曹文琛，張 濤，鄭宇恒，沈 忱，孫 嘯，馮蘭婷，高建章，楊 新，劉 晨

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 西南管道有限責(zé)任公司，成都 610000)

0 引 言

由于管道運(yùn)輸?shù)谋憷院桶踩?，其已成為原油、成品油和天然氣的重要運(yùn)輸方式[1-3]。但又由于其遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，必然會(huì)經(jīng)過(guò)各種復(fù)雜的地形，這也就決定了其在運(yùn)行期間可能會(huì)遇到各種問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品泄露，隨即帶來(lái)各種安全隱患[4-5]。

油氣管道同溝鋪設(shè)的通信光纜一方面具有實(shí)時(shí)通信的作用，另一方面，基于光的瑞利散射原理，采集分析光纜周?chē)恼駝?dòng)信號(hào)，可以達(dá)到對(duì)長(zhǎng)輸管線光纜進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)和提前安全預(yù)警的目的[6-8]。為了降低安全事故的發(fā)生概率和發(fā)生安全事故后的各種損失，基于光纖探測(cè)的預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，埋置管道的同時(shí)在其旁鋪設(shè)光纖，之后搭建預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9-11]。

在搭建預(yù)警系統(tǒng)的過(guò)程中，非常重要的一點(diǎn)是光纜與管道里程的定標(biāo)，即確定光纜的位置和光纜長(zhǎng)度相對(duì)于管道長(zhǎng)度的詳細(xì)信息。具體方法是，讀取光纜接收的激發(fā)源信號(hào)最大振幅值處對(duì)應(yīng)的光纜長(zhǎng)度，認(rèn)為是激發(fā)點(diǎn)正下方對(duì)應(yīng)的光纜長(zhǎng)度，此外還要對(duì)管道經(jīng)過(guò)路段各處的信號(hào)進(jìn)行分析總結(jié)，針對(duì)性地識(shí)別不同地形區(qū)域下的光纜信號(hào)，有效感知外部威脅信號(hào)，提前進(jìn)行預(yù)警[12-14]。

1 信號(hào)獲取

1.1 前期準(zhǔn)備

對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行分析總結(jié)，綜合考慮得出現(xiàn)場(chǎng)施工所需的各種硬件和軟件，并做好充分準(zhǔn)備。所需考慮的內(nèi)容主要包括管道和光纜的各項(xiàng)基本資料以及管道鋪設(shè)經(jīng)過(guò)的各種地形。

1.2 采集原理

本次實(shí)驗(yàn)所使用的采集裝置是最新的分布式光纖聲波傳感器(ultra-sensitive Distributed Acoustic Sensing，uDAS)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由傳感光纖、通信光纜、uDAS采集系統(tǒng)和監(jiān)控中心組成。基于瑞利散射原理：光在傳播過(guò)程中與光纖介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞引起的彈性散射，通常是用來(lái)監(jiān)測(cè)光纖損耗的[15-17]。當(dāng)使用激發(fā)源在管道周?chē)M(jìn)行振動(dòng)激發(fā)時(shí)，基于相干瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)向光纖內(nèi)發(fā)射光脈沖信號(hào)并接收其產(chǎn)生的后向瑞利散射光，由于系統(tǒng)使用的是高相干光源，與相干長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生的后向瑞利散射光相互干涉[18-20]，激發(fā)源所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)土壤傳遞給傳感光纖，使光纖產(chǎn)生微小的形變，由于彈光效應(yīng)使該處光纖的折射率發(fā)生變化，從而使光纖內(nèi)部激光產(chǎn)生相位的變化，這種變化被散射光攜帶返回采集系統(tǒng)，通過(guò)采集系統(tǒng)的分析處理將最終的結(jié)果反饋到監(jiān)控中心，從而獲得需要的振動(dòng)信號(hào)特征和位置信息。采集原理示意圖如圖1所示。

圖1 采集原理示意圖

1.3 光纜對(duì)振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別

軟件開(kāi)始運(yùn)行后，系統(tǒng)首先接收到uDAS采集系統(tǒng)采集到的整條光纜上的振動(dòng)信號(hào)，而后，將小波變換與數(shù)據(jù)去噪結(jié)合形成小波去噪方法對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行針對(duì)性去噪處理，盡可能地將無(wú)效噪聲信號(hào)和環(huán)境干擾壓制與去除，最后，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條光纜接收信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。小波去噪方法的流程圖如圖2所示，該方法不僅能去除無(wú)效噪聲，還能成功地保留有效信號(hào)特征，具有信號(hào)特征提取的能力，在這一點(diǎn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)濾波器。

