基于分布式光纖傳感的振源距離估測方法

楊玥 董雷 明昌朋

（武漢理工光科股份有限公司 湖北省武漢市 430223）

1 引言

油氣管道是國家的能源動脈，第三方施工導(dǎo)致的意外事故是造成我國油氣管道事故的主要原因。分布式光纖傳感技術(shù)使用與油氣管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為振動傳感與信號傳輸元件，具有長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁等優(yōu)點，已經(jīng)在油氣管道安全監(jiān)測領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。在分布式振動光纖傳感系統(tǒng)獲得油氣管道周圍的振動信號后，需要對獲得的振動信號進行分析和篩選，判斷振動源是否會對管道構(gòu)成威脅。對發(fā)生于離管道較近位置具有破壞性的外界激勵進行及時報警，同時降低對離管道位置較遠的非破壞性激勵振動的報警率，是提升系統(tǒng)運行效果的關(guān)鍵。

2 土壤振動波傳播模型

光纖預(yù)警系統(tǒng)是一個振動感知系統(tǒng)，外界入侵事件發(fā)生時外力作用于地表使地表振動，振動以機械波的形式在土壤中傳播，預(yù)埋光纖感受到地表振動會激發(fā)受迫阻尼振動，應(yīng)力和應(yīng)變的作用使光纖中傳輸光的相位發(fā)生變化，后向散射光在光纖中產(chǎn)生干涉，光信號包含有與外界入侵相關(guān)的信息，經(jīng)過分析和處理，可以判定外界入侵事件的發(fā)生及其性質(zhì)。

當出現(xiàn)入侵事件時，外界作用力與地表相互作用，不同振源與地表作用時力的大小、作用時間、能量大小等均有一定差異。將入侵事件簡化為點或面作用源，事件作用激發(fā)地表的振動，其作用深度、振動頻率以及傳播特征等與地表的物理特性密切相關(guān)。根據(jù)分布式振動光纖傳感系統(tǒng)獲得光纖周圍的擾動信息后，針對油氣管道周圍的防挖掘破話等監(jiān)測，需要對振動信號在土壤中的傳播特性進行分析。油氣管道敷設(shè)于地底，在受到外界擾動破壞時，其擾動信號首先通過敷設(shè)于管道外的土壤傳播，進而被作為傳感單元的通信光纜探測接收到。

由于油氣管道所處野外空曠環(huán)境，相對于大地而言其幾何尺度可忽略不計，因此可假設(shè)管道周圍的地質(zhì)環(huán)境一致，同樣模式的振動波的傳播速度一致。因此可將管道周圍的振動波傳播模式采用如圖1所示。

圖1所示給出了振動波的傳播特性和光纖傳感單元監(jiān)測信號的示意圖，圖中的下一部分給出了振動探測信號的時空特征曲線，其中標注的曲線方程可根據(jù)圖2所示橫向定位模型示意圖推導(dǎo)得到。具體推導(dǎo)過程如下：

假設(shè)振源為O 點，其振動波的傳播速度為v，其距離傳感光纜最近的點為A 點，振源與傳感光纜之間的垂直距離為（線段OA）H，傳感光纜上A 點對應(yīng)的光纖距離為d0，由于振源激勵出的振動波具有以振源中心為圓點的圓形波陣面，因此，在傳感光纜上A 點為最先探測到振動波波前的位置。假設(shè)振源的振動波被傳感光纜上A 點探測到的時間點為t0，振動波在探測點C 點接受到信號的時間為t，C 點在光纖上的距離為d。由于波陣面為圓形曲線，則圖中存在以下幾何關(guān)系：

圖1：振動信號的時空特性模型

圖2：振源定位模型示意圖

由以上幾何關(guān)系可建立如下關(guān)系式：

對（2）式進行化簡后可以得到如下函數(shù)：

此函數(shù)便是振動波傳播的時空特征函數(shù)。基于此函數(shù)，在通過光纖傳感系統(tǒng)獲得了管線周圍分布式擾動信號的時空特征曲線后，通過對擾動信號對應(yīng)的光纖中心點d0、隨地質(zhì)情況而變換的振動波波速v、以及擾動信號在傳感光纜上的起始觸發(fā)時間t0等參數(shù)的分析和估算，從而實現(xiàn)對振源與傳感光纜之間的橫向距離H 的估測。

