技术领域
[0001] 本
发明涉及油气管道光缆敷设技术领域，尤其涉及一种判断油气管道伴行光缆敷设状态的方法及系统。
背景技术
[0002] 现如今光纤通信已成为当前油气管道通信建设的主要方式，目前对光缆
定位的方法主要有两种，一种是利用光缆路由探测仪对进行光缆定位，其原理是利用探测仪中发射机产生特定
频率电磁波，通过不同的发射连接方式将发送
信号传送到地下光缆的金属部件(
铝箔或加强芯)上，地下金属部件感应到电磁波后，在金属部件表面产生感应
电流，感应电流就会沿着金属部件向远处传播，在电流的传播过程中，又会通过该地下金属部件向地面
辐射出电磁波，这样当管线定位仪接收机在地面探测时，就会在光缆正上方的地面接收到电磁波信号，地
下管线探测仪通过接收到的信号强弱变化就能判别光缆的
位置和走向。但缺点是需要将光缆护铠(或加强芯)与探测仪发射机相连，且随着光缆检测信号的衰减，当超出接收机有效检测距离时，需要重新选点安装发射机。当无法在光缆测试桩处安装发射机时，需在光缆检测信号中断处开挖深坑，拔开光缆，露出护铠，安装发射机，继续测试。实施的工作量大，耗时长。对于由于地理环境因素导致检测人员无法步行通过的光缆测试段，只能测量其两端的光缆数据，测量的
精度受到
采样距离间隔的影响。且不能对光缆盘绕点进行判断定位。
[0003] 另一种是利用光纤振动监测系统，也可以实现油气管道伴行光缆的定位，原理是在光缆正上方的地面，进行有规律的敲击，通过探测到的振动信号的强弱变化，可以判别光缆的位置和走向。使用光纤振动监测系统进行标定，虽然不受有效检测距离的限制，可减少人
力物力的投入，但对于人员无法步行到达的区段(如：穿跨越沟渠、河流池塘、穿越公路等)，也只能测量其两端的光缆数据；在遇到定向钻等埋设过深的情况时会出现接收不到振动信号从而无法定位的情况，测量精度同样受到采样距离间隔的影响。通过对振动波影响光缆长度范围的判断，可以对修复后的光缆盘绕点进行定位，但由于距离采样精度和地理环境的限制，存在遗漏的可能。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对
现有技术中无法找出盘绕光缆、不能对定向钻等复杂情况进行定位，以及成本高等问题的
缺陷，提供一种判断油气管道伴行光缆敷设状态的方法及系统，该方法不仅能找出光缆链路中出现盘绕、偏离管道等情况的位置，而且能够对人员无法步行到达的区域进行定位，无遗漏位置。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种判断油气管道伴行光缆敷设状态的方法，该方法包括以下步骤：
[0007] S1、在油气管道沿线铺设伴行光缆，光缆内设有光纤，光纤链路中每隔一定距离设置有探测单元；
[0008] S2、通过探测单元监测油气管道中的
泵启停或
阀门调节产生的
负压振动，监测数据包括各个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间；
[0009] S3、通过对多个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间进行数据拼接，得到整条光纤链路的振动强度信号矩阵；
[0010] S4、对振动强度信号矩阵进行处理，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列，将振动强度信号矩阵中的每个振动强度数值映射到一定数值范围的区间内，绘制成瀑布图；
[0011] S5、对瀑布图进行形态分析，若瀑布图中出现斜率发生突变的位置，判断该位置对应的光纤发生盘绕或偏离管道，根据该位置对应的探测单元，查找光纤链路中出现光纤盘绕或偏离管道的实际位置。
[0012] 进一步地，本发明的步骤S2中探测单元采集负压波振动信号的方法具体为：
[0013] 在一段时间内，对光纤链路中各个探测单元所探测到的振动信号，进行连续空间和时间的信号采样；记
采样频率为FHz，探测单元数量为N，则每秒可采集到一个FHz行×N列的数组；这个数组的横轴记录了连续的空间信息，纵轴记录了连续的时间信息，因此，这个数组包含了泵启停或阀门调节产生的负压波振动信号的全部的连续空间和时间信息；
[0014] 对于每个探测单元采集到的振动信号，令实际探测信号为x(t)，由真实信号f(t)和系统噪声n(t)组成，即：x(t)＝f(t)+n(t)；系统噪声n(t)为光噪声，集中在低频段；因此，通过差分计算的方法，对信号序列进行了时域下的高通滤波，消除低频光噪声n(t)。
[0015] 进一步地，本发明的步骤S2中实际探测信号进行处理的方法为：
