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基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统

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基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统 第30卷第3期 石 油 学 报 VoL.30No..3 2009年5月 ACTAPETROLEISINICA May 2009 文章编号:0253—2697(2009)03。-0465—04 基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统 孙洁娣1’2 靳世久1 孙健1 (1.天津大学精密测试技术及仪器国家蘑点实验室 天津300072;2.燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004) 摘要:采用数据融合方法研究了基于多地震波传感器的管道安全监测预警系统中目标特征提取及识别问题。用多个传感器及处 理模块采集管...
基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统
第30卷第3期 石 油 学 报 VoL.30No..3 2009年5月 ACTAPETROLEISINICA May 2009 文章编号:0253—2697(2009)03。-0465—04 基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统 孙洁娣1’2 靳世久1 孙健1 (1.天津大学精密测试技术及仪器国家蘑点实验室 天津300072;2.燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004) 摘要:采用数据融合研究了基于多地震波传感器的管道安全监测预警系统中目标特征提取及识别问题。用多个传感器及处 理模块采集管道周围目标产生的震动信号,采用经验模态分解方法对地面震动信号进行处理,提取分解结果的归一化峭度,将其作 为特征向量;利用主要频率区闻的特征向量进行单一传感器的目标识别。由于监测系统由多个单独传感器采集模块组成,为了提 高目标的识别率,采用D-S证据理论对识别结果进行了数据融合,得到最终识别结果。利用该方法对实验采集数据进行处理。验证 了文中提出的方法。 关键词:管道安全监测;预警系统;目标识别;经验模态分解;地震波传感器;数据融合方法;特征向量;地震信号 中图分类号:TE88 文献标识码:A Monitoringandpre-warningsystemforsecurityofpipelines basedondatafusionofmulti—seismicsensors SUNJiedil·2JINShijiulSUNJianl (1。StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandInstrument,n口巧inUniversity,Tianjin300072,China} 2.DepartmemofInformationScienceandEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China) Abstract:Amethodforextractionoftargetfeaturesinthepipefinesecuritymonitoringandpre-warningsystembasedonmuhi-seis— micsensorswasstudiedwithdatafusiontOimproverecognitionrate.ManysensorsandprocessingmoduleswereusedtOacquirethe seismicsignalsgeneratedbythegroundtargets.Thenon—stationarysignalanalysismethodbasedonempiricalImodedecomposition wasusedtOprocesstheseismicsignals.Thenormalizedkurtosisextractedfromthedecomposedresultswascomposedofthefeature