海底长输气管线泄漏全混合干涉型分布式光纤检测技术研究

围绕浅海环境中水底天然气长输管线泄漏检测及定位问题，提出一种改型的全混合干涉分布式光纤技术用于海底管道泄漏检测的新颖研究方案.可行性与理论模型在前期工作中得到初步验证，研究内容包括：(1)海底管道配重层中气吹敷设光纤的方法，构建Sagnac和Mach-Zehnder的全混合干涉型分布式光纤泄漏检测平台；(2)研究单/多泄漏源定位算法，探讨零点频率分辨率和定位准确度的关系,结合小波变换方法实现零点频率精确识别;(3)研究相位干涉模型,提出用宽带相位产生载波技术解调获得最佳相位干涉信号的方法,研制相应硬件解调电路;(4)海底环境噪声和泄漏信号的统计建模,揭示冲涮、噪声、海温等因素对泄漏信号频谱影响的规律,提出表征目标信号特征的方法;(5)探索干涉相位信号的温度标定方法;(6)湖试基地水下管线进行试验验证与改进。本课题的研究为海底长输管线(检测间距>60 km)泄漏检测提供切实可行的方法和手段.

(1)在实验室搭建了面向水下管道应用的混合干涉分布式光纤系统，采用基于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）和萨格纳克（Sagnac）干涉原理的混合干涉型分布式光纤测量结构，相对于Huang Shih-chu等（2007）提出的结构进行改进，在光源与耦合器DC1 之间加入光环行器（CIR），可避免返回的光进入激光器，对激光器造成损坏；并将光电探测器设置在光环行器的3 端，增强系统对于微弱信号的检测能力。另外采用1x2 耦合器，减少原结构使用2x2 耦合器时造成的一路光信号的额外损耗，简化了系统；.(2)课题组研制了用于解调光纤感测信号的PGC相位生成载波解调电路系统，相位解调硬件电路动态范围能达到60 dB以上。设计并优化位于水下的泄漏信号前处理模块，降低信号解调误差，提高信号处理模块的性噪比；.(3)浅海区域海底噪声干扰经常是非高斯的，噪声信号来源复杂，且具有非高斯的拖尾性(Tail)，传统二阶统计量处理方法在非高斯情况下会出现退化，会损失重要的目标信号信息。课题组采用MEC（椭球模型）对干扰信号建模，采用小波消噪方法、低阶统计量法等提高混合干涉相位信号的信噪比，在波导水下实验室的水下环境中，对实验数据进行处理，该方法具有更好的鲁棒性；.(4)将水下长输管道泄漏信号的零点频率视为奇异信号，采用高斯函数一阶导数作为基函数的小波变换方法实现零点频率的搜寻，设定阈值，当小波变换后的值超过设定阈值便视该点为零点频率，取第一个零点频率来定位泄漏点的位置，结合多项式数据拟合技术，对泄漏信号频谱的首个明显的波谷处进行数据拟合，通过拟合曲线找寻该波谷的最小值点，从而确定泄漏信号的零点频率值点；.(5)本文所设计的混合干涉型分布式光纤水下长输气管道泄漏检测装置，能够对全长为10~20 km测试间距，管道泄漏孔径Φ在2~5mm的水下气管道泄漏进行准确检测，对于泄漏点的绝对定位误差不超过100m。包括：小波去噪零点捕捉、光纤不同包覆材料的响应度测量、固定光纤的不同粘固材料的测量、不同长度的延迟光纤的测量等；.(6)2010 年10 月18 日－11 月14 日，负责人参加国家自然科学基金委2010 年东海科学考察。主要任务对东海油气管道铺设区域水文地质数据进行调查，相关数据对于信号模型改进提供支撑。