分布式瑞利散射光纤预警技术在长输油气管道的应用

张 涛

（中石油管道有限责任公司西部分公司，乌鲁木齐 830000）

本文介绍了该技术在管道安全预警的应用，利用与管道同沟敷设的通信光缆其中的一芯作为分布式振动传感器，对管道沿线的土壤振动情况进行长距离实时监测，通过对管道沿线土壤振动信号的智能分析，判断威胁管道安全的破坏事件，系统可以对以管道为中心的人工挖掘5m，机械挖掘20米范围内进行定位，定位精度达20m。

1 工作原理

分布式瑞利散射光纤预警技术基于相位型光时域反射技术（φ-OTDR），也是基于OTDR原理。与常规OTDR一样，光脉冲从光纤的一端注入，用光探测器探测后向瑞利散射光，不同的是注入光纤中的光是强相干的，因此该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。与常规OTDR一样，φ-OTDR通过测量注入脉冲与接收到的信号之间的时间延迟来得到扰动的位置。当光纤线路上由于入侵而发生扰动时，相应位置光纤的折射率及长度将会发生变化，这将导致该位置光相位的变化。因为入侵位置的散射光传输到探测器经历的是周期的相位变化，因此，最终干涉的结果将会发生变化，并与入侵的位置相对应。

图1 分布式瑞利散射光纤传感系统结构与原理

探测光脉冲从光纤的一端注入传感光纤，由于所用的光源线宽很窄，注入光纤中的光是高度相干的，因此该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。系统通过测量注入脉冲时间与接收到信号之间的时间延迟来得到传感的位置信息。

式中，z为距离；c是真空中的光速；n为光纤的折射率。

2 管道的应用和测试结果

2.1 应用环境

分布式瑞利散射光纤预警系统安装于西部管道公司乌鲁木齐压气站，所监测线路为西部管道乌兰线51#桩（乌鲁木齐压气站东北角）到乌兰线0#桩（王家沟油库）。经查勘当地地理环境，乌兰线51#桩（乌鲁木齐压气站）到乌兰双线0#桩（王家沟油库）区段，管线所处地质多为戈壁滩地质，砂石结合，且有一定的硬度，仅有部分区段的所处地质为蓬松土壤层；由于线路较长（光纤长度56km），沿线上有较多不同等级的公路跨越管线，部分区段经过采石场，还有部分区段跨越荒山，较少的区段处于市郊村庄。在此监测区段内，乌兰线42-36#桩沿线附近目前（2017年9、10月份）在修建高速公路，因此过往大车多而且频繁。在乌兰线32-29#区段，管线靠近采石场，且管线与卡车经过路线平行（相距不足5m），在特定时段容易对监测线路的监测环境造成一定影响。

管道光纤安全预警系统具有人工智能识别能力，系统安装后，先进入自学习阶段，对于信号采用人工干预的方式进行自学习，依据人工判断事件的原则，系统会形成自动模式识别，之后系统会自动识别。系统对常见的振动事件如铁路穿越点火车经过对地面冲击的振动信号作为常规信号提示，对非常规信号如高铁施工、河道改造则报警，对异常信号在人工学习阶段没有碰到的信号，系统会报警，之后依据人工处理的原则，系统会在再次遇到该类信号时做相应的判断。

2.2 现场测试结果

2.2.1 挖掘测试

图2为4#桩做机械挖掘测试数据。在安静条件下，噪音相对强度为±8，挖掘信号，最高可达175，信噪比达13.4dB。

图2 4#桩处机械挖掘数据

2.2.2 定位精度测试

每次测试选择光缆链路上的一个位置，采用人工挖掘作为激励行为。统计分析多次激励行为的报警点位的重复性可以评估系统的定位精度。从表1可以看出该系统定位精度±10米以内。

表1 定位精度测试

2.2.3 响应范围测试

挖掘作业响应范围测试：选取测试点，距离传感光缆正上方水平1米开始，通过人挖掘（持续60s）进行测试，若系统报警，则沿垂直管线方向向外侧移动，直到无响应，最后响应位置即为系统预警范围。若采用中型挖掘机挖掘，距离传感光缆正上方水平10米开始测试。可以看出，人工挖掘响应范围大于5米。机械挖掘响应范围大于20米。

表2 定响应范围测试

1 34 18 人工挖掘3 34 23 人工挖掘5 34 25 人工挖掘2 34 1 50 20 人工挖掘3 50 28 人工挖掘5 50 36 人工挖掘3 50 10 34 13 机械挖掘15 34 11 机械挖掘20 34 15 机械挖掘4 34 10 5 50 50 12 机械挖掘15 50 12 机械挖掘20 50 11 机械挖掘

2.2.4 第三方活动行为的模式识别能力

选择一个测试点，分别进行挖掘激励，记录系统输出信息。从表3可以看出，本系统识别挖掘行为为100%。

表3 模式识别测试

8 34 34 机械挖掘 机械挖掘9 49 49 机械挖掘 机械挖掘10 50 50 机械挖掘 机械挖掘

3 结束语

管道光纤安全预警系统在应用过程中，能够对沿线的大小事件做到实时监视和精确定位。人工挖掘响应范围5米，机械挖掘响应范围为20米，可以识别常见入侵行为。管道光纤安全预警系统将传统的被动人工巡护改为线路的主动看护节省人力物力，降低管道被破坏的风险。