一种基于直线型Sagnac分布式光纤振动传感的管道清管器定位方法与流程

本发明涉及分布式光纤振动传感技术领域，具体为一种基于直线型sagnac分布式光纤振动传感管道清管器定位方法。

背景技术：

在长输天然气管道投产以及服役运行过程中，对管道进行清管作业是一项非常重要的业务内容。新建管道投产前，管道内遗留物和打压试验的遗留水较多，清管作业能有效清除管道内部的水及施工遗留物。在管道服役运行过程中，通过清管作业可以实现清扫长输天然气管道内杂物、积液、积污，提高管道输送効率，减少摩阻损失，减少管道内壁腐蚀，实现在线内检测，延长管道使用寿命。但是，在长输天然气管道清管作业过程中，清管器发生卡堵现象一直困扰着工程技术人员，尤其是长输管道，距离长，管线周边地区环境条件差，发生卡堵后清管器不能准确定位，导致管道输送停止的问题时有发生，严重情况下危及管道安全，因此对清管器进行准确的跟踪定位是保障清管作业顺利进行的强有力措施，其对于保证长输管道的正常稳定运行、提高输送效率和保障安全生产十分重要。

现有传统常用的清管器跟踪定位方法按其工作原理大致可以分为放射性同位素法、机械法、声学法、压力法和电磁法五类，具体又可以细分为若干种定位方法。以上几种清管器跟踪定位方法，由于管道自身、土壤及外界其他干扰因素的存在，使得清管器的跟踪定位存在各种困难。因此传统常用跟踪方法各有优点但又有各自的局限性，例如跟踪方法复杂、抗干扰能力差、无法全程连续跟踪、需要大量的人力物力保障等。

基于以上分析结果，有必要发明一种具有实时性、能连续采集数据、稳定可靠、使用简便、运行维护成本低的清管器跟踪定位方法。在清管作业时，由于清管器在管道内运行时与管道内壁摩擦以及与管道接口处的焊缝碰撞产生振动信号，此振动信号作用于长输天然气管道沿线同沟敷设通信光纤上，根据应变效应、光弹效应和泊松效应可知，振动信号会使振动位置处光纤内光的相位等参数发生变化，根据此原理并利用长输管道同沟伴随敷设的通信光缆搭建直线型sagnac分布式光纤振动传感系统，实现对管道内作业运行的清管器进行实时在线准确的跟踪定位，有效解决长输管道清管作业过程中发生卡堵后无法准确定位清管器的问题；为此，我们提出一种基于直线型sagnac分布式光纤振动传感的管道清管器定位方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于直线型sagnac分布式光纤振动传感管道清管器定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于直线型sagnac分布式光纤振动传感管道清管器定位方法，具体包括以下步骤，

s1：选择长输管道伴随通信光纤的一芯作为传感光纤；

s2：将选择好的传感光纤按技术方案要求接入清管器跟踪定位系统；

s3：信号解析上位机系统控制数据采集卡实时采集3*3耦合器处的干涉信号数据；

s4：信号解析上位机系统将采集到的干涉信号数据实时进行傅里叶变换，得到信号的频域频谱数据；

s5：对得到的频域频谱数据进行分析，寻找频谱中的多个零频点；

s6：每得到的一个零频点，解析一次振动位置距离传感光纤末端的距离hn，这样可以得到h1，h2，……，hn共计n个距离值，对n个距离值求平均值得到h，作为当前的振动位置与传感光纤末端的距离。

进一步地，所述定位方法中包括系统结构，所述系统结构包括光源、3*3耦合器、延迟光纤、2*1耦合器、传感光纤、1*2耦合器、光电探测器、数据采集卡、信号解析上位机系统。

进一步地，所述光源为特定波长的宽带光源；所述3*3耦合器分别与光源、延迟光纤、光电探测器、2*1耦合器物理光连接，介质为光纤。

进一步地，所述2*1耦合器分别与3*3耦合器、延迟光纤、传感光纤物理光连接，介质为光纤；所述光电探测器为平衡探测器，将探测到的光信号变化转换为电信号的变化，与数据采集卡物理电连接，与3*3耦合器物理光连接，介质为光纤。