[0016] 对于实际探测信号，即连续振动信号x(t)，x(t)为采集到的振幅数值序列；将探测器输出
电信号表示为：
[0017]
[0018] 其中，Ps(t)PL(t)分别为信号光和本征光振幅信号，Δω表示瑞利后向散射光和
本振光的频率差；φ(t)表示瑞利后向散射光的
相位，它包括入侵导致的相位变化，和噪音引起的相位变化；通过将该电信号与频率为Δω的正余弦信号进行混频，提取振幅和相位φ(t)的信息，得到振幅数值序列x(t)。
[0019] 进一步地，本发明的步骤S3中得到振动强度信号矩阵的方法具体为：
[0020] 通过探测单元，按一定频率FHz连续采集一段时长T秒的振动强度信号，即负压波振动信号，每个探测单元得到FT×1的数组；
[0021] 将这列数据按m个数据点划分为一段，计算每段数据的最大值和最小值之差，得到FT/m×1的数组；
[0022] 记探测单元的数量为N，将所有探测单元得到的数组按照位置顺序进行拼接，得到FT/m×N的数组，即一段时长内整条光纤链路的振动强度信号矩阵。
[0023] 进一步地，本发明的步骤S3中得到的振动强度信号矩阵的具体形式为：
[0024] 对于每一个探测单元，采集到的泵启停或阀门调节产生的负压波振动信号表达为：x(t)，即记录了在每一个时间点，其振动信号的强度数值；对于整条光纤链路上的所有探测单元，对应序号1至N，振动强度信号矩阵表达为：|x1(t),x2(t),...,xN(t)|。
[0025] 进一步地，本发明的步骤S4中对振动强度信号矩阵进行处理，得到瀑布图的具体方法为：
[0026] 将采集到的每组负压波的振动强度信号矩阵，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列；横轴的每一个刻度代表一个探测单元，其坐标值代表这个探测单元在光纤链路中的排列位置序号；纵轴的每一个刻度代表m/F秒的时长，纵轴自上往下为时间流动的方向；矩阵中的每个数值即振动信号强度，将这些数值映射到0到255的区间内，绘制成瀑布图。
[0027] 进一步地，本发明的步骤S5的瀑布图中，振动强度信号矩阵形成一条具有一定斜率的直线，其表达形式为：
[0028] 记2个探测单元之间的实际光纤链路长度为L，单位：m，一个探测单元对应的光纤链路长度为Lo，单位：m，负压波沿管道传播的速度为V，单位：m/s，则直线的斜率表达为：
[0029] 进一步地，本发明的步骤S5中判断斜率发生突变的具体方法为：
[0030] 对每个探测单元，计算其所在位置的斜率，得到序列|k1,k2,...,kN|，对这个序列进行差分计算，即：diffk(i)＝ki+1-ki，其中，i的取值范围从1至N-1，得到序列遍历这个序列，找到所有diffk数值小于一定
阈值的对应序号，再将这些序号进行划分，找到每个diffk数值小于一定阈值的连续段的起始序号和结束序号，其对应的即是一段盘绕光纤的起始位置和结束位置的监测单元序号；diffk数值大于一定阈值的点判断为斜率突变点。
[0031] 本发明提供一种判断油气管道伴行光缆敷设状态的系统，该系统包括：
[0032] 伴行光缆，铺设在油气管道沿线，光缆内设有光纤；
[0033] 探测单元，光纤链路中每隔一定距离设置有探测单元，通过探测单元监测油气管道中的泵启停或阀门调节产生的负压振动，监测数据包括各个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间；并将监测数据发送给远程的振动
信号处理单元；
[0034] 振动信号处理单元，通过对多个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间进行数据拼接，得到整条光纤链路的振动强度信号矩阵；对振动强度信号矩阵进行处理，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列，将振动强度信号矩阵中的每个振动强度数值映射到一定数值范围的区间内，绘制成瀑布图；
[0035] 显示单元，对瀑布图进行形态分析，若瀑布图中出现斜率发生突变的位置，判断该位置对应的光纤发生盘绕或偏离管道，根据该位置对应的探测单元，查找光纤链路中出现光纤盘绕或偏离管道的实际位置。
[0036] 本发明产生的有益效果是：本发明的判断油气管道伴行光缆敷设状态的方法及系统，可以利用分布式光纤传感技术连续测量的特点，无需人工到现场进行逐点查找，简单高效。测量精度不受人为采样距离间隔的影响，并且能够测量人员无法步行到达的区域，无遗漏位置。
附图说明
[0037] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0039] 图2是长约为23.23公里，时长30秒的光纤链路振动强度信号矩阵瀑布图。