vectors.Thedecisionofsinglesensorwasmadeofthemajornormalizedkurtosisinthemaindecomposedfrequencybands.TheD—S evidencereasoningwasusedtOfusetheseindividualrecognitionresultsforimprovingrecognitionrate,andthefinaldecisionwasob— tained..Theexperimentdatawereacquiredandanalyzed.Theanalysisresultsverifiedthevalidityofthenewmethod. Keywords:pipelinesecuritymonitoring;pre-warningsystem;targetrecognition;empirical【modedecomposition;seismicsensor;data fusionmethod;featurevector;seismicsignal 近年来我国的输油管网受到以盗窃为主的严重 破坏。据统计,近10年来油气长输管道发生的事故 95%以上是由于人为侵入造成的[1。]。常规的泄漏检 测技术及已有的装置一般只能在事后发现漏油或进行 报警,因此在管道安全受到威胁或者正被破坏而尚未 造成损失时就及时发现入侵行为是急待解决的问题。 为此本课题组研究并设计了一种新型的基于多地震波 传感器的管道安全监测预警系统。通过沿管道设置的 多个地震波传感器检测模块采集管道周围目标产生的 地震波信号,通过对信号进行特征提取和模式识别以 确定引起震动的目标性质,进而判断目标是否对管道 构成入侵威胁。 1 监测原理及信号处理流程 目标活动产生地震信号。研究明,当震源位于 地表时,瑞利波由于具有能量较强、在自由表面传播距 离较远等特性,很适合地面运动目标探测与识别㈨。 图1为本课题组研究开发的管道安全监测预警系统的 原理示意图。 竺里j一受墓毒一L乳是⋯莹.土壤⋯ V — V V [二夏至口:j::::::!工)蔓二) 圈1监测原理示意图 Fig.1Sketchofthemonitoringsystem 基金项目:国家自然科学基金重点项日(No.605340s0)资助。 作者简介:孙洁娣,女.1975年11月生,2001年获燕山大学工学硕士学位,现为天津大学精密仪器及光电子工程学院在读博士研究生.主要从事测试 信号处理及模式识别研究.E‘mail:sjdwjt@yahoo.corn.cn 万方数据 石 油 学 报 2009年第30卷 图1中标记S,,S:,⋯,S。为多个地震波检波器及 处理模块,系统中有多个相同模块沿管道埋设。人、车 及挖掘等活动引起地面震动,地震波以多种形式在土 壤中传播。目标活动产生的信号通过各单元处理模块 完成信号采集、处理以及特征提取等工作,并将处理结 果通过无线方式传输至主站;中央监控计算机对收到 的信号进行多传感器数据融合和模式识别等处理,得 到准确的目标信息。 监测系统的多个传感器及处理模块处于不同的采 集环境。当目标出现时,如果多个模块都将信号向主 机传输,不仅由于数据量大造成信息通路的拥塞,而且 信号的复杂性以及传输中的干扰等问题都会影响信息 的准确性。因此提出了一种新的处理方法:信号在各 处理模块中先进行预处理和特征提取,然后将特征向 量传输到主机中;主机通过模式识别和多传感器数据 融合等再处理得到目标类型。特征向量维数较原 始数据量极大减少,传输的数据量和复杂程度都大大 降低,信号处理流程如图2所示。 传藤器1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯. 传感器n 圈2系统信号处理流程 Fig.2Flowchartofsignalprocessinginthemonitoringsystem 2基于EMD的特征提取 地震信号是典型的非平稳信号,而经验模态分解 EMD是近年来发展迅速的一种适合非平稳信号分析 的方法。将信号中不同尺度的波动或趋势逐级分解出 来,产生一系列具有不同特征尺度的固有模态函数,对 各分量进行分析可以更加准确、有效地把握信号的特 征信息睁“。 分解后的固有模态分量分别代表了不同特征尺度 下的平稳信号,其幅度大小和频率范围各不相同,忽略 残余分量。针对采集信号的脉冲特性,笔者提出了基 于IMF归一化峭度的特征提取方法,能够在较少的分 解区间得到差别较大的特征。 