进一步地，所述数据采集卡对变化的模拟电信号进行模数转换，高速采集，并将采集数据传输至信号解析上位机系统；所述信号解析上位机系统可以是本地化的pc机，也可以是数据中心的云服务计算系统。

进一步地，所述数据采集卡与信号解析上位机系统之间的数据传输是无线传输或有线传输，所述信号解析上位机系统对采集到的实时数据进行傅里叶变换，将时域数据转换得到其频域的频谱数据。

进一步地，所述信号解析上位机系统对得到的频域频谱数据进行分析，得到有限数量的零频点；所述零频点信息中含有清管器的位置信息。

进一步地，所述信号解析上位机系统使用得到的有限数量的零频点解析出清管器的实时位置；所述传感光纤为油气长输管道同沟敷设的伴随通信光纤中的一芯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用长输油气管道同沟敷设的伴随光纤搭建基于直线型sagnac分布式光纤振动传感系统，实现对管道内作业运行的清管器进行实时在线准确的跟踪定位，有效解决长输管道清管作业过程中发生卡堵后无法准确定位清管器的问题。该长输管道清管器跟踪定位方法具有实时性强、能连续采集数据、稳定可靠、使用简便、运行维护成本低的特点。

附图说明

图1为本发明定位方法流程示意图；

图2为本发明系统结构示意图；

图3为本发明清管器位置信息图形展示示意图。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种基于直线型sagnac分布式光纤振动传感的管道清管器定位方法，具体包括以下步骤，

s1：选择长输管道伴随通信光纤的一芯作为传感光纤；

s2：将选择好的传感光纤按技术方案要求接入清管器跟踪定位系统；

s3：信号解析上位机系统控制数据采集卡实时采集3*3耦合器处的干涉信号数据；

s4：信号解析上位机系统将采集到的干涉信号数据实时进行傅里叶变换，得到信号的频域频谱数据；

s5：对得到的频域频谱数据进行分析，寻找频谱中的多个零频点；

s6：每得到的一个零频点，解析一次振动位置距离传感光纤末端的距离hn，这样可以得到h1，h2，……，hn共计n个距离值，对n个距离值求平均值得到h，作为当前的振动位置与传感光纤末端的距离。

请参阅图2和图3，定位方法中包括系统结构，系统结构包括光源、3*3耦合器、延迟光纤、2*1耦合器、传感光纤、1*2耦合器、光电探测器、数据采集卡、信号解析上位机系统。

光源为特定波长的宽带光源；3*3耦合器分别与光源、延迟光纤、光电探测器、2*1耦合器物理光连接，介质为光纤。

2*1耦合器分别与3*3耦合器、延迟光纤、传感光纤物理光连接，介质为光纤；光电探测器为平衡探测器，将探测到的光信号变化转换为电信号的变化，与数据采集卡物理电连接，与3*3耦合器物理光连接，介质为光纤。

数据采集卡对变化的模拟电信号进行模数转换，高速采集，并将采集数据传输至信号解析上位机系统；信号解析上位机系统可以是本地化的pc机，也可以是数据中心的云服务计算系统。

