陳鉆 薛魯寧

國家管網(wǎng)集團浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司

 

摘要：介紹了分布式光纖聲波傳感器的工作原理，闡述該技術在第三方施工損壞監(jiān)測、清管作業(yè)跟蹤監(jiān)測、天然氣管道泄漏監(jiān)測三個主要應用場景中的需求與功能、典型案例和存在的問題，提出未來技術發(fā)展方向。

關鍵詞：光纖傳感器；瑞利散射；相干探測

 

管道線路途經(jīng)區(qū)域廣泛，沿線地質(zhì)災害、第三方施工損壞等外部因素導致管道損壞的風險長期存在。此外天然氣管道還面臨著腐蝕泄漏、人為破壞、違章占壓等安全風險。

目前油氣管道企業(yè)主要通過人工巡線的方式實現(xiàn)對管道周邊第三方施工、管道泄漏等安全風險的監(jiān)測。該巡檢方式存在以下問題：一是監(jiān)護盲區(qū)較大，尤其是在水網(wǎng)密布的區(qū)域，巡檢難覆蓋全部管道；二是易受天氣影響，惡劣天氣條件下巡線員無法前往現(xiàn)場進行巡線；三是管道巡檢時間上存在較大空檔期，無法實現(xiàn)全天候監(jiān)護。因此通過技術手段迅速準確地發(fā)現(xiàn)管道附近的安全風險，進行定位預警十分必要。

分布式光纖聲波傳感器（Distributed Fiber Acoustic Sensing，簡稱DAS）利用管道同溝鋪設的光纖，通過探測脈沖光在光纖中的瑞利散射的相位變化測量光纖受到的振動，從而實現(xiàn)對管道周邊振動事件（如第三方施工、管道泄漏、人為破壞等）的及時感知。該技術具有以下特點：一是無需重新鋪設新的光纜，原同溝敷設的通信光纜便可進行測量；二是探測距離長，靈敏度高，感知精度高，能實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測；三是成本低，安裝方便，不受電磁干擾。

1  DAS原理

由于光纖在拉絲制作生產(chǎn)過程中存在著質(zhì)量、密度等參數(shù)的不均勻分布，從而導致光在光纖中傳播時會發(fā)生散射現(xiàn)象。光在光纖中的散射方向為隨機分布，其中一部分散射的光會沿著入射光相反的方向傳播，故稱之為后向散射。光纖的后向散射根據(jù)散射因素的不同可分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中DAS主要應用光纖的后向瑞利散射實現(xiàn)。

當光纖受到外界振動的影響時，瑞利后向散射光的相位就會發(fā)生變化。根據(jù)光纖的彈光效應，光纖受到的橫向振動的幅值與光纖軸向應變的大小成正比，并且相位變化與外界振動的變化呈線性關系。因此，通過檢測瑞利后向散射光相位或者強度的變化，便可以還原外界振動事件的聲波信號（圖 1）。

圖 1 瑞利散射點示意

DAS一般采用相干外差解調(diào)實現(xiàn)對瑞利散射中光場相位的解調(diào)（圖 2）。

圖 2 基于相干外差探測的DAS原理

窄線寬光纖激光器發(fā)出的高相干度激光的光場可表示為：

其中，θ（t）為窄線寬光纖激光器的相位噪聲，dBc/Hz；f 為激光器的輸出頻率，Hz；E0為激光光場的強度。該激光被分為兩路，一路為探測光注入被測光纖中，另一路為本振參考光以實現(xiàn)相干接收。探測光進入被測光纖后的后向散射光可表現(xiàn)為：

其中：

式中c為光速，m/s；t為時間，s；∆t為脈沖寬度，n為光纖折射率，f 為光纖激光器輸出頻率，Hz；z為散射點距離，m；r（z）代表光纖距離z處的離散點反射率。瑞利后向散射光與本振光參考光通過2×2耦合器進行相互混頻，經(jīng)由平衡光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光電探測器輸出信號可表示為：

式中fb為AOM的頻移量，一般為80 MHz或者200 MHz。由于fb通常具有較高的頻率與較窄的頻寬，我們可以簡單地利用希爾伯特變換解調(diào)出相位信號：

