對煤層氣輸送管道的傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要有管線巡視、次聲波法以及井口加臭法等[3]。近年來,數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)[4]逐步在油氣管道等方面加以應(yīng)用,通過結(jié)合壓力波分析、質(zhì)量體積平衡及壓力流量分析等檢測技術(shù)[5],來做到實時監(jiān)測管道運行狀態(tài)。以上方法雖然能夠?qū)β竦毓艿赖木植奎c實現(xiàn)有效監(jiān)測,但是這類監(jiān)測只能在事故發(fā)生甚至事故擴大后才能檢測到,尤其對于第三方的非法入侵與盜采行為發(fā)生時無法進行監(jiān)測,同時對沿線管道的運行狀態(tài)不能進行實時監(jiān)控,又針對某些所處地理環(huán)境復(fù)雜的輸送管道不能布置常規(guī)的傳感器?？梢?傳統(tǒng)的管道監(jiān)測技術(shù)存在著局限性。

于是,為實現(xiàn)煤層氣管道外界入侵振動的實時監(jiān)測,亟需一種新的檢測技術(shù)。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,以及光纖具有的傳輸距離長、抗電磁干擾能力強、隱蔽性好等優(yōu)勢,已經(jīng)成為一種重要的傳感技術(shù)。目前,光纖傳感技術(shù)已經(jīng)逐步用于油氣管道的實時安全監(jiān)測,例如:Mach-Zehnder光纖干涉儀[6-8],Sagnac干涉儀[9],光時域反射計[10]等。而分布式光纖振動傳感器,能夠在分布式測量的同時能夠?qū)ζ溥\行狀態(tài)以及第三方非法入侵與盜采等各種危險源做到在線監(jiān)控,同時能夠做到定位。

本文針對煤層氣管線的外界入侵振動實時在線檢測問題提出了基于相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)的分布式振動檢測系統(tǒng)[11]。為實現(xiàn) Φ-OTDR 系統(tǒng)振動數(shù)據(jù)的實時高速采集功能,融合了基于高性能FPGA的采集卡與USB2.0技術(shù),構(gòu)成了本系統(tǒng)的采集模塊,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效傳輸。相對于傳統(tǒng)利用振動信號的一維信息作為判據(jù)來檢測振動源,本文創(chuàng)新性的分析了振動信號的時間-空間二維信息,并以此特征作為振動判別的依據(jù),較為全面的得到振動特征。同時,根據(jù)振動產(chǎn)生的結(jié)果,為提高定位精確度,我們對利用差分處理后的振動信號中波前、波峰與末端位置定位性能進行了分析。為實現(xiàn)覆蓋振動源特征頻率,同時測定了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍。最后,開展了系統(tǒng)誤差分析。

1 管道振動檢測原理

本文將針對煤層氣輸送管道外界入侵檢測與定位,安全實時監(jiān)控問題,提出了基于相位敏感光時域反射(Φ-OTDR)原理的分布式光纖振動系統(tǒng)。由于光纖具有非勻質(zhì)性,這將導(dǎo)致的光波在光纖中傳播時會產(chǎn)生的瑞利散射效應(yīng)[12]。而Φ-OTDR系統(tǒng)主要是通過對瑞利后向散射信號進行解調(diào)來實現(xiàn)分布式測量與定位。

當(dāng)光纖周界有振動事件發(fā)生時,振動源所產(chǎn)生的信號通過機械波傳播,引起光纖的振動。光纖受振動影響主要表現(xiàn)在光纖沿軸向長度的變化、光纖纖芯直徑的變化、光纖折射率的變化三個方面,這三種變化所引起的效應(yīng)分別稱之為應(yīng)變效應(yīng)、泊松效應(yīng)以及彈光效應(yīng),從而會造成所傳輸光信號的相位變化。通過對光相位的變化進行探測、采集和算法的提取解調(diào)便能夠?qū)崿F(xiàn)對振動事件的實時定位和監(jiān)測。

假定外界作用于光纖的壓力為P,當(dāng)其作用于傳感光纖時,光纖中傳播的光相位的改變量ΔΦ與外界壓力的關(guān)系如下。

(1)

(2)

式中:k0為一系數(shù)常量,n為光纖的折射率,E為彈性模量,P11,P12是光纖的彈光系數(shù),L為傳感光纖的長度。式(1)、式(2)所示光纖在縱向和橫向受壓時的對應(yīng)關(guān)系。顯然,在光纖材質(zhì)確定的前提下,外界壓力P作用與光相位的改變量ΔΦ成正比例的光系。

