基于光纖振動傳感器與FPGA的石油管道安防系統

張暉，呂宏偉，馮進良，才存良

（長春理工大學　光電工程學院，長春　130022）

基于光纖振動傳感器與FPGA的石油管道安防系統

張暉，呂宏偉，馮進良，才存良

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

針對石油管道鋪設于土壤中發生泄漏難以檢測的問題，結合光纖振動傳感器高靈敏度與FPGA高掃描速度的特點，設計了基于FPGA和光纖振動傳感器的石油管道安防系統。首先采用光纖傳感器檢測故障點振動，再通過計算由振動調制的信號傳到兩端基站的時間差確定管道泄漏點。系統采用雷達輻射信號分選算法在FPGA中實現信號的篩選，采用授時精度高達15ns的U-blox授時芯片保證不同基站的時間一致，采用“雙基站源-雙向定位”方式有效平均定位誤差。結果表明，系統可對5.5km范圍內管道的泄漏事件進行有效報警定位，定位誤差在30mm范圍內。

光纖振動傳感器；FPGA；雙基站源-雙向定位

管道輸運具有密閉安全，輸運量大，成本費用及輸運價格比較低的優點，且便于控制和管理等［1］。鑒于石油管線距離長并且蓄意的打孔盜油、建筑施工誤刨管線、管道老化等常常造成管道泄漏，這不僅給能源企業造成經濟上的損失，而且油氣泄漏會造成環境污染、引發火災或者爆炸。因此迫切需要設計管道安防系統，最大程度的減少泄漏事故的發生［2］。傳統的安防方案定位精度差，管道一旦發生泄漏無法查證，只能通過局部地區切斷油氣源來查找泄露點，而且大面積的挖掘管線費時費工，極有可能延誤最佳搶險時間和造成對管道的二次破壞，給后期的故障診斷和事故責任劃分來帶諸多不便。而基于光纖振動傳感器與FPGA的石油管道安防系統采用專業授時芯片，保證各個基站之間時間高度一致；采用高運算速度的現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作為處理器，可分辨3ns的時間差；采用1064nm波長的激光作為光源，極大地提高了系統的定位精度，對管道的搶修有著極為重要的指導意義。

1　系統原理

1.1振動檢測原理

結合石油管道特定環境、點多、面廣、距離長和能源少等特點，采用基于馬赫-澤德干涉儀結構的光纖振動傳感器，激光束通過分束器，射入信號光線與參考光纖，如圖1所示。

圖1　馬赫-澤德干涉結構示意圖

信號光纖跟隨石油管道同渠敷設，參考光纖敷設在石油管線上方約1m的位置。信號光線采用光彈材料制成，當信號光纖沿線有管道泄漏時，將導致光纖內部產生應變，此時從該處光纖內部傳輸光波受到相位調制。泄漏引起的振動改變了信號光和參考光的相對相位，產生了相位調制。信號光與參考光之間的相位差為：

由于振動體的移動、反射光強的變化以及光學系統調整狀況的變化等原因，都將引起探測器的入射光強的變化，這種變化的影響也混入被調解的信號中。為了消除這一影響，在兩束光之間預先引入光強變化的低頻相位調制，同時檢測引入的相位調制和振動相位調制的成分，然后取兩者之比，因而抵消和去除上述影響。若引入低頻相位調制?c和固定相位差，則入射到光檢測器件的光強表示為：

式中ES、ER分別表示信號光和參考光的振幅。

1.2定位原理

調制后的光波分別沿正向傳輸光路和逆向傳輸光路傳播，分別在光路首段和尾端檢測兩路光電流信號之間的時間差，利用互相關函數估計時延的方法即可對異常事件進行定位。由于事件發生位置與系統首尾兩端的距離不同，而光波在光纖中的傳播速度是相同的，因此布置于首尾兩端的探測器檢測到同一事件的時刻點不會相同。假定兩探測器檢測到該事件的時間分別為t1和t2，則對異常事件定位的原理如圖2所示。

圖2中，L為待檢測管道的總長度；Δt為故障發生點至系統一端的距離。定位公式為：

式中，υ為光波在光纖中的傳播速度，Δt為兩路干涉光強信號的時間差。由于基站A、B之間會因為授時芯片的精度產生15ns的誤差，因此大多數時刻L≠Z1+Z2，故障點的實際位置為：

圖2　故障點定位原理圖

1.3信號分選原理

為了實現對多個目標的準確跟蹤需要從復雜的電磁環境中分離出來自不同目標的脈沖信號，而雷達脈沖信號分選技術正是基于雷達脈沖到達方向DOA、脈沖寬度PW、脈沖載頻RF等脈沖信號的特點，加上脈沖重復間隔去交錯處理實現了不同目標信號的準確拆分和目標信號序列重構［3］。

本系統中記錄了三種外界干擾信號：敲擊、攀爬和切割。圖3至圖6詳細表示了敲擊、攀爬、切割以及泄漏四種常見信號的測試以及干涉信號及經過FPGA處理后的統計信號波形。圖7形象地表示出了系統將隨機混合的脈沖序列通過脈沖分選技術實現不同目標信號拆分和重構事件的整個過程。

