光纖管線監測系統及使用其的方法

專利名稱：光纖管線監測系統及使用其的方法
技術領域：
本發明總體上涉及管線監測領域，更具體地，涉及用于使用光纖來監測管線的改進系統和方法。
背景技術：
光纖感測系統已經用于大量應用中，包括邊界安全、聲學感測和泄漏檢測。常規光 纖感測系統的示例包括(I)基于模干涉的系統；(2)基于時間相關的馬赫-澤德干涉儀的系統；及(3)基于相干瑞利反向散射的系統。這些常規系統中的每一個都遭受到某些缺陷。例如，基于模態干擾的系統提供極為有限的與事件有關的信息，諸如事件的位置和/或時間。此外，此類系統難以區分多個同時的事件。基于時間相關的馬赫-澤德干涉儀的系統難以辨別連續的事件(例如，管道泄漏)。基于相干瑞利反向散射的系統遭受到高詢問器成本和有限的靈敏度的問題。此外，這些常規系統中的某一些利用了位于整個陣列中的光子學箱(photonics boxes)，其需要本地提供的電力，從而使得此類系統對于遠距離應用是不切實際的。因此，需要并且期望提供用于管線監測的改進的光學檢測系統。

發明內容
為了滿足這個及其他需要，鑒于其目的，根據示例性實施例，本發明提供了一種用于監測管線的光學檢測系統。該光學檢測系統鄰近或遠離待監測的管線。光學檢測系統包括主節點，該主節點包括(a)用于產生光信號的光源，以及(b)光接收器。光學檢測系統還包括位于管線本地的多個光纖傳感器，用于將振動能量轉換為光強度信息，每一個光纖傳感器包括(1)配置為感測振動能量的至少一段光纖；(2)位于所述至少一段光纖的一端的反射器；以及(3)現場節點，用于接收來自所述主節點的光信號，所述現場節點沿著所述至少一段光纖發送光信號，所述現場節點接收從所述至少一段光纖返回的光信號，并且所述現場節點將光信號發送到所述主節點的光接收器。根據本發明的另一個示例性實施例，提供了另一種用于監測管線的光學檢測系統。光學檢測系統包括鄰近或遠離待監測的管線的主節點。主節點包括用于產生光信號的光源、光接收器、以及位于待監測的管線本地的光纖感測電纜。光纖感測電纜包括至少一個感測區域，所述至少一個感測區域由光纖感測電纜的一對光纖Bragg光柵限界。根據本發明的另一個示例性實施例，提供了一種操作用于監測管線的光學檢測系統的方法。所述方法包括步驟(a)在存儲器中存儲與要使用光學檢測系統監測的管線有關的事件的多個預定特性；(b)將從監測管線的光學檢測系統獲得的檢測特性與存儲在存儲器中的所述多個預定特性進行比較；以及(C)確定在所述檢測特性與存儲在存儲器中的所述多個預定特性中的至少一個之間是否存在可接受級別的匹配。應理解，本發明的前述的一般性描述及以下的詳細描述都是示例性的，而非限制性的。


結合附圖閱讀以下詳細說明會最好地理解本發明。應強調的是，按照一般慣例，附圖的許多特征不是按照比例的。相反，為了清楚，任意地放大或縮小了多個特征的尺寸。包含在附圖中的是以下圖圖IA是示出根據本發明的示例性實施例的光學檢測系統的方框圖；圖IB是示出根據本發明的示例性實施例的、與管線監測系統結合使用的圖IA的光學檢測系統的方框圖；圖2是根據本發明的示例性實施例的光學檢測系統的主節點的方框圖；圖3是根據本發明的示例性實施例的光學檢測系統的第一現場節點的方框圖；圖4是根據本發明的示例性實施例的光學檢測系統的中間現場節點的方框圖；圖5是根據本發明的示例性實施例的光學檢測系統的最終現場節點的方框圖；圖6是示出根據本發明的示例性實施例的用于管線監測的光學檢測系統的方框圖；圖7A-7B是示出根據本發明的另一示例性實施例的用于管線監測的另一光學檢測系統的方框圖；以及圖8是根據本發明的示例性實施例的操作用于管線監測的光學檢測系統的方法的流程圖。