當(dāng)振動源所產(chǎn)生的振動信號施加到光纖上時,會引起散射點相位變化,從而導(dǎo)致干涉光強I的變化。振動信號具有隨機性和快速性,在外界振動發(fā)生的情況下,干涉后的后向瑞利散射光強也會發(fā)生明顯、快速的變化。通常,光的干涉的功率在納瓦級別,而且探測到的后向瑞利散射信號是隨著傳感距離呈現(xiàn)衰減的趨勢的,且為鋸齒狀,振動信號淹沒在散射曲線里。如圖1所示。

圖1 振動檢測原理

因此,為了有效的提取出振動信號,將每次探測到的振動曲線做差分運算,便能夠?qū)⒚織l曲線共模部分減掉,而隨著振動信號隨機、快速變化對應(yīng)振動位置處的差模部分便會被提取出來。

振動檢測不僅要具有對信號探測和感知的能力,同時對振動點定位功能的實現(xiàn)必也是不可少的。與傳統(tǒng)的OTDR原理相類似,Φ-OTDR的定位與傳統(tǒng)OTDR均是采用飛行原理進行事件定位。如式(3)所示。

(3)

式中:c為光在真空中傳播的速度,c/n為光在光纖中的傳播速度,t為光傳播到振動點一個往返所用的時間。

2 Φ-OTDR測振系統(tǒng)

Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。聲光調(diào)制器(AOM)將窄線寬的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光并經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)進行放大,之后脈沖光通過環(huán)形器進入傳感光纖,同時構(gòu)造管道模型以模擬煤層氣管線,傳感光纖中的后向瑞利散射曲線經(jīng)環(huán)形器被光電探測器(PD)所接收,并由高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號并上傳至上位機。

圖2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)光纖沿線的分布式實時在線測量,數(shù)據(jù)的高速采集與傳輸十分重要。本文將采用FPGA+USB2.0數(shù)據(jù)采集模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集。其中,高性能的FPGA作為采集模塊的處理單元,FPGA具有并行處理快,配置靈活,在線編程等優(yōu)點[13-14],廣泛用于數(shù)據(jù)采集與處理。因此本系統(tǒng)將FPGA作為數(shù)據(jù)采集模塊的主控芯片應(yīng)用于Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)中,用以控制AD轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集,同時將采集到的后向散射曲線緩存至FPGA內(nèi)部的先入先出(FIFO)緩存區(qū),并配合傳輸速度高達60 Mbyte/s的USB2.0技術(shù),以實現(xiàn)在光纖傳感沿線分布式的實時預(yù)警監(jiān)測,實現(xiàn)智能化,減少人工因素對振動點的選取造成的檢測失敗的問題。

本文所使用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將FPGA作為主控設(shè)備,對USB主控芯片進行讀寫控制。本系統(tǒng)FPGA主控芯片采用Altera公司所生產(chǎn)的Cyclone III系列,并使用Quartus II開發(fā)環(huán)境進行開發(fā),同時USB2.0[15]的外設(shè)控制器采用Cypress公司所生產(chǎn)的CY7C68013芯片,并設(shè)置其為Slave FIFO模式。本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

FPGA與USB2.0外設(shè)控制器的通信是通過異步讀寫來完成的。經(jīng)采集得到的振動信號存儲到FPGA中的FIFO中,根據(jù)Slave FIFO的控制時序信號,將FPGA的FIFO中的振動信號再傳輸?shù)経SB控制芯片。FPGA與芯片CY7C68013的Slave FIFO接口電路如圖4所示。

圖4 FPGA與Slave FIFO接口電路

通過將CY7C68013設(shè)置為Slave FIFO模式后,FPGA對CY7C68013芯片的傳輸控制變?yōu)閷IFO的簡單讀寫,當(dāng)Slave FIFO寫滿后USB控制芯片內(nèi)部的FX2內(nèi)核將數(shù)據(jù)包自動上傳至上位機。圖中,FD[15:0]為16為雙向數(shù)據(jù)總線;SLOE用于使能數(shù)據(jù)總線FD的輸入輸出;SLRD/SLWR分別為Slave FIFO的讀/寫控制;FLAGA/FLAGB為Slave FIFO空/滿標(biāo)志位;FIFOADDR[1:0]用于選擇數(shù)據(jù)總線FD的端點緩存區(qū),其中00為端點2(EP2),01為端點4(EP4),10為端點6(EP6),11為端點8(EP8)。