基于IMF归一化峭度的特征提取步骤如下: (1)对信号进行经验模态分解,得到各IMF分 量。 (2)忽略残余分量,求出九个IMF分量的峭度, 并对其进行归一化处理,即 .1 T,=÷∑c4.。 (1) 。●暑1 个T:=÷ (2) ∑tZ-一 ‘ f=1 式中:i为IMF分量标号。i一1,2,⋯,咒;志为离散点 在该分量中的位置,志=1,2,⋯,z;l为采样点数;Q.^为 第i个IMF分量、第志个采样点处的值。 (3)选取包含信号主要特征的h个1MF分量的 归一化峭度,构成特征向量,即 T=[T:,T:'..·,丁:] (3) 经过特征提取得到的特征向量个数较原始数据极 大的减少,各传感器处理模块将主要特征向量通过无 线传输方式传输到主机中进行后续处理。 3基于D—S证据理论的数据融合 每个传感器及其处理部分组成一个单独的采集模 块,监测区域的目标信号由多模块采集,它们处于不同 的采集环境。当非法活动目标信号产生时,会有多个 模块同时接收到有效信号。单个模块的信号经过特征 提取和分类识别后得到各自的结论,但是单个模块提 取的特征不完整识别率不高。对多传感器系统提高识 别率采用适当的数据融合方法非常重要,D—S(Demp— ster—Sharer)证据理论对于决策级融合具有较好的效 果‘7。9]。针对系统由多个传感器构成的特点,提出基于 D-S证据理论的方法对多个传感器的识别结果进行融 合处理,得到最终的目标类别信息。 设同一识别框架@上存在两个信任函数,m,和 m:分别是其对应的基本可信度分配。设识别框架中 的焦元YACO,则对A经融合后的信度可以表示为 m(A)一Tnl(A)om2(A)。令m1,⋯,m。分别表示户 个信息的可信度分配,如果它们是由独立的信息推得 的,则融合后的信度为m=m,④m:④⋯④m,,可以表 示为 一 ∑Ⅱ仇,(A) re(A):』生生三≥—一 (4) 卜∑Ⅱm,(A) JA.2币J2I 4实验及结果分析 在实验基地的管道沿线进行了多种目标信号的 万方数据 第3期 孙洁娣等:基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统 467 采集。采集系统由多个传感器及处理模块组成,沿 实验管道直线布放,传感器间隔为10rfl,埋深为 0.5m。 外场实验测试工况为:微风,气温约20"C,周围无 2.2 2.0 , 奋L8 脚1.6 1.4 1.2 :.J.. L.jJ.o 【一 I。.1I..●L ?T一 一 '¨’一”1 rr ● O 5000 10000 采样点数 (t)走动信号 L80 之l,79 坦 砻1.78 明显干扰源。目标活动引起的地面震动通过地震检波 器转变为电信号,通过采集处理模块,完成放大滤波、 A/D转换和特征提取等处理工作。图3为由一组采 集模块得到的几种不同目标的典型信号。 .一.-l儿.。山“.J- ·吖‘T一”P’"’1ll『 》 、 磴 锄 一 I f 一f ● 对原始信号消噪后进行EMD处理,分解得到的 各IMF分量大小不同。由于残余分量单调且幅值很 1.o 越 蟹 基0.5 皿 0 l 【III...... 1.o 髓 警 基0.5 l 皿 0 采样点数 (c)挖掘信号 小,分析中忽略其影响。图4所示为对应于图3的3 种典型信号的归一化峭度特征。 0 l 2 3 4 5 6 7 8 910ll O l 2 3 4 5 6 7 8 910ll12 固有模态分量 周有模态分量 (-)走动信号 (b)车辆行驶信号 圈4不同目标信号的特征向量 Fig.4Featurevectorsofdifferenttargets 通过分析得到:3种不同信号的归一化峭度特征 向量主要集中在IMF2~IMF6,走动信号的特征向量 主要集中在IMF4和IMF5,且占据了97%以上的峭 度值;车辆行驶信号的峭度特征主要分布在IMF2~ IMF4;IMF4的归一化峭度占据了总体的85%以上, 而IMF2和IMF3所占比例较小,但均占总峭度的5% 以上,且差别不大;挖掘信号的特征集中于IMF4~ IMF6,IMF4所占比例很大,IMF5和IMF6比例较 小,差别不大。因此特征向量选为 T=[t,T:,一,t,t] 由各传感器处理模块将特征向量向上位机传输, 主机接收后,先进行单传感器目标结果的识别。由于 同一目标信号多个传感器都可以采集到,单一传感器 识别率不高。为提高识别率,对多个传感器的识别结 果进行数据融合。 利用3个传感器的特征向量所得的基本识别概率 以及合并后的基本概率,根据D—S方法进行融合,并 根据决策规则进行目标识别,结果如表1所示。 