具體實施例方式為了實現與待監測的管線有關的事件的檢測和分類，期望獲得干擾(例如，機械振動、聲學振動、沖擊、侵入等)的聞逼真度的電子表不。根據本發明的某些不例性實施例，提供了用于監測管線的光學檢測系統，其利用具有高線性和動態范圍的干涉儀(例如，某些線性化的Sagnac干涉儀)。光學檢測系統還可以包括低噪聲、低失真的光接收器。在本發明的某些更特定的示例性實施例中，提供利用集成傳感器陣列的光學檢測系統(例如，包括劃分為多個感測區域的感測電纜，其可以設置為包括一系列線性化的Sagnac干涉儀)，用于監測管線。此類光學檢測系統可以包括具有詢問子系統的主節點和信號處理器。
現在參考附圖，其中，相似的附圖標記在包括附圖的全部各圖中指代相似的元素，圖IA示出光學檢測系統10。光學檢測系統10包括多個光纜(S卩，光學感測電纜)400a、400b、……、400n (可以將其稱為換能器)，配置在分離的感測區域450、455、460、……、499中。光學檢測系統10還包括多個現場節點，包括第一現場節點300 ;中間現場節點500a、500b等；及最終現場節點600。光學檢測系統10還包括引線電纜200 (例如，用于來自每一個區域的探針和返回信號的遙測的引線電纜，這樣的引線電纜的長度是依賴于應用的，示例性的引線電纜的長度在幾米到幾千米數量級)、主節點100和信號處理器700。在圖IA所示的示例中，光學檢測系統10包括單個主節點100和單個第一現場節點300。取決于光學檢測系統10的確切結構(例如，感測區域的數量，覆蓋每一個感測區域的電纜的長度等)，可以有多個主節點、第一現場節點等，如在給定應用中所期望的。圖IA中示出的結構的示例性操作可以總結如下。主節點100(其結合信號處理器700工作)產生光信號，并沿著引線電纜200將信號發送到第一現場節點300 (例如，在此可以選擇包括引線電纜200的光學檢測系統的元件和結構，以使得引線電纜對振動的靈敏度最小)。如以下將詳述的，通過第一現場節點300并沿著光學感測電纜400a發送來自主節點100的部分光信號(打算用于監測感測區域450)，在到達中間現場節點500a后，反射回來，在此，反射信號沿著光學感測電纜400a返回，并最終返回主節點100和信號處理器700進行處理。通過第一現場節點300并沿著光學感測電纜400a發送來自主節點100的另一部分光信號(打算用于監測感測區域455)，通過中間現場節點500a，沿著光學感測電纜400b，并在到達中間現場節點500b后反射回來，在此，反射信號沿著光學感測電纜400b、400a返回，并且信號最終返回到主節點100和信號處理器700進行處理。對于每一個隨后的感測區域都發生類似的過程。如圖IA中明顯的，可以設想任何數量的期望的隨后感測區域(如 在區域460與499之間的虛線所表示的)，最終感測區域499終止于最終現場節點600。圖IB示出用于感測沿管線155的干擾(例如，泄漏、損害事件等)的光學檢測系統10，其中每一個感測區域450、455、460……499都對應于給定長度的管線155。光學感測電纜400a、400b、400c……400n固定于管線155 ;然而，光學檢測電纜也可以設置為接近管線155而無需固定到其上。在圖IB中，主節點100和信號處理器700安裝在控制室150或者其他所期望的環境中(例如，遙遠而穩定的環境)。如同圖IA中的一樣,光纖引線電纜200從主節點100延伸到第一現場節點300。現在描述示例性光學檢測系統10的元件的細節。參照圖2，主節點100包括外殼112中的一個或多個光源110 (例如,諸如超福射發光二極管、邊緣發射發光二極管、其他發光二極管源之類的LED源，激光器等)。根據本發明的示例性實施例，光源110可以是以連續波(CW)模式工作的寬帶光源。