[0040] 图3是光缆盘绕位置的振动强度信号矩阵瀑布图。
[0041] 图4是光缆偏离管道位置的振动强度信号矩阵瀑布图。
具体实施方式
[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043] 如图1所示，本发明实施例的判断油气管道伴行光缆敷设状态的方法，该方法包括以下步骤：
[0044] S1、在油气管道沿线铺设伴行光缆，光缆内设有光纤，光纤链路中每隔一定距离设置有探测单元；
[0045] S2、通过探测单元监测油气管道中的泵启停或阀门调节产生的负压振动，监测数据包括各个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间；
[0046] 步骤S2中探测单元采集负压波振动信号的方法具体为：
[0047] 在一段时间内，对光纤链路中各个探测单元所探测到的振动信号，进行连续空间和时间的信号采样；记采样频率为FHz，探测单元数量为N，则每秒可采集到一个FHz行×N列的数组；这个数组的横轴记录了连续的空间信息，纵轴记录了连续的时间信息，因此，这个数组包含了泵启停或阀门调节产生的负压波振动信号的全部的连续空间和时间信息；已有的方法无法做到空间和时间的连续数据采样。
[0048] 对于每个探测单元采集到的振动信号，令实际探测信号为x(t)，由真实信号f(t)和系统噪声n(t)组成，即：x(t)＝f(t)+n(t)；系统噪声n(t)为光噪声，集中在低频段；因此，通过差分计算的方法，对信号序列进行了时域下的高通滤波，消除低频光噪声n(t)。
[0049] 实际探测信号进行处理的方法为：
[0050] 对于实际探测信号，即连续振动信号x(t)，x(t)为采集到的振幅数值序列；将探测器输出电信号表示为：
[0051]
[0052] 其中，Ps(t)PL(t)分别为信号光和本征光振幅信号，Δω表示瑞利后向散射光和本振光的频率差；φ(t)表示瑞利后向散射光的相位，它包括入侵导致的相位变化，和噪音引起的相位变化；通过将该电信号与频率为Δω的正余弦信号进行混频，提取振幅和相位φ(t)的信息，得到振幅数值序列x(t)。
[0053] S3、通过对多个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间进行数据拼接，得到整条光纤链路的振动强度信号矩阵；
[0054] 步骤S3中得到振动强度信号矩阵的方法具体为：
[0055] 通过探测单元，按一定频率FHz连续采集一段时长T秒的振动强度信号，即负压波振动信号，每个探测单元得到FT×1的数组；
[0056] 将这列数据按m个数据点划分为一段，计算每段数据的最大值和最小值之差，得到FT/m×1的数组；
[0057] 记探测单元的数量为N，将所有探测单元得到的数组按照位置顺序进行拼接，得到FT/m×N的数组，即一段时长内整条光纤链路的振动强度信号矩阵。
[0058] 得到的振动强度信号矩阵的具体形式为：
[0059] 对于每一个探测单元，采集到的泵启停或阀门调节产生的负压波振动信号表达为：x(t)，即记录了在每一个时间点，其振动信号的强度数值；对于整条光纤链路上的所有探测单元，对应序号1至N，振动强度信号矩阵表达为：|x1(t),x2(t),...,xN(t)|。
[0060] S4、对振动强度信号矩阵进行处理，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列，将振动强度信号矩阵中的每个振动强度数值映射到一定数值范围的区间内，绘制成瀑布图；
[0061] 步骤S4中对振动强度信号矩阵进行处理，得到瀑布图的具体方法为：
[0062] 将采集到的每组负压波的振动强度信号矩阵，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列；横轴的每一个刻度代表一个探测单元，其坐标值代表这个探测单元在光纤链路中的排列位置序号；纵轴的每一个刻度代表m/F秒的时长，纵轴自上往下为时间流动的方向；矩阵中的每个数值即振动信号强度，将这些数值映射到0到255的区间内，绘制成瀑布图。
[0063] S5、对瀑布图进行形态分析，若瀑布图中出现斜率发生突变的位置，判断该位置对应的光纤发生盘绕或偏离管道，根据该位置对应的探测单元，查找光纤链路中出现光纤盘绕或偏离管道的实际位置。
[0064] 步骤S5的瀑布图中，振动强度信号矩阵形成一条具有一定斜率的直线，其表达形式为：
[0065] 记2个探测单元之间的实际光纤链路长度为L，单位：m，一个探测单元对应的光纤链路长度为Lo，单位：m，负压波沿管道传播的速度为V，单位：m/s，则直线的斜率表达为：
