摘要：泄漏检测是输油管道运输稳定的保障，稳定的管道运输是提高产能的必要条件。光纤传感器是通过光信号采集数据的无源器件，检测光栅周期的改变可以用来监控管道的运行状态[1]。本文基于光纤光栅传感器利用数据处理技术对检测到的管道光纤传感数据进行处理，得到包含特征信号的信噪比高的完整数据；采用基于SVM方法对处理后的传感数据分析，完成管道泄漏检测报警与定位。目前，光纤传感的发展迅速，在长距离管道检测泄漏的优势突出，可以应用到重点检测管段和条件复杂的管道环境中。
关键词：输油管道；泄漏；光纤检测；SVM
1.引言
管道泄漏不仅会造成巨大的经济损失，对周围居民以及工作人员也会带来生命威胁，因此及时发现和定位泄漏点具有重要的现实意义。国内外目前输油管道泄漏检测方法有负压波法、压力梯度法、质量平衡法和实时模型等。负压波管道泄漏检测法，利用管道泄漏所产生的对管道内壁的压力变化来判断泄漏和定位，但由于应力波衰减较不适用于长距离输油管道；质量平衡法受到传感器精度的限制，且仅应用质量平衡法无法对泄漏点有效定位；超声波、漏磁技术的管内探测法可以采集管壁信息，对管壁情况进行分析和判断，但该方法不能对管道进行实时监测[2]。以上这些方法主要通过检测管道内压力、流量、温度等参数的变化来判断是否发生管道泄漏，这类测试方法容易受到流体特性、输送工艺以及测量仪器的灵敏度和测试精度等因素的影响，因此对管道微小泄漏检测灵敏度较低。本文以管道泄漏检测为研究对象，引入光纤传感[3]，搭建管道泄漏光纤检测系统，通过对监测信号的处理和分析，实现对输油管道泄漏的实时监测判断。
2.管道泄漏光纤检测系统原理
2.1 光纤传输原理
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图1 光纤结构示意图
如图1所示，光纤是由多层透明介质组成的，组成包括纤芯、包层和保护层。纤芯是具有很好传输特性的材料制作而成，纤芯位于光纤的中心部位，适当降低包层对光的折射率，使得里面内层的折射率略高于外面外层的折射率。光在传输的过程中，由于光纤内外层的折射率使得只在纤芯内传输，保证了光信号的全反射，使信号传输全程封闭，因此信号衰减小。
光纤光栅[4]是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在制作光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
2.2 管道泄漏光纤检测原理
根据光纤自身的特性理论可得，当光射入光纤后，光纤中折射率周期特性使得满足要求的如式(1)所示波长的光返回，其他波段的光将透射。光纤光栅其反射光的中心波长与光纤光栅的纤芯有效折射率和光栅周期满足如下的关系：
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(1)
由上式可知，光纤光栅的反射中心波长，与光纤光栅周期和纤芯折射率存在关系，所以当被测量使光纤光栅感受到的温度和应力改变时，光信号中满足光栅周期要求的反射波中心波长移动。通过分析光纤光栅反射的中心波长的变化来判断外界信号的变化情况。
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图2 光纤光栅传感原理图
光纤光栅传感器感应环境对传感器的作用对光纤光栅周期和纤芯折射率产生影响，光纤光栅的中心反射波长发生变化[5]。根据此信息可以获得传感器的物理信息，通过解耦或者其他的数据处理方法，即可对相应的物理参数进行测量。
图3 管道泄漏光纤检测原理图
如图3所示，管道发生泄漏的时候，管道内压力将发生变化，光纤光栅传感器的光栅周期和纤芯折射率也会发生变化， 引起FBG1、FBG2的反射波变化。管道通过检测光纤光栅传感器的中心波长，判断管道所处的运行情况。
如果管道正常运行，则传输光纤中的光信号经过光纤光栅的反射光中心波长不发生漂移，如果管道发生泄漏，传感光纤的光纤光栅受到外部应力作用，使得中心波长发生漂移，因此利用光纤光栅特性可以检测管道运行状态。
3．管道泄漏光纤检测系统
当油品输送发生异常，检测光波信号在光纤中光纤光栅特性改变，引发反射光中心波长发生变化，检测反射光的波形，提取中心波长等特征量，处理后进行分析检测泄漏。所以管道泄漏光纤检测系统通常由光源、传感光纤、自制光纤光栅传感器、信号处理解调装置、电脑终端组成。光源发生器需要提供稳定的宽带工作波，为光纤检测提供初始光源。光纤用法兰链接传感光纤和光纤光栅传感器，使得光源的光信号送入调制器，使待测参数与进入调制作用区的光相互作用后，中心波长发生变化，通过光纤信号解调仪对采集到的秒级调制信号源进行解调，获得被测参数与传输光纤的中心波长，将其转换为标准统一的参数数据，将传感器中的数据处理后进行相关分析算法检测。