光源110由源控制電路111控制。在當前描述的示例性實施例中(相對于四個感測區域而描述并示出的)，經由光纜120將光源110連接到標記為光率禹合器130的I X4分光器(諸如I X4或4X4光纖稱合器或者集成分光器)。光稱合器130將來自光源110的光強度度輸出分為沿著各自光纖140a、140b、140c和140d的四個信號(例如四個基本上等強度的信號)，它們輸出到相應的光環行器150a、150b、150c和150d各自的輸入端(例如，相同的光環行器150a、150b、150c和150d)。沿著光纖引線電纜200中的每一條光纖160、161、162、163從各自的一個光環行器150a、150b、150c和150d提供輸出信號。如以上所提供的，根據本發明的某些示例性實施例，利用了線性化的Sagnac干涉儀。如本領域技術人員將意識到的，為了提供線性化的Sagnac干涉儀，修改(例如，折疊)了傳統的環形結構Sagnac干涉儀(例如，通常用于感測旋轉)的架構，以允許例如，通過結合1X2光纖耦合器來測量沿非環形結構的光纖的相位擾動。再次參照圖2 (和圖3)，來自主節點100的光輸出沿引線電纜200中的每一條光纖160、161、162和163行進，引線電纜200連接到第一現場節點300。第一現場節點300包括容納一系列組件的外殼310。
在圖3中，光纖160連接到光環行器320的輸入/輸出引線315。光環行器320的引線317連接到光耦合器330 (例如，3X3光纖耦合器)的引線322。光環行器320的引線319連接到光耦合器330的引線324。光耦合器330的引線332連接到延遲線圈340的引線335。光纖延遲線圈340的長度例如至少是光學感測電纜400a中光纖380的區域450長度的兩倍，其中為了最大的靈敏度，包括“展開的”感測光纖380的感測環路(例如，從3X3耦合器的一個輸出支路到另一個的)的中點在外殼310內。延遲線圈340的引線341連接到光耦合器360 (例如，2X2光纖耦合器360)的引線342。光耦合器330的引線334連接到消偏器350的引線。光耦合器330的引線326打結和/或末端擠壓，以使得反射回光耦合器330中的光最少。類似地，光耦合器330的引線336打結和/或末端擠壓，以使得反射回光耦合器330中的光最少。
消偏器350顯著地減小了偏振引起的信號衰落，從而允許將廉價的單模光纖用于全部光組件和電纜光纖，而不是昂貴的保偏光纖。消偏器350可以是幾種市場上可以買到的消偏器之一，諸如再循環耦合器(單級或多級)或者Lyot消偏器。消偏器350的引線352連接到光耦合器360的引線366。光耦合器360的引線362連接到光學感測電纜400a中的光纖380。光I禹合器360的引線364打結和/或末端擠壓，以使得反射回光I禹合器360中的光最少。盡管用于光稱合器360的一個不例是2X2光纖稱合器,但光稱合器360并不局限于該實施例。例如，可以使用1X2光纖耦合器來代替2X2光纖耦合器360，從而避免第二輸出引線364的打結。引線電纜200中的光纖161、162和163分別連接到現場節點300中的光纖370、372和374。這些是通過(pass-through)光纖,在第一現場節點300中不主動地使用，而是連同其它節點中的感測來使用。光纖370、372和374分別連接到光學感測電纜400a中的光纖382、384和386。光學感測電纜400a中的光纖380用于在區域450內進行感測。光學感測電纜400a中的光纖380 (其已經用于在區域450中進行感測)附接到中間現場節點500a中的光纖580 (見圖4)。光纖580連接到反射器581 (例如，寬帶反射器581 )。