表1：波速估值數(shù)據(jù)占比和均值統(tǒng)計

表2：振源距離估測結(jié)果統(tǒng)計

3 振源距離估測方法

利用分布式光纖傳感技術(shù)連續(xù)實時的優(yōu)勢，可以在時間-空間維度上，對挖掘信號進行進分析和識別。不需依賴于額外的波速測量儀器，通過對光纖振動信號的采集分析，結(jié)合已有各個位置的光纜埋深信息，得到當?shù)氐耐寥乐姓駝硬ㄋ俟乐怠Ｔ賹⒄駝硬ㄋ俟乐荡胝駝釉礄M向距離計算。計算步驟如下：

（1）在光纜沿線劃分多個樣本采集的區(qū)段，需涵蓋整個光纜探測范圍。

（2）每個區(qū)段中：在光纜的正上方，采集多組重錘激勵振動信號樣本，每個樣本包含一次激勵信號。同時，記錄這個位置對應(yīng)的光纜埋深H。

（3）對于每組重錘激勵振動信號樣本：對一段連續(xù)空間內(nèi)振動波到達各個位置的時間點進行定位，并確定離振源最近的位置，具體步驟：

1.設(shè)置信號激勵閾值Th；

2.對于每個位置的時序信號（記共有n 個位置），找到各自第一個超過激勵閾值Th 的時間點，同時對應(yīng)該位置信息，存儲為數(shù)組；中的最小值，記為tcen，其對應(yīng)的位置，記為dcen，即激勵最先到達的位置。[dcen,tcen]即離振源最近的光纖位置，振動波到達的時間點；

（5）對于在同一區(qū)段采集的所有重錘激勵振動信號樣本，重復(fù)步驟3 和步驟4，繼續(xù)得到多個v 的估值。

（6）對于由同一區(qū)段采集的所有重錘激勵振動信號樣本，計算得到的所有v 的數(shù)值，進行加權(quán)平均，即得到這個區(qū)段最終的振動波速估值。

（7）對于光纜沿線每個區(qū)段，重復(fù)步驟2 至步驟6，即可得到光纜沿線各個區(qū)段的振動波速信息分布。

4 測試結(jié)果

某天然氣管線監(jiān)測段長度約為30km，使用與管道同溝敷設(shè)的通訊光纜中的1 芯光纖作為傳感器，在管道沿線多個位置進行機械激勵樣本采集和測試。

其中，在距離探測起點27km的測試區(qū)段，已知光纜埋深為2.3m，通過對采集樣本的計算分析，得到多個土壤振動波速v 的估值，數(shù)據(jù)占比和均值統(tǒng)計如表1所示。

對表1 中的數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，得到該處土壤中振動波速估值為195.3m/s。

在這個區(qū)段，距離光纖橫向50 米、40 米、30 米、20 米、10米的位置依次進行機械挖掘激勵，每次激勵得到多組，將此處振動波速195.3m/s 代入振動源橫向距離計算將所得結(jié)果取均值，即為振動源橫向距離估測結(jié)果。在5 個位置的振動源橫向距離估測結(jié)果如表2所示。

由表2 的測試統(tǒng)計結(jié)果可以看出，本次激勵測試，當振源在距離光纖10m-50m 位置進行激勵時，系統(tǒng)的單次估測誤差≤10.1m，誤差均值絕對值≤2.6m，標準差≤4.5m。

5 小結(jié)

本文提出的基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的振源距離估測方法，能夠不依賴于額外的波速測量儀器，直接通過分析光纖振動傳感系統(tǒng)所采集的信號樣本，結(jié)合已有各個位置的光纜埋深信息，獲得各監(jiān)測區(qū)段的土壤中振動波速信息，用于代入激勵源距離光纖橫向距離計算，優(yōu)化油氣管道安全監(jiān)測的預(yù)警效果。距離估算結(jié)果能夠滿足±10m 的精度。