圖2 小波去噪流程圖

小波變換用小波函數(shù)平移和尺度伸縮的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)分析信號(hào)的重構(gòu)。

對(duì)于任意函數(shù)f(t)，其小波變換可定義為

式中：φ(t)為小波母函數(shù)；a為小波母函數(shù)的伸縮因子；b為小波母函數(shù)的平移因子；φ(a,b)(t)為小波序列。

一維時(shí)域空間信號(hào)通過(guò)小波變換轉(zhuǎn)換到二維空間——時(shí)間—尺度空間中，由于小波變換后的信號(hào)存在可變的伸縮因子參數(shù)，所以小波變換具有分辨率可變的特性。

通過(guò)伸縮因子a和平移因子b的改變，可以由小波母函數(shù)φ(t)生成一個(gè)小波序列φ(a,b)(t)實(shí)現(xiàn)對(duì)任意信號(hào)的分解和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的時(shí)頻分析。小波變換具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 具有多分辨率的特性，通過(guò)改變伸縮因子a，能從多個(gè)方面分析信號(hào)；

(2) 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的降噪處理，小波變換相當(dāng)于帶通濾波器，在不同a的條件下，實(shí)現(xiàn)不同頻帶的帶通濾波，a越大，其通帶的相對(duì)頻率越低；

(3) 可以表示時(shí)和頻域信號(hào)的局部特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)待變換信號(hào)突變點(diǎn)的探測(cè)。

2 不同信號(hào)對(duì)比分析研究

2.1 激發(fā)源的對(duì)比

在光纜的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)比了不同激發(fā)源的振動(dòng)信號(hào)特征。圖3所示為平原區(qū)同一位置重錘與高頻微型震源激發(fā)信號(hào)的對(duì)比，分析其信號(hào)特征可知：重錘激發(fā)信號(hào)特征明顯，成“一”字型，主頻為50 Hz，頻帶寬度10～90 Hz，激發(fā)能量是高頻微型震源激發(fā)信號(hào)的37倍；高頻微型震源信號(hào)特征與背景噪音類(lèi)似，不易識(shí)別，主頻為70 Hz，頻帶寬度60～80 Hz。

圖3 光纜長(zhǎng)度781 m處，重錘和高頻微型震源激發(fā)信號(hào)與頻譜分析圖

2.2 農(nóng)耕前后農(nóng)田區(qū)敲擊信號(hào)

長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)墓艿罆?huì)經(jīng)過(guò)各種復(fù)雜地形，將信號(hào)大致區(qū)分為經(jīng)過(guò)農(nóng)田、河流和光纜架空等區(qū)域。震源激發(fā)時(shí)，影響信號(hào)接收的一個(gè)重要因素是激發(fā)位置的表層結(jié)構(gòu)差異，即在排除敲擊力度等人為因素外，激發(fā)位置的土質(zhì)耦合情況直接影響著信號(hào)的質(zhì)量。

圖4所示為在一塊玉米地和一塊剛翻耕后的莊稼地接收到的敲擊信號(hào)，玉米地里的秸稈仍未進(jìn)行處理，土地許久未進(jìn)行耕作，地層凝實(shí)，鋼板與地面耦合良好，所接收到的信號(hào)清晰干脆，幅值約0.085；剛翻耕后的莊稼地土質(zhì)松軟，嚴(yán)重影響鋼板與地面的耦合效果，故而光纜接收到的振動(dòng)信號(hào)衰減嚴(yán)重，幅值為0.01，不及圖4(a)信號(hào)的1/8，難以識(shí)別。

圖4 農(nóng)田敲擊信號(hào)圖

2.3 河流區(qū)域敲擊信號(hào)

無(wú)背景噪聲時(shí)，接收的信號(hào)振幅為單峰值，振幅最大處對(duì)應(yīng)激發(fā)點(diǎn)正下方的光纜長(zhǎng)度值。在河流旁的光纜本身會(huì)接收到河流流動(dòng)的周期性振動(dòng)信號(hào)，這會(huì)給激發(fā)信號(hào)的識(shí)別帶來(lái)一定困難，特別是遇到下大雨漲水的情況，敲擊信號(hào)基本無(wú)法識(shí)別。為了改善這一情況，一方面會(huì)選擇較好的天氣進(jìn)行該段的敲擊；另一方面，針對(duì)震源的頻帶寬度進(jìn)行濾波，獲得清晰的信號(hào)，不過(guò)水流的周期性信號(hào)仍無(wú)法完全去除。圖5所示為河流區(qū)域激發(fā)信號(hào)圖。