沿著感測電纜400a的干擾造成光纖380長度的小變化。這些變化導致通過Sagnac干涉儀行進的光的相位的非往復的變化。現在提供在圖3 (部分在圖4中)中示出的第一現場節點300的示例性操作。光信號(即，從主節點100進入第一現場節點300的光)沿光纖160傳播到引線315，并進入光環行器320的端口 2，隨后通過引線317離開光環行器320的端口 3，并且隨后沿引線322(一段光纖)傳播到光稱合器330。光稱合器330將光分為沿兩條反向傳播路徑的光信號所分開的光的第一路徑從引線332沿引線335延伸到延遲線圈340，隨后從引線341通過引線342延伸到光耦合器360 ;所分開的光的第二路徑從引線334通過引線354延伸到消偏器350，隨后從引線352通過引線366延伸到光耦合器360。這樣，將沿第一路徑的光相對于沿第二路徑的光延遲近似正比于延遲線圈340長度的時間。兩個反向傳播的光信號在光耦合器360重組，重組的光信號沿引線362離開光耦合器360，隨后沿光學感測電纜400a的光纖380 (用于在區域450中進行感測)行進。重組的光信號進入光纖380上的現場節點500a，并沿引線580傳播到反射器581，隨后沿光纖380反射回第一現場節點300。光耦合器360將這一反射信號分為兩個光信號，其中每一個光信號均沿反向傳播路徑行進，并在光耦合器330相干地重組。光信號在光耦合器330重組的結果是重組的光具有與來自沿光學感測電纜400a中光纖380的初始干擾的相位擾動成比例的強度輸出。這一光信號(具有可變強度)從光耦合器330沿引線324 (即光纖324)輸出，隨后沿引線319進入光環形器320的端口 I中。這一光信號從光環行器320的端口 I傳播到端口 2，隨后沿引線315傳播到引線電纜200的光纖160。沿引線電纜200的光纖160將信號發送到主節點100的詢問器。現在參照圖4，光學感測電纜400a中的光纖384和386分別連接到中間現場節點500a中的光纖570、572。這些是通過光纖，在中間現場節點500a中不主動使用，而是連同在其它節點中的感測來使用。光纖570、572分別連接到光學感測電纜400b中的光纖584、586。光學感測電纜400b中的光纖582用于在區域455中進行感測。光纖382從光學感測電纜400a連接到光環形器520的輸入/輸出引線515。光環形器520的引線517連接到光耦合器530 (例如，3X 3光纖耦合器530)的引線522。光環形器520的引線519連接到光耦合器530的引線524。
光耦合器530的引線532連接到延遲線圈540的引線535。光纖延遲線圈540的長度例如是光纖感測電纜400b中的光纖582的區域455的長度的至少兩倍，其中為了最大的靈敏度，包括“展開的”感測光纖582在內，感測環路(例如，從3X3耦合器的一個輸出支路到另一個)的中點在外殼510內。延遲線圈540的引線541連接到光耦合器560 (例如，2X2的光纖耦合器560)的引線542。光耦合器530的引線534連接到消偏器550的引線554。光耦合器530的引線526打結和/或末端擠壓，以使得反射回光耦合器530中的光最少。類似地，光耦合器530的引線536打結和/或末端擠壓，以使得反射回光稱合器530中的光最少。消偏器550的引線552連接到光耦合器560的引線566。光耦合器560的引線562連接到光學感測電纜400b中的光纖582。光I禹合器560的引線564打結和/或末端擠壓，以使得反射回光I禹合器560中的光最少。盡管不例性的光稱合器560是2X2光纖稱合器,但光稱合器560并不限于該實施例。例如，可以使用1X2光纖耦合器來代替2X2光纖耦合器560，從而避免引線564的打結。