分布式光纤声学传感系统在管道监测中的应用研究

张静 张洋 周军 赵艳红 赵浩

【摘 要】分布式光纤传感技术应用于判断管道泄漏并定位泄露点是当前的研究热点之一。提出了将分布式光纤声学传感系统应用于判断和定位管道泄露点，在消声室的环境中，1km的单模光纤对管道的泄露声音进行响应，采用分布式光纤振动探测系统（DAS）采集响应信息并做时域和频域分析，信噪比达到10dB以上，空间分辨率为1m，響应频率1Hz到1000Hz。

【关键词】光纤声学；管道泄漏DAS时域分析；频域分析

中图分类号：TN 929.11 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0118-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.054

【Abstract】Distributed optical fiber sensing technology is one of the current research hotspots for judging pipeline leakage and locating leak points. A distributed optical fiber acoustic sensing system is proposed to judge and locate the pipeline leakage point. In the anechoic chamber environment， a 1km single-mode fiber responded to the leaking sound of the pipeline， using a distributed optical vibration detection system （DAS）. The response information was collected and analyzed in time domain and frequency domain with a spatial resolution of 1 m and a response frequency of 1 Hz to 1000Hz.

【Key words】Fiber optic acoustics； Pipe leak；DAS； Time domain and frequency domain

0 引言

分布式光纤传感技术被提出后，因其具有的突出优点，取得了快速的发展，目前光纤传感技术被广泛应用于结构健康监测（温度、应变）、工业过程控制、国防安全、航空航天等诸多领域，而在监测管道泄漏中，声学光纤相结合的传感技术仍处于研究阶段。1977年，Cole等人[1]和Bucaro等人[2]首次使用光纤声学传感器进行实验，验证了光纤可以检测到声音。1991年Kurmer等人提出使用萨格纳克干涉仪来检测声学诱发的相位扰动，能够检测光纤局部 上的压力波的变化并确定其位置，但是这种技术不能监测多个声扰动且灵敏度低，不适用于管道泄漏监测。Masoudi等人[3]提出了一种能够量化光纤动态应变的分布式光纤动态应变传感器，但是中低频噪声的检测受到限制而且不能精确监测非平面声波的振幅，不利于管道泄漏时的复杂声波情况。

本文提出了一种将分布式光纤声学传感系统应用于监测管道泄漏的方案，在目前的研究中实现了监测管道泄漏的空间分辨率为1m，响应频率为1Hz到1000Hz。

1 基本原理

瑞利散射能够检测由声压引起的光纤的动态应变[1-5]，在相位OTDR（φ-OTDR）、相关OTDR、极化OTDR中，φ-OTDR是唯一能够量化扰动的技术，来自两个散射中心的背向瑞利散射光之间的相位差与它们之间的距离成正比[1-6]。

基于φ-OTDR的DAS系统通过向传感光纤中注入探测光，通过测量光纤中背向瑞利散射信号来探测与定位外界的扰动。DSA系统采用超窄线宽光纤激光器，因为注入光纤中的光是强相干的，所以传感系统的输出就是脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。当光纤线路上因管道泄漏发出声音而发生扰动时，相应位置光纤的折射率会发生变化，这会导致扰动位置光相位的变化。因为扰动位置的散射光传输到探测器的过程是周期性的相位变化，所以最终干涉的结果会产生周期性的波动并与扰动位置相对应。

图1所示为光纤瑞利散射模型，在该模型中以一系列反射镜来描述后向散射的过程，这些反射镜可以看作是一个在特定长度光纤内随机分布的散射体后向散射的矢量和，散射体的后向散射光的电场具有随机的相位和幅度，这些散射的矢量和将会随机落在一个复平面内。

2 结果与分析

实验中采用分布式光纤振动探测系统（DAS）监测光纤受管道泄漏声音影响的情况，实验装置如图2所示。

在该实验装置中，A框的装置处于混响室中，放置DAS系统数据采集设备；B框的装置处于消声室中，放置一长12米，直径0.3米的铁管，管内穿一直径0.05米的塑料管，铁管内充气，塑料管未封闭且和外界空气联通，a为管道正上方模拟泄露孔。1km的单模光纤由DAS中引出并留出20m的光纤环后引入消声室中，第一段光纤（L1）悬挂于管道侧面（钟表3点钟位置），留出20米光纤环后引出第二段光纤（L2）紧贴在铁管壁上，留出20米光纤环后引出第三段光纤（L3）穿于塑料管内，最后引出光纤环，每个光纤环均被消音棉包裹，以减小背景噪声的影响。