组成上述管道泄漏光纤检测系统研究需要众多设备，用来实现光纤和传感器的制备，温度的检测，光信号的采集和特征提取，数据处理与分析等一系列功能。其中光纤切割刀、光纤熔接机设备主要用于光纤的制作和熔接。光谱分析仪、光栅传感分析仪主要用于观测光纤特性。宽带光源、光栅传感分析仪主要用于管道泄漏检测测试。由上述设备组成管道泄漏光纤检测系统。设备工作环境温度工作温度为-30~65°C，湿度15~70%，光纤接头FP---FC/PC或者FA---FC/APC，支持的通讯协议TCP/IP、SNMP/V2、Modbus、485，采样频率范围1~3000Hz，根据采样需求自己进行设置和调节。选定上述性能参数构建了整体的工作环境。依据上述的原理和设备以及环境参数，搭建管道泄漏光纤检测的系统平台进行实验。
4.系统功能设计与开发
管道泄漏光纤检测系统从功能上来说需要满足以下功能需求：
(1)光源信号输出：根据不同的工程需要提供宽带工作波，为光纤检测提供初始光源；
(2)光纤光栅传感器：完成管道内的压力信号到光信号的转换工作，连接光源和解调设备的中间器件；
(3)光信号的采集与解调：光纤光栅传感器与解调仪相连，完成光信号的采集，和简单的处理；
(4)传感数据处理：针对传感器中的数据峰值特征信号提取、包含噪声干扰信号、数据缺失等问题进行数据处理，得到较为理想的包含特征量的优秀信号；
(5)数据分析泄漏检测和报警算法研究：对处理好的信号数据进行分析，设计管道光纤检测的泄漏检测方法；
5.管道光纤检测的传感数据处理
光源发出的光信号进过光纤光栅反射后部分带宽的光信号被接收进而进行处理，这部分信号包含管道运行状态的信号特征。而反射光谱信号变化形式复杂，变化不一，光谱的峰谷个数，功率幅值都有变化。常用的分析手段为时频转换、光干涉等研究方法进行详细分析，或者检测中心波长峰值移动。本文采用中心波长峰值漂移方法进行检测。
峰值从定义上理解即为高于周围值的极值，因此，采用一阶前向差分方法来判断和提取信号中峰值，公式如下：
(2)
其中，是两个时刻光纤光栅波长峰值的差，当不为零且小于零时，应该属于峰谷值。当＜0，＞0时为峰值，当＞0，＜0时为谷值。
上述的光波寻峰方法极值点过多，无法准确区分规定尺度区间的波形峰值。因此，将其改型为：
(3)
len为尺度区间的长度，
基于尺度峰值检测[6]，通过不断的增加处理区间，然后选择极值，再放大处理区间，进行峰值寻求的方式有效的解决了不同峰值检测方法中局部峰值过多，极值没有代表性的问题。经过自适应尺度峰值检测与提取后的数据峰值尺度长度可以满足需要，正确表示曲线特性。采用自适应尺度峰值检测与提取后的光纤光栅反射光波的光谱峰值寻找曲线通过基于尺度峰值检测后寻找峰值。通过在解调仪的数字公式编辑处，加入该算法公式，使得其更准确的寻找出反射波中光谱的峰值，如图中可以描述反射光谱的特性变量有很多，直观上功率，波长为坐标，峰值、谷值也是特性，面积、峰谷间隔等都有探究价值。本文采用最经典的峰值作为特性，使得反射光谱最高峰的中心波长能被实时检测，进而完成对整个反射光特性的检测。
6. 泄漏检测与定位方法
管道泄漏定位技术是管道泄漏检测关键技术之一，在对管道光纤检测的传感数据进行处理时，由于检测时解调仪设备限制，寻峰准确度有限，因而可设计自适应尺度峰值检测与提取方法。检测时环境的干扰和解调时硬件的限制，存在信号干扰与波动。采用小波进行滤波处理。检测和传输数据时可能存在数据丢失，因而采用插值方法对模拟数据丢失问题进行补救。通过对传感数据的处理，得到更优质的信号作为管道光纤检测传感数据分析的基础。管道泄漏检测可视为两模式分类问题，两类模式分别为正常运行和发生泄漏。采用基于SVM方法对管道光纤检测的传感数据分析，根据传感器数据构建训练集和测试集。利用SVM方法训练后，输入实时运行数据，根据输出结果判断管道运行状态，即泄漏是否发生。当管道泄漏时，判断故障时各个传感器数据所属的性质，来确定异常点出现在哪个传感器附近，进一步分析该段管线的数据，进行精确定位。
7. 结论
光纤传感器是通过光信号采集数据的无源器件，不会产生电流电磁信号。因此，本质上具有安全性，不会有电火花产生，抗电磁干扰的能力突出，由于材料属性的关系，还具有耐高压，耐腐蚀，在易燃易爆等恶劣情况下能够稳定安全的使用的优势
管道泄漏光纤检测中，光纤传感器的复用性十分突出，光纤传感复用领域大体上分为波分复用，时分复用，空分复用。通过将传感器串/并联实现波分复用，通过时间标签采集不同传感器的值实现复用，构建传感阵列构成空分复用，更好的构成大传感网络；另外，光纤由于其全内反射的特性传输损耗小，更有利于远距离的测量和监控[7]。本文基于光纤光栅传感器利用数据处理技术得到包含特征信号的信噪比高的完整数据，通过对管道光纤检测传感数据分析方法研究，完成管道泄漏检测报警与定位，具有不错的经济利益和社会效益。
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