現在提供圖4中所示的現場節點500a的示例性操作。光信號(即，從主節點100進入現場節點500a的光)沿光纖382傳播到引線515，并進入光環形器520的端口 2，隨后通過引線517離開光環形器520的端口 3，隨后沿引線522 (—段光纖)傳播到光耦合器530。光耦合器530將光分為沿兩條反向傳播路徑的光信號所分開的光的第一路徑從引線532沿引線535延伸到延遲線圈540，隨后從引線541通過引線542延伸到光耦合器560 ;所分開的光的第二路徑從引線534通過引線554延伸到消偏器550，隨后從引線552通過引線566延伸到光耦合器560。這樣，沿第一路徑的光相對于沿第二路徑的光延遲近似正比于延遲線圈540長度的時間。兩個反向傳播的光信號在光耦合器560重組，重組的光信號沿引線562離開光耦合器560，隨后沿光學感測電纜400b的光纖582(用于在區域455中進行感測)行進。重組的光信號進入光纖582上的現場節點500b (見圖1A-1G)，并沿光纖582反射回(使用現場節點500b中的反射器，其類似于現場節點500a中的反射器581)現場節點500a。光耦合器560將這一反射信號分為兩個光信號，其中每一個光信號均沿反向傳播路徑行進，并在光耦合器530相干地重組。光信號在光耦合器530重組的結果是重組的光具有與來自沿光學感測電纜400b中光纖582的初始干擾的相位擾動成比例的強度輸出。這一光信號(具有可變強度)從光耦合器530沿引線524 (即光纖524)輸出，隨后沿引線519進入光環形器520的端口 I中。這一光信號從光環行器520的端口 I傳播到端口 2，隨后沿引線515到光纖382(并通過光纖370)，到引線電纜200的光纖161。沿引線電纜200的光纖161將信號發送到主節點100的詢問器。按照所期望的，重復現場節點500a、500b等與光學感測電纜400a、400b等的模式，并利用電纜內可用數量的光纖。可以使用這個模塊化方案設想其它系統級布局技術(例如，支路、雙向/冗余等)。每一個光學感測電纜400a、400b等均可以用于提供聲學上獨立的感測區域。圖5示出最終現場節點600，其包括用于容納最終光學感測電纜400n的外殼610。光學感測電纜400n包括連接到反射器681 (例如 ，寬帶反射器681)的光纖680。返回來參照圖2，在耦合器330或530等處從相位信號轉換為強度信號之后，與每一區域內的相位擾動(例如，起因于感測到的機械或聲學振動)成比例的光強度度信號通過光纖160、161、162和163，隨后通過環形器150a、150b、150c和150d返回到主節點100 (可以將其設想為詢問器)。環形器150a、150b、150c和150d配置為允許信號從光纖160通過，到達光纖174、信號從光纖161通過，到達光纖173、信號從光纖162通過，到達光纖172、以及信號從光纖163通過，到達光纖171。然而，環形器150a、150b、150c和150d防止光從光纖160或光纖174到光纖140a ;從光纖161或光纖173到光纖140b ;從光纖162或光纖172到光纖140c ;以及從光纖163或光纖171到光纖140d等的通過。在光電檢測器175處將來自光纖174的光轉換為電流信號。類似地，在光電檢測器176處將來自光纖173的光轉換為電流信號、在光電檢測器177處將來自光纖172的光轉換為電流信號、以及在光電檢測器178處將來自光纖171的光轉換為電流信號。由光電檢測器175、176、177和178轉換的電信號可以是極低噪聲的信號，具有小于約0. 5nA的暗電流。