圖5 河流區(qū)域激發(fā)信號(hào)圖

2.4 地下水附近敲擊信號(hào)

在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，有一處很經(jīng)典的地下水模型區(qū)域。圖6和7分別為地下水附近和河流區(qū)域的敲擊信號(hào)圖，圖6中激發(fā)位置在河道周邊，河道水流噪聲在瀑布圖中是藍(lán)色框圈起來(lái)的部分，由圖可知，在重錘信號(hào)的附近存在一處持續(xù)且強(qiáng)烈的背景噪聲，經(jīng)過(guò)在周?chē)磸?fù)排查，發(fā)現(xiàn)激發(fā)位置附近存在一處低勢(shì)斷面，有水流出，懷疑該噪聲是地下水在管道和光纜上流動(dòng)的結(jié)果，如圖7(a)所示。

圖6 地下水附近敲擊信號(hào)圖

圖7 地下水區(qū)域敲擊信號(hào)圖

對(duì)圖6紅框中的地下水噪聲頻譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)為低頻信號(hào)，但全頻帶存在。將接收信號(hào)頻率段設(shè)置為20～40 Hz，能有效濾掉低頻背景噪聲和部分河流噪聲信號(hào)，相對(duì)增強(qiáng)激發(fā)信號(hào)，但地下水噪聲無(wú)法完全濾掉，如圖8所示，當(dāng)該處噪聲覆蓋到有效信號(hào)時(shí)，先通過(guò)濾波的方法進(jìn)行處理，若難以去除，則在附近激發(fā)，避開(kāi)強(qiáng)噪聲的影響。

圖8 河流區(qū)域敲擊信號(hào)圖

2.5 光纜架空區(qū)域敲擊信號(hào)

光纜架空時(shí)，背景信號(hào)多為光纜受風(fēng)力影響晃動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，幅值在0.2～0.5之間。當(dāng)在離水泥柱較遠(yuǎn)的架空光纜下方進(jìn)行敲擊時(shí)，不會(huì)收到任何敲擊信號(hào)；當(dāng)在水泥柱上敲擊時(shí)，發(fā)現(xiàn)整段懸空光纜都會(huì)震動(dòng)，從而產(chǎn)生一大片的不規(guī)律噪聲信號(hào)，難以識(shí)別屬于重錘敲擊特征的信號(hào)；當(dāng)在光纜入地點(diǎn)或出地點(diǎn)敲擊時(shí)，發(fā)現(xiàn)懸空的一段仍是大片噪聲信號(hào)，但未懸空段能識(shí)別明顯的敲擊信號(hào)。圖9所示為架空區(qū)信號(hào)特征圖。

圖9 架空區(qū)信號(hào)特征圖

將不同區(qū)域和特征的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如表1所示的不同區(qū)域信號(hào)特征。

表1 不同區(qū)域信號(hào)特征

3 結(jié)束語(yǔ)

各激發(fā)源對(duì)比，重錘信號(hào)特征比高頻微型震源信號(hào)易識(shí)別，且振幅更強(qiáng)；不同區(qū)域地形下的背景噪聲中，架空區(qū)與地下水噪聲較為復(fù)雜，難以去除；表層地質(zhì)松軟會(huì)影響激發(fā)信號(hào)的向下傳播，應(yīng)選擇土質(zhì)凝實(shí)處激發(fā)。

平原地區(qū)激發(fā)后的信號(hào)清晰干脆，振幅值處在0.30～0.50之間；農(nóng)田區(qū)采集的信號(hào)與表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，振幅值處在0.02～0.20之間；河流區(qū)激發(fā)的信號(hào)周?chē)嬖谝欢ǖ乃鞅尘案蓴_，振幅值處在0.50～2.00之間；架空區(qū)域背景噪聲受大風(fēng)影響劇烈，振幅值處在0.20～0.50之間。

通過(guò)采集和處理不同的光纜接收信號(hào)，一方面可以檢測(cè)光纜的工作狀態(tài)，另一方面能夠儲(chǔ)備管道光纜線路上各個(gè)位置的常態(tài)數(shù)據(jù)，為以后搭建預(yù)警系統(tǒng)提供可靠的參考數(shù)據(jù)，分不同區(qū)域設(shè)定閾值用于光纜的安全預(yù)警。