1.o 魁 誓 掌O.5 l 丑 0 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9101112 嗣有模态分量 (c)挖掘信号 实验中对不同信号进行分组采集,每组5个传感 器采集模块,共测得不同距离的人走动信号20组;挖 掘信号20组;车辆行驶信号15组。对各种目标信号 分别进行特征提取和识别,表2给出数据融合前后的 识别结果。 通过对多组信号的处理结果分析得到多个传感器 的融合较单个传感器的识别结果有明显改善。因此对 于采用多传感器采集信号的监测预警系统,选用合适 的融合算法非常重要。 5 结论 (1)研究了一种新型的基于多地震波传感器的管 道安全监测预警系统,提出了对单一传感器识别结果 进行数据融合、以提高目标识别率的处理方法。 (2)沿管道设置的多个地震波传感器及处理模 块,采集管道周围多种活动目标产生的地震波信号,采 用非平稳信号分析的EMD方法,提取各IMF的归一 化峭度作为特征,选择主要频率区间的峭度作为特征 向量进行单独识别。 3 咖 啦 5 万方数据 468 石 油 学 报 2009年第30卷 表1 基于D—S证据理论的数据融合结果 Table1 Dataf啵ionresultsbasedonD-Sevidencereasoning 实际目标传感器——I焉瓦季r———墨姜豢裂善兰———1矿不确定性识别结果 1 0.4651 0.4061 0.0784 0.0404 不确定 走动信号 ; ::磊:; 主曼i: :::笔: :.·0。,5,2; 霉翥墨善 融合0.81280.1843 0.0026 0.0003 走动信号 1 0.1046 0.4453 0.4092 0.0409 不确定 车辆信号 2 0.2212 0.7141 0.0367 0.0280 车辆信号 3 0.1022 0.2683 0.5862 0.0433 挖掘信号 融合0.03840.8267 0.1345 0.0004 车辆信号 注:表中“融合”为对3个传感器的识别结果采用证据理论方法进行数据融合后得到的最终结果。 表2多组信号融合前后的识别率 Table2 Severalgroupsofsignalsrecognition ratebeforeandafterdatafusion (3)对多个传感器识别结果采用基于D-S证据理论的 数据融合进行处理,实验采集数据的分析结果表明,经 数据融合方法对识别结果进行处理后,识别率较单一 传感器结果有明显改善。 (4)目前在1.5km范围内实验取得了较好的识 别结果。这种基于多地震波传感器的安全监测系统目 前主要用于监测事故多发地段,今后可进一步考虑用 于其他重要区域的安全监测,应具有良好的应用前景。 [1] [23 [3] 参考文献 王占山。张化光.冯建,等.长距离流体输送管道泄漏检测与定位 技术的现状与展望[J].化工自动化及仪表,2003,30(5):5-10. WangZhanshan,ZhangHuaguang。FengJJan,eta1.Presentsitua— tionandprospectonleakdetectionandlocalizationtechniquesfor long-distancefluidtransport—pipeline[J].ControlandInstruments inChemicalIndustry,2003,30(5):5-10. 崔谦.油气管道泄漏检测方法的研究及应用[D].天津:天津大学, 2005:I·7. CuiQian.Studyonoilandgaspipelineleakdetectionmethodsand theirapplications[D].Tianjin;TianjinUniversity.2005:1—7. 周琰.靳世久.张昀超。等.分布式光纤管道泄漏检测和定位技术 [J].石油学报.2006,27(2):121—124. [4] [5] [6] [7] [8] [9] ZhouYan,JinShijiu,ZhangYunchao,eta1.Distributedopticalfi— bersensingtechnologyforpipelineleakagedetectionandlocation l-J].ActaPetroleiSinica。2006,27(2):121—124. 姚姚.地震波场与地震勘探[M].北京:地质出版社,2006:22·26. YaoYao.Seismicwavefieldandseismicexploration[M].Beijing: GeologicalPublishingHouse,2006:22—26. 