隨后使用互阻抗放大器180 (例如，極低失真(小于_90dB)、高增益帶寬(在500-2000MHz 數量級)，且噪聲小于 InV/ V Hz(諸如 Analog Devices, Inc 生產的 AD8099 型)的放大器)來放大光電檢測器175、176、177和178的輸出。每一個互阻抗放大器180之后可以是多級的進一步放大，如同本領域技術人員已知的。使用濾波器181對放大器180的電輸出進行濾波。使用高質量光電檢測器、放大器和濾波器會有利地產生具有高保真度的信號，其保真度足以進行檢測事件的魯棒分類和無誤警的警報產生(或者基于機械/聲學振動的其它指示)所期望的高級信號處理。從濾波器181輸出的信號由A/D轉換器(ADC)182采樣。來自ADC 182的所采樣的電信號由一個或多個現場可編程門陣列(FPGA) 184接收。可以將FPGA 184配置為執行高速信號預處理。這樣的FPGA 184通常用于執行來自每一個區域的采樣數據的濾波和快速傅立葉變換(FFT)，以確定沿每一個區域的干擾的瞬時譜。如圖2所示，由微處理器186執行進一步的處理。利用接口芯片188來實現與外部安全系統處理器及其它外圍設備的通信。接口芯片188例如可以是RS-232接口芯片或者USB收發器。示例性的信號處理順序如下實現。從每一個感測區域(例如，區域450、區域455、區域460等)，ADC 182對一組數據樣本(例如,每秒8192個樣本的示例性速率)進行數字化。在這個示例中，FPGA 184執行8192個樣本FFT以產生頻譜，該頻譜輸出到微處理器186。微處理器186將從FPGA184輸出的頻譜分組到數據窗口中(例如，以0. 25秒的數量級)。
在這樣的示例中，由在已知事件的引入期間產生的處理信號來創建一系列的頻譜屏蔽(在此，可以根據應用來配置這些事件)。在管線檢測應用中，這樣的事件可以是惡意/警報事件，諸如對一部分管線鉆孔、切割一部分管線、從一部分管線的流體泄漏等。例如，可以以數據庫、查詢表或者其它數據存儲技術保存在這些事件期間由FPGA 184產生的頻譜。進一步修改這些頻譜屏蔽中的每一個，以創建動態信號閾值。將每一個數據窗口內接收數據的頻譜與信號閾值相比較。建立連續性要求，其要求每“n”個相連的時間窗口有“m”個頻譜超過頻譜屏蔽，當為真時，將其報告為警報條件。連續性的使用有助于使起因于高能量的瞬時(非警報)事件的誤警報減到最少。不斷更新動態閾值，其中通過對環境區中的所有區的公共頻帶的值求和，來為頻譜內的每一個頻帶計算單一值(在此，環境區是由用戶人為分組的一組真實感測區域)。在用戶定義的時間間隔上對這些值積分。這一動態閾值用于補償影響多個區域的非瞬時的環境作用(例如，幾秒到幾小時數量級持續的)，諸如下雨、冰雹、公路交通、火車等。動態閾值積分的這個時間間隔越短，動態閾值改變就越快。這個時間間隔越長，動態閾值響應衰減得越多。另外，也可以限制任何一個瞬時頻譜能夠偏置動態閾值的量，以避免單一事件(諸如來自墜落的樹枝的影響)對閾值具有過度的影響。 可以通過利用多路復用器、開關或其他適當的機構1000組合并辨別從主節點100中的濾波器181到放大器或線路驅動器1011的電輸出，以提供用戶所需的任何區域的音頻輸出。通過使用戶能夠在產生警報時聽到檢測到的事件而提供音頻輸出增強了光學檢測系統10的功能。圖1A-1B中所示的光學檢測系統10涉及線性化的Sagnac型架構；然而，本發明并不限于這個架構。可替換的架構的示例是諸如圖6中所示的時分復用(TDM)系統光學架構，和諸如圖7A-7B中所示的Michelsen光學架構。具體參照圖6，提供配置為無限脈沖響應干涉儀陣列的光學檢測系統1010，用于監測管線1155。結合圖6描述的各個元件的功能類似于以上結合圖1A-1B描述的那些。控制室1150包括主節點1100 (包括詢問器)和信號處理器1700。