FPGA與USB2.0的通信過程即為將FPGA作為主控芯片對CY7C68013A的EP2、EP4、EP6、EP8四個端點的FIFO進行讀寫操作,其讀寫的時序圖如圖5、圖6所示。

圖5 FIFO讀時序

在讀過程中,如讀時序圖5所示,外部系統(tǒng)控制FIFOADDR0和FIFOADDR1地址線的電平進行端口選擇,SLOE信號拉低后,選擇的端口會把FIFO的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線。外部系統(tǒng)拉低SLRD開始讀取數(shù)據(jù)。

在寫過程中,如寫時序圖6所示,外部系統(tǒng)控制FIFOADDR0和FIFOADDR1地址線的電平進行端口選擇,再輸出要寫的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線,拉高SLWR信號,在SLWR的上升沿期間把數(shù)據(jù)存入FIFO中。

圖6 FIFO寫時序

3 系統(tǒng)功能驗證

對于本文所使用的系統(tǒng),將信號調(diào)制為頻率為8 kHz、脈寬為200 ns的周期性脈沖光,之后經(jīng)過環(huán)形器傳輸?shù)綄嶋H長度為5.1 km的傳感光纖中。于是,采集到的后向瑞利散射曲線如圖7所示。

圖7 后向散射曲線

圖7所示的后向瑞利散射曲線,其中共顯示了4個脈沖周期所對應(yīng)的后向散射信號。呈現(xiàn)衰減趨勢的部分是實驗中傳感光纖的實際總長度。圖中T2=-1.25×10-4s,T1=-2.5×10-4s,于是得脈沖周期ΔT=T2-T1=125 μs,與重復(fù)頻率8 kHz相對應(yīng),即每一個脈沖光產(chǎn)生一個對應(yīng)的后向散射曲線。Ф-OTDR 系統(tǒng)正是基于后向瑞利散射曲線而進行振動測量。

將傳感光纖布設(shè)在管道上來模擬實際煤層氣管線外界入侵檢測系統(tǒng),此時敲擊管道上的傳感光纖,可以得到由后向散射曲線所組成的瀑布圖,如圖8所示。

該圖表征了傳感部分的二維信息,即時間-空間信息,橫坐標(biāo)表示空間信息,縱坐標(biāo)表示時間信息,圖中顏色的深淺表示幅值信息。可見,圖中所示方框中刻痕部分為振動信號,其放大的局部三維瑞利散射曲面如圖9所示,可見在整體波動的散射曲面中有一處明顯變化,此處即為振動點。

圖8 振動瀑布圖

圖9 振動信號時-空定位

可見振動信號包含在波動的瑞利散射曲線之中,為使振動信號更加明顯,本文采用差分算法對原始的后向散射曲線進行處理,其結(jié)果如圖10所示?？梢钥吹?經(jīng)過算法的處理,瑞利散射的波動部分及噪聲基本消除,而振動所引起的脈沖相對更加明顯。由圖11所示,使用振動脈沖的所在位置作為振動的發(fā)生點。通過振動點可以判斷光纖附近的危險源以及做到實時定位。

圖10 差分處理振動定位

圖11 定位結(jié)果

4 定位結(jié)果分析

通過理論分析與實驗可知,Φ-OTDR系統(tǒng)可以對振動信號做到分布式測量,且靈敏度高,定位效果好。接下來將針對定位結(jié)果著重討論振動脈沖的定位位置的選擇(波前、波峰或末端)、系統(tǒng)響應(yīng)頻率范圍以及定位誤差分析。

4.1 脈沖位置選擇

由定位結(jié)果可知,Φ-OTDR通常是通過對脈沖所在位置進行定位。但一個振動脈沖包含波前、尖峰與末端三部分,其跨度在空間上約為10 m～30 m左右?？梢?選取合理的脈沖位置能改善定位精度。相比于傳統(tǒng)OTDR儀器,其通過菲涅爾反射原理,同時利用反射脈沖的波前來實現(xiàn)定位。因此,有必要對Φ-OTDR的后向散射曲線的振動脈沖定位進行進一步討論,來確定具體是依據(jù)脈沖的波前、尖峰與末端的位置來實現(xiàn)定位。