曲志刚,靳世久,封皓,等.基于经验模态分解的管道预警系统信 号多尺度混沌特性分析方法[J].石油学报,2008,29(2):313-316. QuZhigang,JinShijiu。FengHao。eta1.Multi—scalechaoticcharac- teristieanalysisofdetectionsignalsinpipelinepre-warningsystem baseonempiricalmodedecomposition[J].ActaPetroleiSinica, 2008,29(2):313—316. 孙讧瑛,李一博,靳世久,等.基于小波包和HHT变换的声发射 信号分析方法[J].仪器仪表学报。2008,29(8):1577—1582. SunLiying.LiYibo,JinShijiu,eta1.Acousticemissionsignalpro- cessingmethodbasedonwaveletpackageandHHTtransform [J].ChineseJournalofScientificInstrument。2008。29(8): 1577-1582. 徐从富.耿卫东,潘云鹤.面向数据融合的DS方法综述[J].电子 学报,2001。29(3):393—396. XuCongfu,GengWeidong。PanYunhe.Reviewofdempster-shafer methodfordatafusion[J].ActaElectronicaSinica.2001,29(3): 393-396. 聂伟荣,朱继南,夏虹.D-S证据理论在目标识别中的应用[J].弹 道学报.2002。12(4):40·44. NieWeirong。ZhuJinan.XiaHong.TheapplicationofD‘Sproof theoryintargetidentification[J].JournalofBallistics,2002。 12(4):40-44. 宿陆。李全龙,徐晓飞.等.摹于D—S证据理论的传感器网络数据 融合算法[J].小型微型计算机系统,2006,27(7):1321—1325. SuLu,LiQuanlong,XuXiaofei,eta1.Datafusionalgorithmfor sensornetworkbasedonD-Sevidencetheory[J].JournalofChi— neseComputersystems,2006·27(7):1321—1325. (收稿日期2008-09—05改回日期2008.12.24编辑仇学艳) 万方数据 基于多地震波传感器数据融合的管道安全监测预警系统 作者: 孙洁娣, 靳世久, 孙健, SUN Jiedi, JIN Shijiu, SUN Jian 作者单位: 孙洁娣,SUN Jiedi(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,30007;燕山大学信 息科学与工程学院,河北秦皇岛,066004), 靳世久,孙健,JIN Shijiu,SUN Jian(天津大学精 密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,30007) 刊名: 石油学报 英文刊名: ACTA PETROLEI SINICA 年,卷(期): 2009,30(3) 被引用次数: 0次 参考文献(9条) 1.王占山.张化光.冯建 长距离流体输送管道泄漏检测与定位技术的现状与展望[期刊]-化工自动化及仪表 2003(05) 2.崔谦 油气管道泄漏检测方法的研究及应用 2005 3.周琰.靳世久.张昀超 分布式光纤管道泄漏检测和定位技术[期刊论文]-石油学报 2006(02) 4.姚姚 地震波场与地震勘探 2006 5.曲志刚.靳世久.封皓 基于经验模态分解的管道预警系统信号多尺度混沌特性分析方法[期刊论文]-石油学报 2008(02) 6.孙立瑛.李一博.靳世久 基于小波包和HHT变换的声发射信号分析方法[期刊论文]-仪器仪表学报 2008(08) 7.徐从富.耿卫东.潘云鹤 面向数据融合的DS方法综述[期刊论文]-电子学报 2001(03) 8.聂伟荣.朱继南.夏虹 D-S证据理论在目标识别中的应用[期刊论文]-弹道学报 2002(04) 9.宿陆.李全龙.徐晓飞 基于D-S证据理论的传感器网络数据融合算法[期刊论文]-小型微型计算机系统 2006(07) 相似文献(4条) 1.