[0066] 判断斜率发生突变的具体方法为：
[0067] 对每个探测单元，计算其所在位置的斜率，得到序列|k1,k2,...,kN|，对这个序列进行差分计算，即：diffk(i)＝ki+1-ki，其中，i的取值范围从1至N-1，得到序列遍历这个序列，找到所有diffk数值小于一定阈值的对应序号，再将这些序号进行划分，找到每个diffk数值小于一定阈值的连续段的起始序号和结束序号，其对应的即是一段盘绕光纤的起始位置和结束位置的监测单元序号；diffk数值大于一定阈值的点判断为斜率突变点。
[0068] 如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中：
[0069] 采集光纤探测长度范围内所有的探测单元接收的振动强度信号，每次连续采集一段时长，如：30秒。当采样率为400Hz时，对于每个探测单元，即得到12000×1的数据，将这列数据按每0.02秒(即8个数据点)划分为一段，计算每段的最大值与最小值之差，即得到一列1500×1的数组。记探测单元数量为N，将所有探测单元得到的数组按照位置顺序拼接，则得到一个1500×N的矩阵，即得到一段时间内(30秒)，整条光纤链路的振动强度信号矩阵，将采集到的每组负压波的振动强度信号矩阵(一个1500×N的矩阵)，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列。横轴的每一个刻度代表一个探测单元，其坐标值代表这个探测单元在光纤链路中的排列位置序号。纵轴的每一个刻度代表0.02秒的时长，纵轴自上往下为时间流动的方向。矩阵中的每个数值即振动信号强度，将这些数值映射到0到255的区间内，绘制成瀑布图。从图2的振动强度信号矩阵瀑布图中可以大致估算出，这段管线负压波产生的振动，沿管道的传播速度约为860m/s(每个探测单元对应10米的光纤)。在这个瀑布图中，可以看到一条具有平缓斜率的线条，通过对这条具有斜率的线条进行分析，可以找到光缆链路中出现盘绕或偏离管道的位置。
[0070] 查找光缆链路中光缆盘绕位置的方法如图3所示，在图3中对线条中出现的每个不具有斜率(即横线形态)的部分，进行起点和终点的标记。此做法的原理是：当光纤中出现一段盘绕，则负压波到达这个盘绕区段各个探测单元的时刻是相同的，因此对应的线条形态是一段
水平的直线，而对于正常敷设的位置，负压波到达各个探测单元的时刻存在先后差异，因此对应的线条形态是一段具有一定斜率的直线，因此，在图3中可以找到4段出现盘绕的区域，起点和终点分别为：[405-430]、[955-980]、[1151-1173]、[1402-1560]。
[0071] 查找光缆链路中光缆偏离管道的位置的方法如图4所示，在图4中对线条中出现的每个中断(或
颜色较暗)部分，进行起点和终点的标记。此做法的原理是：负压波产生的振动是沿着管道传播的，当光缆链路偏离管道较远，由于
土壤介质吸收了大部分的振动，所以此段光缆感受到的振动信号会大幅度减弱，因此对应的线条颜色会相对较暗。在图4中，可以找到2段偏离管道的区域，起点和终点分别为：[715-970]、[1620-2323]。
[0072] 综上，采集多组由泵的启停、阀门调节等引起的负压波信号，对每组信号的振动强度矩阵瀑布图分别进行光缆链路中出现盘绕和偏离管道的位置的查找和定位。对多组定位结果进行比对，再取平均值，即可确定光缆链路中出现盘绕和偏离管道的位置。
[0073] 本发明实施例的判断油气管道伴行光缆敷设状态的系统，该系统包括：
[0074] 伴行光缆，铺设在油气管道沿线，光缆内设有光纤；
[0075] 探测单元，光纤链路中每隔一定距离设置有探测单元，通过探测单元监测油气管道中的泵启停或阀门调节产生的负压振动，监测数据包括各个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间；并将监测数据发送给远程的振动信号处理单元；
[0076] 振动信号处理单元，通过对多个探测单元采集到的负压波振动信号及对应的传播时间进行数据拼接，得到整条光纤链路的振动强度信号矩阵；对振动强度信号矩阵进行处理，以距离为横轴，时间为纵轴进行排列，将振动强度信号矩阵中的每个振动强度数值映射到一定数值范围的区间内，绘制成瀑布图；
[0077] 显示单元，对瀑布图进行形态分析，若瀑布图中出现斜率发生突变的位置，判断该位置对应的光纤发生盘绕或偏离管道，根据该位置对应的探测单元，查找光纤链路中出现光纤盘绕或偏离管道的实际位置。
[0078] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