DAS系统设置采样间隔为1米，采样频率为20kHz，脉宽50ns，通过测试实验得到三段光纤分别受管道内气体由泄露孔泄露时的声音影响时的位置（通道）分别为L1：835-840；L2：861-871；L3：895-907，模拟泄漏孔设置有1mm孔、3mm孔，5mm孔，同时管内气体压强由压力表控制可调。

由图3、图4可知，管道泄漏的声音对L1段光纤的影响比较杂乱，目前没有获得更好的实际应用；L2段光纤是粘贴在管壁，在实际应用中受外部条件影响较大。管道多数埋在地面下方，受地面活动等情况干扰较大，若采用L1、L2段光纤用来监测管道泄漏有较大几率造成误判。

本方案主要研究了塑料管内L3段光纤的功率谱情况。在3mm孔和5mm孔分别开启时管道口泄漏声音对光纤影响较大，随着管道压力降低，功率谱趋于平滑，压强降到0.02Mpa左右时，功率谱再次提高。由于相位差的存在引起了功率谱随着管道压力降低时趋于平滑，随着相位差周期性的恢复到0-45度的范围时，功率谱因此而再次提高。图6直观显示了光纤在某一时刻相应位置的功率谱情况，越接近泄露口的位置，光纤对管道泄露的声音响应越大，近似于正态分布。

通过多次背景噪声测试试验，得到了该实验方案的信噪比达到了10dB以上，但对应用于监测管道泄漏时，10dB的信噪比仍处于较低水平，信号易淹没于噪声中。由DAS系统采集到的信号的功率谱如图7所示，光纤对管道泄漏声音的响应频率范围为1-1000Hz，目前只能对低频信号有较好的响应，对高频信号响应不明显，目前该方案对监测管道泄漏时产生的低频段声音具有良好的效果。

3 结论及展望

实验结果表明，采用DAS系统的实验方案可以应用于监测管道泄漏时的声扰动，在1km的光纤上实现了1米的空间分辨率，频率范围1-1000Hz，信噪比达到10dB以上。接下来将在消音室中进行声激励标定实验，量化不同声压级、不同频率的声音对光纤的扰动情况，从而提高将光纤声学传感应用于监测管道泄露的准确性，此外计划将光纤附着在聚苯乙烯片上以提高其灵敏度，改进信号处理方法，提高信噪比。

致谢感谢感谢上海市科学技术委员会提供的资助和支持，感谢上海波汇科技股份有限公司对本项目的资助和支持，感谢上海第二工业大学研究生项目基金对本项目的资助；感谢同济大学对本项目的帮助。

【参考文献】

[1]Cole， J. H. et al.， Fiber optic detection of sound[J]. Acoust. Soc. America. 1977 62：1136-1138.

[2]Bucaro， J. A. et al.Fiber optic hydrophone[J]. Acoust.Soc.America.1977.62：1302-1304.

[3]Kurmer， J. P. et al. Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection. Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors.1991，1586：117-128.

[4]P Rohwetter，R Eisermann，K Krebber. Random Quadrature Demodulation for Direct Detection Single-Pulse Rayleigh C-OTDR[J].Journal of Lightwave Technology.2016，34 （19）：4437-4444.

[5]Posey， R. J. et al.Strain sensing based on coherent Rayleigh scattering in an optical fibre. Electronics Letters.2000，36 （20）：1688-1689.

[6]A Masoudi，M Belal，TP Newson.Distributed optical fibre audible frequency sensor[J]. International Conference on Optical Fibre Sensors，2014，9157：91573T.

[7]祝寧华，闫连山，刘建国. 光纤光学前沿[M].北京：科学出版社2011.249-255.

[8]吕月兰，行水伟.相位光时域反射计瑞利散射波形特性研究[J].光学学报.2011，31（8）：235-239.