学位论文 林蕾 基于萨格奈克原理的分布式光纤长途油气管道破坏预警系统关键技术研究 2009 长途油气管道具有高温、高压、易燃和易爆的特点,一旦发生泄漏将引发重大安全事故并造成巨大经济损失。近年来,一些偷油盗油、野蛮等 破坏行为严重威胁到管道的安全。现有的管道安全监测方法仅能在泄漏事故发生后,被动地检测泄漏点,不能避免损失。因此,实现对威胁管道安全的 破坏行为的预警,将具有极大的社会效益和经济效益。萨格奈克干涉型分布式光纤传感预警系统因其灵敏度高,探测点无限多,安装、维护方便等优点 成为研究的重点,但是要使光纤传感系统能够预警定位实际的管道安全威胁,必须从破坏信号特性入手,建立有针对性的预警系统和解调方法,本文具 体研究了以下几个系统关键技术:
   ①为了解破坏行为的特性,从挖掘、钻孔等破坏行为引起的振动信号的产生及传播机理入手,分别构建了破坏行为引起的震源振动模型、地震动波模型 以及在纵波(P波)作用下,管道破坏行为的光纤传感模型。从时域和频域测试并分析了典型破坏行为的特性符合理论模型,证明多频率成分的破坏事件将 在光纤传感器中感应出相同频率成分的相移,并提出对破坏行为类型的识别方法。
   ②为了提高萨格奈克干涉系统的灵敏度,从光波导的横向耦合理论推导出2×2耦合器和3×3耦合器的特性,得出使用3×3耦合器替代2×2耦合器可以提 高系统的灵敏度。
   ③为设计出不依赖于破坏事件频率特性的解调方法,提出基于3×3耦合器的萨格奈克原理的改进型干涉预警系统,添加光纤延迟环,采用脉冲光源,通 过比较多重响应的幅度能够探测发生在主环里因外界破坏事件引起的振动所在的位置,提出了准确的定位数学模型,定位方法不依赖于外界作用的频率 特性。
   ④搭建实验系统,在总长10Km的传感光纤上,采用相位调制器模拟破坏行为,定位精度小于100m。此结果证明,通过本文对分布式光纤传感预警系统的 几个关键技术的研究,设计了一种能实现对长途油气管道安全预警的分布式光纤传感系统,结构合理,定位准确,具有很大的实用价值。 2.学位论文 曲志刚 分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术研究 2007 目前,我国国民经济的持续高速发展对能源特别是油气资源的需求越来越迫切。管道由于自身具备的诸多优势,已成为主要的油气资源运输手段。 但由于种种自然或人为原因,管道泄漏事故时有发生,有时会伴随着巨大的生命财产损失和环境污染。目前,常用的油气管道安全监测装置主要通过管 道输送压力、流量以及温度等参数的变化来判断泄漏是否发生。该类方法容易受输送介质特性、工艺等因素影响,且报警都在发生泄漏之后。 本文在课题组前期工作基础上,对分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术展开了深入研究,并构建了一套分布式光纤油气管道泄漏检测及预 警系统。该系统不仅能检测到管道泄漏并对泄漏点定位,而且能在威胁油气管道安全的异常事件发生时进行预警并对事发点定位。 本文主要进行以下几方面的研究工作: 1、分析了分布式光纤振动传感器机理、灵敏度和影响其灵敏度因素,同时分析了单模光纤中光波偏振态不稳对传感器的影响并比较几种解决方案。 2、提出将基于小波包分解的“能量-模式”检测信号特征提取方法、基于经验模态分解(EMD)的检测信号特征提取方法、基于多尺度混沌特性分析 的检测信号特征提取方法用于对管道沿线检测信号的特征提取。 3、提出将径向基(RBF)神经网络和支持向量机(SVM)两种模式识别方法用于对管道沿线检测信号类型的识别。 4、设计了一套实验装置,通过大量现场实验对分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术中的识别及定位性能进行验证,实验结果证明该技术对 管道沿线发生的包括泄漏在内的异常事件的监测、预警、识别及定位是有效的。 5、设计了一套分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统,在一条成品油管道上试运行。结果表明,本系统能够实时发现管道沿线异常事件并准确地 对其进行识别和定位。 3.期刊论文 王忠东.闫铁.王宝辉.衣实贤.WANG Zhong-dong.YAN Tie.WANG Bao-hui.YI Shi-xian 分布光纤式输油 管道安全监测预警系统 -微计算机信息2008,24(33) 提出了一种基于光时域反射原理和分布式光纤传感技术实现输油管道泄漏安全实时监测的技术.