本實驗利用上述Φ-OTDR系統(tǒng)進行測試,在光纖的1 120 m處施加振動信號。通過10次實驗,分別測量振動脈沖的波前、波峰與末端所對應(yīng)的實際距離,以及計算與標(biāo)定的振動點1 120 m處的歐式距離。其結(jié)果如圖12所示,其中黑色曲線即為標(biāo)定的振動施加點,為固定的1 120 m,紅色曲線為脈沖波前的測量值,藍色曲線為脈沖波峰的測量值,紫色曲線為脈沖末端的測量值。從圖中顯然可以看出,波峰處的測量值與標(biāo)定點處最接近,即利用波峰作為定位點的定位結(jié)果最精確。

圖12 不同脈沖位置的定位對比

本實驗中振動脈沖的波前、波峰與末端與標(biāo)定點的歐氏距離如表1所示。由表可以看出,使用波峰進行定位可以得到最理想的定位效果。

表1 與標(biāo)定點歐式距離

綜上所述,為實現(xiàn)精確定位,將選取振動脈沖的波峰作為系統(tǒng)的振動測量點。

4.2 頻率響應(yīng)范圍

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍同時對定位精度與靈敏性產(chǎn)生影響,意味著在實際使用中,要求系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍能夠達到應(yīng)用要求。為測定本Ф-OTDR系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍,將在傳感光纖的3 950 m處使用壓電陶瓷施加方波信號,頻率從1 Hz起逐步向上遞增。由于本系統(tǒng)采用的脈沖重復(fù)頻率為8 kHz,所以理論響應(yīng)頻率為4 kHz。經(jīng)實驗驗證可知,當(dāng)系統(tǒng)頻率超過3 kHz時,定位精度將受到較大影響,即本系統(tǒng)的最佳頻率響應(yīng)范圍約在1 Hz到3 kHz之間。頻率響應(yīng)范圍內(nèi)的定位誤差如圖13所示。為觀察方便,圖中將頻率值取對數(shù)(以10為底)處理。顯然,在該響應(yīng)范圍內(nèi),系統(tǒng)有著很好的定位精度,同時具備很高的靈敏度。同時該頻率范圍完全可以滿足煤層氣輸送管道大部分的常見危險源,做到靈敏、精確定位。

圖13 頻率響應(yīng)范圍

4.3 誤差分析

針對實驗系統(tǒng)的定位誤差,接下來將測定本實驗系統(tǒng)的定位誤差進行測定。本實驗將在傳感距離為10 km的傳感光纖上進行測試,分別在在光纖的4 km處與9 km處施加振動。同時為了驗證本系統(tǒng)能對多種形式的振動做到準(zhǔn)確定位,將在振動處隨機采用人手拍振動、振動臺振動、壓電陶瓷驅(qū)動起振等四種方式施加振動。系統(tǒng)的在4 km處和9 km處的定位誤差如圖14所示。

圖14 定位誤差

根據(jù)實驗結(jié)果可得,系統(tǒng)在10 km的傳感光纖上,在4 km和9 km處的定位誤差集中在20 m的范圍內(nèi),定位效果良好。

5 現(xiàn)場試驗

本文所述的Ф-OTDR振動檢測系統(tǒng)在山西省沁水縣10 km長煤層氣輸氣管線上進行了現(xiàn)場實驗。工程光纜鋪設(shè)在煤層氣管道上方并用軋帶進行固定,隨后使用多層細土對光纜掩埋保護,如圖15(a)所示。在圖15(b)中,工程人員在煤層氣管道掩埋上方進行人工挖掘來模擬盜采等第三方入侵行為。在圖15(c)的上位機監(jiān)控界面中可以看到,光纖2.4 km處能看到明顯的振動信號,實現(xiàn)了對外界入侵事件的精確定位與報警,從而驗證了本系統(tǒng)在煤層氣輸送管線第三方入侵實時監(jiān)測中的可行性。

圖15 現(xiàn)場試驗

6 結(jié)論

本文針對煤層氣管線的外界入侵振動檢測與定位問題,提出了一種基于Ф-OTDR原理的分布式光纖振動系統(tǒng),從原理與實驗兩個角度詳細闡述了系統(tǒng)的可行性。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集與傳輸,本系統(tǒng)采用了FPGA+USB2.0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),同時利用振動信號的時間-空間二維信息全面概述振動特征。為實現(xiàn)精確定位,提出了利用振動脈沖的波峰作為定位點,測定了系統(tǒng)的響應(yīng)頻率為1 Hz～3 kHz,覆蓋煤層氣輸送管道入侵振源頻率范圍。最后,對系統(tǒng)開展了定位誤差分析,通過實驗可以驗證,系統(tǒng)誤差小于20 m,具有良好的定位效果。