主節點1100使用引線電纜1200連接到光學感測電纜1400，在此光學感測電纜1400沿管線1155延伸。光學感測電纜1400包含一系列干涉儀(例如，Fabry-Perot干涉儀)，它們均是光學感測電纜1400的光纖的一段。段(其也可以稱為感測區域)的示例性長度在25-1000米之間。干涉儀由一對光纖Bragg光柵(FBG)限界。更具體地，段1400a由FBG 1410a、1410b限界。類似地，段1400b由FBG 1410c、1410d限界，如此等等，直到最終段終止于FBG 1410no根據本發明的示例性實施例，每一個FBG (例如，1410a、1410b、1410c、1410d、1410n)是對光纖的晶體結構的周期性擾動。這種擾動可以由使用激光束的干涉圖而產生，如同本領域技術人員公知的。示例性的FBG具有百分之一數量級的峰值反射，并具有約4-6nm的頻譜寬度(最大值一半的總寬或者FWHM)。示例性FBG的中心波長取決于系統中使用的多路復用的類型。詢問器(主節點1100中的)的目的在于照亮干涉儀陣列(例如，用極窄的譜線寬度的光，例如，在0. I-IOkHz數量級FWHM)，并提供與到每一個干涉儀的聲學輸入成比例的電輸出。包括光源的這樣的詢問器的示例是低相位噪聲激光器，諸如外腔式激光器或光纖激光器。將相位信號施加到光上(例如，相位調制的光信號)，該光也是脈沖化的，具有等于在相鄰FBG之間光通過的時間的兩倍的脈沖寬度。將脈沖發送到包括干涉儀的線性傳感器陣列，在此每一個FBG都將小百分比的光反射回主節點1100中的詢問器。更具體地，干涉儀(例如，由一對FBG光柵限界的光纖段)感測聲學和/或機械振動(例如，從損壞或鄰近管線1155的人發出)，在從線性傳感器陣列返回到主節點1100后，解調(例如，下變頻)相位信號(例如，已經被振動導致的相位變化擾動的光信號)，并可用于由處理器1700(例如，微處理器、PC等)進行后處理(例如，頻譜分析、屏蔽比較等)，在此處理這樣的振動以解釋事件(例如，損壞管線1155)。具體參照圖7A -7B，光學檢測系統2010的主節點2100 (在此，主節點2100在功能上與圖1A-1B中的主節點100多少有些類似，并可以設置在控制室或其他預期的環境中)連接到Michelsen結構中的用于監測管線等的傳感器陣列(例如，在此傳感器陣列固定到管線，或提供在其附近，為了簡單而沒有示出管線)。主節點2100包括光源2110(例如，諸如激光源的相干光源)，其向相位調制器2102發送光信號(S卩，光)。由解調器1(8卩，元件2106a)產生相位載波(例如，諸如正弦波之類的電信號)，并由調制器驅動電路2104 (例如，具有與相位調制器2102的輸出阻抗基本上匹配的輸出阻抗)進一步放大。相位調制器2102可以是光纖纏繞的PZT (即，鋯鈦酸鉛)管、電光相位調制器(例如，鈮酸鋰平面波導器件)，或用于調制光相位的任何其他適合的器件。放大的相位載波由相位調制器2102輸出到光信號上。來自相位調制器2102的輸出光信號通過光I禹合器2130,在此光f禹合器2130是IXn光I禹合器(例如,在此“n”可以是光學檢測系統2010的傳感器或者感測區域的數量)。在光耦合器2130處劃分光信號(即，光)，用于每一個感測區域的化分的光通過各自的光環行器。更具體地用于區域A的光信號通過光環行器2150a ;用于區域B的光信號通過光環行器2150b ；以及用于區域N的光信號通過光環行器2150n (在此，在區域B與區域N之間可以有任意期望數量的區域)。引線電纜2200 (攜帶光纖A、B、N等)從主節點2100延伸到第一現場節點2300。引線電纜2200可以按所期望的對如振動和聲學能量的擾動不敏感。