其中，H[·]表示希爾伯特變換。后向瑞利散射光的強度R（t）與相位即可通過平方和開根號以及反三角函數(shù)求得：

DAS可通過解調(diào)同時得到反射光的強度和相位，其中反射光強度為分布式光纖振動傳感器（DVS）解調(diào)后的信號，反射光相位是分布式光纖聲波傳感器的相位信號，因此分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)既有DVS的幅度信號，又有DAS的相位信號。

分布式光纖振動傳感器與DAS的主要區(qū)別為：DVS解調(diào)的是光纖中光場的幅度信號，該幅度信號與外界振動為非線性關系。而DAS解調(diào)的是光纖光場中的相位信號，因此振動還原線性度好，靈敏度更高。

2  DAS技術在天然氣管道的應用

DAS系統(tǒng)一般由光路系統(tǒng)和工控機系統(tǒng)組成，光路系統(tǒng)主要負責激光的調(diào)制和相干探測，工控機主要負責信號的采集、分析與識別。該系統(tǒng)安裝簡易，只需將光路和工控機系統(tǒng)安裝在天然氣站場或閥室的機房內(nèi)，接上光纖即可進行在線監(jiān)測。近年來，DAS系統(tǒng)在天然氣在線監(jiān)測領域的應用日益增多，特別是在第三方施工損壞監(jiān)測、清管作業(yè)跟蹤監(jiān)測、天然氣管道泄漏監(jiān)測等方面。

2.1  第三方施工損壞監(jiān)測

需求及功能分析。天然氣管道周邊存在豐富的聲波振動信號，當管道周圍出現(xiàn)機械挖掘、人工挖掘時，會產(chǎn)生不同頻率特征的聲波信號。DAS系統(tǒng)利用已敷設的通信光纜作為傳感器，可實現(xiàn)40 km～50 km沿線管道的聲波信號采集。利用光時域反射儀（OTDR）技術可實現(xiàn)對振動事件的定位。對采集到的聲波信號進行特征分析，結合AI深度學習技術，可實現(xiàn)對第三方施工損壞事件的識別分類，對可能危害天然氣管道的施工進行提前預警，實現(xiàn)第三方施工全天候在線監(jiān)測（圖 3）。

圖 3 基于DAS的第三方施工監(jiān)測示意

典型案例。浙江省網(wǎng)公司于2020年實現(xiàn)分布式光纖振動預警系統(tǒng)全網(wǎng)覆蓋，監(jiān)測距離達到1800 km，經(jīng)過近3年的使用，報警準確率達到80%～85%。2023年該光纖傳感團隊自主研發(fā)了DAS系統(tǒng)，并實現(xiàn)雙通道DAS系統(tǒng)在線監(jiān)測，單臺DAS設備監(jiān)測距離達到了80 km，大大提高了DAS系統(tǒng)的應用性價比。

存在的問題。DAS系統(tǒng)在第三方施工損壞監(jiān)測方面主要存在以下問題：一是誤報率較高。目前由于行業(yè)內(nèi)缺少統(tǒng)一的DAS聲波數(shù)據(jù)樣本以及管道周邊復雜的背景噪聲，導致DAS的智能識別算法在應用過程中存在誤報率較高現(xiàn)象；二是應用性價比較低。目前DAS系統(tǒng)單臺設備的價格高昂，導致該系統(tǒng)無法大規(guī)模工程應用；三是識別算法泛化性較低。同一套算法在不同環(huán)境下的應用效果存在差異，需要通過不斷調(diào)整和優(yōu)化算法參數(shù)才能達到一定的識別效果。

2.2  清管作業(yè)跟蹤監(jiān)測

需求與功能分析。清管作業(yè)是天然氣管道維護的重要環(huán)節(jié)，清管器跟蹤則是清管作業(yè)中的重要工作內(nèi)容。目前主要依靠人工和點式傳感器進行離散式監(jiān)測，這種方式不僅耗費人力物力，而且只能定點跟蹤，無法實現(xiàn)實時在線跟蹤。清管器在通過管道焊縫時會產(chǎn)生振動，因此可利用DAS系統(tǒng)采集這些振動聲波信號。通過信號分析及特征提取，得到清管器的位置信息，從而實現(xiàn)對清管器的在線跟蹤（圖 4）。