数据采集卡与信号解析上位机系统之间的数据传输是无线传输或有线传输，信号解析上位机系统对采集到的实时数据进行傅里叶变换，将时域数据转换得到其频域的频谱数据。

信号解析上位机系统对得到的频域频谱数据进行分析，得到有限数量的零频点；零频点信息中含有清管器的位置信息。

信号解析上位机系统使用得到的有限数量的零频点解析出清管器的实时位置；传感光纤为油气长输管道同沟敷设的伴随通信光纤中的一芯。

清管器跟踪定位方法：光源发出连续的光，由3*3耦合器的1端口进入，从耦合器的4端口和6端口分别输出。接着从3*3耦合器的6端口输出光进入2*1耦合器需要经过一段延迟光纤，而从3*3耦合器的4端口输出的光则不需要经过延迟光纤，直接进入2*1耦合器，通过不等长的光纤臂后进入到了2*1耦合器，将两端光汇聚成了一束光，进入到传感光纤。传感光纤末端具有光路返回装置，返回后的光同样要经过2*1耦合器，沿着原来的光路返回，最终在3*3耦合器处发生干涉，光电探测器可以在3*3耦合器的3端口探测到干涉后光信号的变化结果。光电探测器将探测到的光信号变化转换为电信号的变化，由数据采集卡进行a/d转换，将变化模拟电信号转变为数字信号，进行高速采集，采集的信号数据传输至信号解析上位机系统，经过实时傅里叶变换，得到频域频谱数据，对频谱数据进行分析找到零频点，然后用有限数量的零频点解析出振动信号发生的实时位置，即为清管器的实时位置。

其具体原理如下：

直线型sagnac分布式光纤振动传感系统如图1所示，其中有4条光路，分别如下：

光路一：6→延迟光纤→2*1耦合器→1*2耦合器→2*1耦合器→延迟光纤→6

光路二：6→延迟光纤→2*1耦合器→1*2耦合器→2*1耦合器→4

光路三：4→2*1耦合器→1*2耦合器→2*1耦合器→延迟光纤→6

光路四：4→2*1耦合器→1*2耦合器→2*1耦合器→4

以上4条光路中，光路一长度最长，光路二与光路三长度相等，光路四长度最短。

以上4条光路中，只有光路二和光路三满足干涉条件，能够在3*3耦合器处发生干涉；

光电探测器探测到的光信号变化，是的光路二和光路三在3*3耦合器处干涉后的光信号变化；

在光路二和光路三中，当没有振动信号作用于传感光纤时，传输光的相位差为固定值，其干涉结果是光信号保持不变；

在光路二和光路三中，当有振动信号作用于传感光纤时，振动信号会引起振动位置处光信号的相位发生改变，其光信号变化信息及其光相位变化信息中含有振动的位置信息。

将所述的振动引起的光相位变化，做谐波分析，经过傅里叶级数展开，得到多个具有不同幅值、不同频率、不同相位的正弦波的组合，用一个正弦函数表示组合中的任意一个正弦波，其公式如下：

上式中f(t)为振动信号引起的光相位变化，ax为光相位变化经傅里叶级数展开后的第x个正弦波的幅值，ωx为光相位变化经傅里叶级数展开后的第x个正弦波的频率，为光相位变化经傅里叶级数展开后的第x个正弦波的相位，t为传感光纤上振动信号发生所持续的时间长度，n为正整数，为光相位变化经傅里叶级数展开后得到的正弦波数量。

技术方案中延迟光纤长度为s，振动信号发生位置距离传感光纤的首端距离为l，振动信号发生位置距离传感光纤的末端距离为h，则有传感光纤的总长度为l h。

已知量光真空中的传播速度为c，技术方案中使用的光纤折射率为n；

技术方案光路二中，以振动位置为分割点，其前半程光路(6→延迟光纤→2*1耦合器→振动位置)中光的传播时间为

技术方案光路二中，以振动位置为分割点，其后半程光路(振动位置→1*2耦合器→2*1耦合器→4)中光的传播时间为

技术方案光路三中，以振动位置为分割点，其前半程光路(4→2*1耦合器→振动位置)中光的传播时间为

技术方案光路三中，以振动位置为分割点，其后半程光路(振动位置→1*2耦合器→2*1耦合器→延迟光纤→6)中光的传播时间为

由技术方案中的振动引起的光相位变化傅里叶级数展开结果f(t)、光路二中前半程光路中光的传播时间t1、光路二中后半程光路中光的传播时间t2这三个式子，可以得到振动信号引起的光路二中的相位变化表达式为

由技术方案中的振动引起的光相位变化傅里叶级数展开结果f(t)、光路三中前半程光路中光的传播时间t3、光路三中后半程光路中光的传播时间t4这三个式子，可以得到振动信号引起的光路三中的相位变化表达式为