圖3　切割行為干涉信號與頻率變化信號

圖4　敲擊行為干涉信號與頻率變化信號

圖5　攀爬行為干涉信號與頻率變化信號

圖6　泄露干涉信號與頻率變化信號

圖7　信號分選原理

2　系統結構和程序框圖

2.1系統方案

系統采用U-blox授時芯片統一授時；光纖振動傳感器將振動信號調制成光纖干涉信號輸出；FPGA作為中央處理器，通過控制AD采樣將模擬電壓信號轉換為數字信號，同時完成對數據的處理和信號的分選，依據U-blox芯片的授時統一打上時間戳，同時通過以太網網線傳輸給PC進行備案并且控制報警電路進行聲光報警。結構框圖如圖8所示。

圖8　系統結構框圖

2.2FPGA系統內部框圖

本方案中的FPGA采用XILINX公司的SPARTAN SPE3芯片，該芯片具有低成本、低功耗、高密度等諸多優點，能夠很好的滿足要求。FPGA的主要作用是：控制AD采樣，處理光纖振動傳感器回傳數據，信號分選，加注時間戳。其結構框圖如圖9所示。

圖9　FPGA內部結構框圖

3　系統誤差分析和數據處理

系統采用1064nm波長激光器，根據光速c得，每移動3mm耗時1ns。瑞士U-blox公司的授時芯片精度為15ns，即由于兩端基站時間不一致引起的定位誤差為15×3=45mm。

XILINX公司的SPARTAN SPE3型FPGA芯片的機器周期為3ns，即由處理器加注時間戳的時間差引起的定位誤差為3×3=9mm。

光纖振動傳感器響應速度對定位誤差沒有影響。

根據誤差合成公式：

當誤差傳遞系數ai=1時：

所以該系統的系統誤差為：

系統采用“雙基站源-雙向定位”方式，即每一段光纖的兩端都有數據采集檢測系統，這樣經過雙向定位之后系統的系統誤差為：

在常溫條件下，5.5km光纖長度，模擬四種故障，分別進行100次試驗，實驗結果如表1所示。

表1　實驗結果

4　結論

實驗結果表明：采用了1064nm波長的激光作為光源、光纖振動傳感器、FPGA、U-blox授時芯片、“雙基站源-雙向定位”方式的石油管道安防系統，能有效的區分攀爬、敲擊、切割、泄漏等故障信息，能夠有效地定位故障地點，為石油管道的安全保駕護航，為排解石油管道故障提供了可靠的信息。

［1］李兆南，龔斌，林木，等.壓力管道泄漏聲發射信號頻譜特性實驗研究［J］.聲學術.2007，3（26）：423-426.

［2］劉志華.長輸石油管線泄漏檢測關鍵技術研究［D］.南京：南京理工大學，2009.

［3］國強.復雜環境下未知雷達輻射源信號分選的理論研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

［4］夏映玲.被動式防空雷達信號分選技術研究［D］.南京：南京理工大學，2008.

［5］曲志剛.分布式光纖油氣長輸管道泄漏檢測及預警技術研究［D］.天津：天津大學，2008.

［6］張溪默.Mach-Zehnder型光纖油氣管道安全系統中的偏振控制［D］.天津：天津大學，2011.

［7］Martinelli M，Russell A C.Endless polarization control algorithm using adjustable liner retarders with fixedaxes［J］.JournalofLightwaveTechnology，2003，21（9）：2089-2096.

［8］潘岳.基于FPGA的光纖振動傳感器信號采集與處理系統［D］.杭州：杭州電子科技大學，2012.

Oil Pipeline Security System Based on Fiber-optic Vibration Sensor and FPGA

ZHANG Hui，LV Hongwei，FENG Jinliang，CAI Cunliang
（School of Optoelectronic Engineering，University of Science and Technology Changchun，Changchun 130022）

According to the fact that it’s hard to detect the oil spill if the pipeline is laid in the soil.Combined with the high sensitivity of fiber-optic vibration sensor and high scanning speed of FPGA，this paper designs the oil pipeline security system based on FPGA and fiber-optic vibration sensor.Firstly，fiber-optic sensor is adopted to detect spill point.Then the oil spill point is determined by calculating the time difference of the vibratory modulation signals between base station at both ends.The system adopts the algorithm of radar radiation signal sorting to filter signal in the FPGA，uses 15ns U-blox timing chips to ensure timing accuracy of different base stations and“source oftwin-station-bi-directional positioning” mode to average location error effectively.The results indicate that the system can effectively alert the position of pipeline spill in 5.5km，and the position error range is in 30mm.

fiber vibration sensors；FPGA；source of twin-station-bi-directional positioning

TN915

A

1672-9870（2016）03-0116-04

2016-03-18

張暉（1979-），男，碩士，講師，E-mail：9204160@qq.com