圖 4 基于DAS的清管器跟蹤示意

典型案例。浙江省網(wǎng)公司于2023年利用DAS系統(tǒng)在金華站至履坦閥室段共33.3 km的天然氣管段進行清管器追蹤測試，實驗滑窗的步長設置為30 s約114個數(shù)據(jù)點，窗口分割距離為50 m。同時在測試管段按照一定間距布置點式傳感器，以檢測清管器的到達時間，驗證本方法的精確性。試驗結果表明基于DAS的清管器跟蹤系統(tǒng)定位誤差在50 m范圍內(nèi)，定位效果較好。

存在的問題。DAS系統(tǒng)在清管作業(yè)中主要存在以下問題：一是信號噪聲干擾。清管器通過管道時會產(chǎn)生大量的噪聲和振動信號，這些信號會干擾系統(tǒng)的正常工作，導致定位不準確；二是信號衰減和損失。隨著光纖長度的增加，信號在傳輸過程中會發(fā)生衰減，特別是在長距離監(jiān)測時，末端信號較弱，會影響系統(tǒng)的監(jiān)測精度和可靠性；三是海量數(shù)據(jù)處理。清管作業(yè)過程中產(chǎn)生的聲波信號數(shù)據(jù)量巨大，如何高效地處理和分析這些數(shù)據(jù)，以準確識別潛在威脅和異常，是一個技術難題。

2.3  天然氣管道泄漏監(jiān)測

需求與功能分析。天然氣管道泄漏具有突發(fā)性和隱蔽性，因此需要系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測管道狀況，快速檢測并定位泄漏點，及時發(fā)出預警，避免災難性事故的發(fā)生。天然氣管道發(fā)生泄漏時，泄漏孔附近會產(chǎn)生聲波振動信號，因此可利用DAS系統(tǒng)實現(xiàn)天然氣管道在線泄漏監(jiān)測與定位預警。

典型案例。浙江省網(wǎng)公司光纖傳感團隊利用衢州分布式光纖試驗場開展了天然氣管道泄漏監(jiān)測的應用研究。利用壓縮機將埋地DN813管道充壓至4 MPa，通過DAS系統(tǒng)監(jiān)測了1/16英寸、1/8英寸、1/4英寸、1/2英寸、3/4英寸等不同泄漏孔徑的氣體泄漏信號。試驗只測到1/8英寸及以上的泄漏信號，1/16英寸由于孔徑小，泄漏聲波信號頻率達到上百kHz，而DAS系統(tǒng)的頻率響應帶寬只有數(shù)十kHz，因此無法監(jiān)測到1/16英寸孔徑的氣體泄漏（圖 5）。

圖 5 基于DAS的管道泄漏監(jiān)測測試

存在的問題。DAS系統(tǒng)在天然氣管道泄漏監(jiān)測主要存在：一是DAS系統(tǒng)頻響帶寬低，無法測量微小孔徑的氣體泄漏；二是天然氣管道氣體泄漏的理論模型及泄漏聲波信號在土壤中的傳播模型尚未形成，無法通過模擬仿真實現(xiàn)探測下限的理論研究；三是在應用過程中，探測效果與泄漏孔和同溝敷設的光纜位置相關，當泄漏孔與光纜在同側(cè)時，測量效果較好，而泄漏孔與光纜在不同側(cè)時，測量效果較差，甚至無法測量到。

3  結語

分布式光纖聲波傳感器作為一種新型的在線監(jiān)測預警技術，能夠利用已有通信光纜實現(xiàn)長距離、全天候在線監(jiān)測和精準定位，是推進油氣管道行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展的重要技術手段之一。DAS系統(tǒng)在天然氣管道第三方施工損壞監(jiān)測、清管作業(yè)跟蹤監(jiān)測、天然氣管道泄漏監(jiān)測等應用方面展現(xiàn)了良好的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥�，還需進一步提高DAS系統(tǒng)設備性能，開發(fā)基于光頻率反射儀技術（OFDR）的新一代傳感器，提高DAS系統(tǒng)的應用性價比；構建豐富的聲波樣本數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，為信號分析提供扎實的數(shù)據(jù)基礎；結合最新的AI大模型技術，進一步提高DAS系統(tǒng)的識別算法準確率和泛化性，提升該技術預警可信度，滿足管道線路安全運行需求。

作者簡介：陳鉆，1995年生，研究生，中級工程師，三級工程師，主要從事光纖傳感技術研究。聯(lián)系方式：15988406309，21760483@zju.edu.cn。