由f1(t)与f2(t)可得技术方案中，光路二与光路三的相位差δf(t)的表达式为

δf(t)＝f1(t)-f2(t)

使用三角函数和差化积公式，并将t1、t2、t3、t4的表达式代入δf(t)表达式中，最终得到的光路二与光路三的相位差δf(t)的表达式为

延迟光纤长度为s为已知量，传感光纤的总长度l h为已知量，当振动信号发生位置距离传感光纤的末端距离h满足即光强为0时候，称该点为零频点，此时振动信号频率f即为所需要的零频点频率，其条件满足关系式

上式中k为正整数，π为圆周率，f为所需要的零频点频率，由此得出振动信号频率f与振动位置距离传感光纤末端的距离h的关系为

因此，当振动信号频率满足零频点条件时，探测到的信号出现极小值，且极小值周期性出现，找到零频点对应的频率值，即可解调出振动位置，实现对振动信号的定位。

理论推导过程：对清管器与管道内壁、焊缝等摩擦、碰撞等原因产生的振动信号引起的光相位变化，做谐波分析，经过傅里叶级数展开，得到多个具有不同幅值、不同频率、不同相位的正弦波的组合，用一个正弦函数表示组合中的任意一个正弦波，其公式如下：

上式中，f(t)为振动引起的光相位变化，ax为光相位变化经傅里叶级数展开后的第x个正弦波的幅值，ωx为光相位变化经傅里叶级数展开后的第x个正弦波的频率，为光相位变化经傅里叶级数展开后的第x个正弦波的相位，t为传感光纤上振动信号发生所持续的时间长度，n为正整数，为光相位变化经傅里叶级数展开后得到的正弦波数量。

技术方案中延迟光纤长度为s，振动信号发生位置距离传感光纤的首端距离为l，振动信号发生位置距离传感光纤的末端距离为h，则有传感光纤的总长度为l h。

已知量光真空中的传播速度为c，技术方案中使用的光纤折射率为n；

技术方案光路二中，以振动位置为分割点，其前半程光路(6→延迟光纤→2*1耦合器→振动位置)中光的传播时间为

技术方案光路二中，以振动位置为分割点，其后半程光路(振动位置→1*2耦合器→2*1耦合器→4)中光的传播时间为

技术方案光路三中，以振动位置为分割点，其前半程光路(4→2*1耦合器→振动位置)中光的传播时间为

技术方案光路三中，以振动位置为分割点，其后半程光路(振动位置→1*2耦合器→2*1耦合器→延迟光纤→6)中光的传播时间为

由技术方案中的振动引起的光相位变化傅里叶级数展开结果f(t)、光路二中前半程光路中光的传播时间t1、光路二中后半程光路中光的传播时间t2这三个式子，可以得到振动信号引起的光路二中的相位变化表达式为

其中，将利用三角函数和差化积公式展开有：

又所以有：

则f1(t)表达如下：

由技术方案中的振动引起的光相位变化傅里叶级数展开结果f(t)、光路三中前半程光路中光的传播时间t3、光路三中后半程光路中光的传播时间t4这三个式子，可以得到振动信号引起的光路三中的相位变化表达式为

同理，将t3、t4表达式代入f2(t)，并利用三角函数和差化积公式展开可得：

由f1(t)与f2(t)可得技术方案中，光路二与光路三的相位差δf(t)的表达式为

δf(t)＝f1(t)-f2(t)

其中，将用三角函数和差化积展开得：

最终得到的光路二与光路三的相位差δf(t)的表达式为

即有

延迟光纤长度s为已知量，传感光纤的总长度l h为已知量，当振动信号发生位置距离传感光纤的末端距离h满足称该点为零频点，此时振动信号频率f即为所需要的零频点频率，其条件满足关系式

上式中k为正整数，π为圆周率，f为所需要的零频点频率，由此得出振动信号频率f与振动位置距离传感光纤末端的距离h的关系为

因此，当振动信号频率满足零频点条件时，探测到的光信号出现极小值，且极小值周期性出现，找到零频点对应的频率值，即可解调出振动位置，实现对振动信号的定位。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。