当输油管道发生泄漏时,使光纤所处的温度场发生变 化,利用光纤后向喇曼散射的温度效应测量该处的温度变化而判断管道泄漏;当发生人为破坏(盗油)事件时,所产生的振动、压力等扰动信号使在光纤中传 输的后向瑞利散射光产生明显的损耗特征,通过测量其光强的变化来检测管道是否受到扰动或破坏.用ODTR技术实现对光纤测量点的定位.实验结果表明 ,系统已达到如下主要技术指标:光纤长度5km(可延长),测温范围0~90℃(可扩展).温度测量偏差小于+5℃,对扰动外力和温度的定位偏差小于15m.该检测 技术可以有效地提高输油管道泄漏监测和防盗油水平. 4.学位论文 吴俊 长途油气管道破坏预警的干涉型分布式光纤传感系统定位技术研究 2007 管道运输作为五大运输方式之一,具有安全、经济、保质、无污染等优点,已经成为油气运输的重要途径。然而近些年来,偷油盗油、施工破坏等 人为原因却严重影响了油气管道的正常运行。为了保障油气管道的正常运行,必须对管道安全进行实时监测。然而现有管道安全监测方法仅能在泄漏事 故发生后,被动的检测泄漏点,仅能减少损失,不能避免损失。因此,开展管道破坏行为的预警技术研究具有广泛的应用前景。 将光纤干涉技术与光纤分布式传感技术结合而成的干涉型分布式光纤测量系统是管道破坏行为预警的最理想手段之一。干涉型分布式传感系统由于 基于相位感测原理,其高灵敏度的探测特性已为大家所公认,然而高精度的定位技术还有待进一步深入研究。双马赫.曾德尔分布式光纤传感系统由重 庆大学于2005年自主开发。在前期研究中,解决了如何将光纤干涉技术与分布式传感技术有机结合的问题、解决了高灵敏度的探测和对不同对象的识别 问题,由于时间原因没有在高精度定位技术方面做太深入的研究。鉴于管道破坏行为预警、定位的巨大需求,对基于双马赫.曾德尔结构的分布式传感 系统定位技术进行研究,不仅具有非常高的理论可行性,而且具有重大的科学价值和潜在的社会经济效益。 为此,首先分析了挖掘、钻孔等破坏行为引起的地震动信号的产生及传播机理,分别构建了破坏行为引起的震源振动模型、地振动波模型。针对纵 波(P波)对光纤的作用方式,构建了管道破坏行为的光纤传感模型。分析了破坏行为引起的相位变化在基本马赫.曾德尔光纤干涉仪输出信号中的表现形 式,并在对马赫一曾德尔光纤干涉仪基本结构进行适当变换的基础上,构建了双马赫-曾德尔光纤干涉结构的分布式传感系统,通过对油气管道破坏行为 定位基本原理的推导,得出求取两列干涉信号的时延△τ是整个定位技术关键的结论。 由于单模光纤双折射效应的存在,线偏光在普通单模光纤中传输时,会发生偏振态退化现象。首先利用琼斯矩阵法仿真分析了单模光纤双折射引起 的偏振态退化对传感系统性能的影响,揭示了偏振态退化对干涉输出信号质量及整个系统定位精度影响的内在规律。在琼斯矩阵法分析的基础上,进一 步利用椭圆偏振光干涉法定量的研究了干涉条纹可见度V、相位误差ζ随椭圆偏振光方位角和椭圆率角θ,β的影响变化情况。根据系统的偏振退化特性 ,选择光纤机械式偏振控制器对系统偏振态进行调节,并且设计了以相位调制器为核心元件的偏振控制方案。 在解决偏振退化问题,保证干涉信号满足后续处理要求的基础上,选择互相关方法作为高精度定位的实现算法。从相关分析方法的理论切入,推导 了基于互相关方法的破坏行为定位原理。分析了直接对干涉信号作互相关可能对定位结果的影响,提出了基于广义互相关方法的改进定位技术。分析了 相关分析中可能对定位精度造成影响的诸多因素,提出了通过提高采集卡采样率、增加互相关数据长度、小波滤除系统噪声、采用时延差估计方法提高 系统定位精度的方法。在上述理论基础上,开发了整个试验系统:包括能够实现破坏行为定位的分布式光纤传感系统、能够对测量得到的定位值进行评 价的破坏行为发生位置标定系统。通过采用偏振控制、增加数据长度、小波去噪等手段后,系统的定位精度基本达到了预期目标。针对定位距离存在一 定随机偏差的情况,采用τ值平均法提高时延估计精度,有效的消除了单次测量的随机误差,多次测量的平均结果与OTDR测量值之间有4~52m左右的误 差。试验结果表明,该系统性能能够满足油气管道破坏行为定位的工程实际需求。 本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_syxb200903028.aspx 授权使用:扬州环境资源职业技术学院(yzhjzy),授权号:13d3b75a-0231-4cf0-b3f7-9eb800f68c38 下载时间:2011年4月1日
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