基于Sagnac干涉儀制備的渦旋光監測油氣管道泄露問題

夏長權 趙星月 朱金榮

摘要：隨著社會經濟的快速發展，管道運輸業迅速發展。但是由于管道長時間的老化和腐蝕等自然原因，管道泄漏經常發生，造成了大量的經濟損失。本文的一個創新點是利用渦旋光來監測管道泄漏，首先介紹了Sagnac干涉儀的結構特點和基本原理，然后研究了怎么用Sagnac干涉儀去制備高質量的渦旋光，通過此方法制備好的渦旋光具有質量高和穩定的特點，可以用來測量和計算物體的離面位移。

Abstract： With the rapid development of social economy， the pipeline transportation industry develops rapidly. However， due to the aging and corrosion of the pipeline for a long time and other natural causes， pipeline leakage often occurs， resulting in a large number of economic losses. An innovative point of this article is to use vortex light to detect pipeline leakage. This article first introduced the structure characteristics and the basic principle of Sagnac interferometer， and then studied how to use the Sagnac interferometer for the preparation of high quality vortex light. The vortex light prepared by this method has the characteristics of high quality and stability， and can be used to measure and calculate the off-plane displacement of the object.

關鍵詞：油氣管道泄漏;Sagnac干涉儀;渦旋光

Key words： oil and gas pipeline leakage;Sagnac interferometer;vortex light

中圖分類號：TE973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0082-03

1 ?油氣管道運輸存在的問題

隨著國家經濟的發展與國民經濟的需要，油氣管道運輸也在迅速地發展中。管道運輸由于運輸距離長，且長期埋在地下等原因，很容易因為自然原因造成管道的腐蝕和破壞，導致油氣發生泄漏，油氣泄漏不僅僅會造成大量的經濟損失，而且還會對周邊的環境造成污染，影響人們身心健康。

2 ?Sagnac干涉儀原理及結構分析

2.1 Sagnac干涉儀的結構特點

光纖傳感器由于體積小，質量輕，動態范圍寬，響應速

度快，絕緣和耐腐蝕等優點，廣泛應用于很多領域。光纖傳感器一般有兩種類型，分為馬赫曾德干涉儀傳感器和薩格奈克干涉儀傳感器，其中馬赫曾德光纖振動傳感器的結構中需要一個參考光纖，環境對其影響比較大，導致測量的不穩定，所以限制了它的使用，與傳統的馬赫曾德光纖振動傳感器相比較，Sagnac干涉儀不存在兩傳感臂長度不一致引起的噪音，且對光源的要求比較低，所以可使用高功率的寬帶光源，更適合長距離的檢測，受環境的影響也比較小。

2.2 Sagnac干涉儀的原理分析

下面結合圖1對本文章中的Sagnac干涉儀作進一步的描述：將同一光源發出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環路內沿相反方向循行一周后會和，然后在屏幕上產生干涉，當在環路平面內有旋轉角度時屏幕上的干涉條紋將會發生移動，產生干涉。其中分布式Sagnac干涉儀是根據不同振動點信號的靈敏度的差異來實現定位的。靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化對的一輸入量變化的比值。結合圖2，這里選擇的光纖是單模光纖，經過隔離器，阻止光路中各種原因產生的后向傳輸光，然后再經過2*2耦合器1分光。當管道被破壞時，壓力導致產生振動信號，振動信號同時作用于干涉臂A，B時，A為信號臂，B為參考臂，其中作用于A的一組光向左經2*2耦合器2，在耦合器2中產生干涉后到達探測器1，另一組作用于B參考臂中的光向右經耦合器3產生干涉后到達探測器2，然后經過鎖相檢測，開始信號處理，采用基于小波包分析的“頻帶-能量”特征提取信號的特征向量，建立信號的模式庫，然后將采集到的信號的特征特征向量進行比對，確定信號的類型[2]。

2.3 Sagnac干涉儀的定位計算

當振動信號作用于光纖時，就會引起光纖折射率變化，進而引起光波相位的變化。待檢測的振動信號主要為外界緩變壓力信號和聲場異常擾動信號，這兩種信號實質上都會對光纖產生壓力作用時，其折射率變化為：

5 ?總結

通過觀察渦旋光的干涉圖樣來確定管道是否發生泄漏，本文主要研究了用Sagnac制作的渦旋光來監測管道泄漏問題。首先介紹了油氣管道發生泄漏的問題和危害，接著研究了怎么來制備高質量的渦旋光，渦旋光具有測量離面位移的特點，如果管道遭到人為破壞或發生泄漏，鋪在地面下的光纖便會發生變形而產生離面位移，然后文章分析了變形時的渦旋光干涉圖樣，我們通過干涉圖樣的分析可以判斷管道油氣是否發生泄漏，以便做到及時處理。

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