在不包括最終現場節點2600的每一個現場節點處(即，包括第一現場節點2300、中間現場節點2500a等)存在干涉儀，該干涉儀延伸到下一相鄰現場節點。每一個干涉儀包括光耦合器2112a、2112b等，在此光耦合器可以是I X 2光耦合器、2 X 2光耦合器等；各自的參考線圈2114a、2114b等，在此示例性的參考線圈可以具有約等于感測區域中光纖長度的長度，以及在此，參考線圈對于振動和聲學輸入相對穩定；各自的光感測光纖Al、BI、NI ；以及反射器2116a、2116b等，在此示例性的反射器包括光纖或者法拉第旋轉鏡上的反射端面。更具體地，光纖A從光環行器2150a延伸到第一現場節點2300中的光耦合器2112a。在光耦合器2112a處劃分光纖A上的光信號，在此所劃分的光信號的第一支路沿參考線圈2114a行進，隨后到達反射器2116a。該劃分的光信號從反射器2116a反射回到光耦合器2112a。所劃分的光信號的第二支路沿光纖Al行進，在此光纖Al用作沿管線的第一感測區域的感測光纖(在此，在圖7A-7BA中沒有示出管線)。期望感測光纖Al對振動的和聲學的干擾敏感。更具體地，感測光纖Al通過拉緊和/或改變其長度來對這種干擾作出響應(例如，在與干擾相同的頻率對干擾作出響應)，從而將振動和/或聲學能量轉換為光相位信息。該光相位信息與從相位調制器2102引入的相位載波混合(例如，在IO-IOOkHz數量級上)。包含相位信息的光信號沿光纖Al (在電纜2400a中)行進，在反射器2118a處反射，并返回到光耦合器2112a。在光耦合器2112a相干地重組沿第一支路和第二支路中的每一個反射回來的光信號(在此，在光耦合器2112a處將來自第二支路的相位信息轉換為光強度度信息)，重組的光信號沿光纖A返回到主節點2100的光環行器2150a，隨后到達解調器I。在解調器I處，將光信號轉換為電能并解調。處理器2108處理電信號，以確定作用于第一感測區域中光纖的擾動和/或干擾是否指示管線上的預定活動(例如，在此這樣的預定活動可能是管線泄漏，或者管線破壞，諸如挖掘、切割、鉆孔等)。借助處理器2108的確定可以是基于頻率的處理、基于時間的處理或者其組合。以類似的方式監測管線的后續感測區域(S卩，使用各自的解調器2，N，其被標記為2106b、2106n)。例如，使用感測光纖BI (在電纜2400b中)監測管線的第二感測區域，感測光纖BI從(I)中間現場節點2500a中的光耦合器2112b延伸到(2)沒有示出的后續中間現場節點中的類似于反射器2118a的反射器。最后，使用感測光纖NI (在電纜2400n中，圖7B中僅示出其一端)監測最終感測區域，在此感測光纖NI終止于最終現場節點2600處的反射器2118n。本發明還包括操作諸如相對于圖1A-1B和圖2-5示出并描述的光學檢測系統10之類的光學檢測系統的方法。圖8示出以閉環方式實現該方法的示例。在步驟800，將要使用光學檢測系統監測的事件的多個預定特性存儲在存儲器中。“預定”意思是預先確定的，以使得在諸如實施該方法的一些事件之前必須確定預定特性，即，選擇或至少已知的。取決于光學檢測系統的應用，這些事件(及因此的這些事件的預定特性)會廣泛地不同。例如，在示例性的管線檢測系統中，示例性的事件可能包括管線泄漏、對管線的破壞(例如，用鋸切割管線、管線被物體撞擊、對管線鉆孔等)，以及令人厭惡的警報(例如，動物、天氣、正常的車輛交通等)。更進一步地，事件的特性可以廣泛地不同。如以上提供地，這樣的特性可以是已知事件的多個頻譜或一個頻譜(例如，已知事件的振動頻譜)。這樣的頻譜可以是在多個頻率上的能量分布等。在一個特定示例中，為了在步驟800提供特性，完成了多個子步驟。在第一子步驟中，對一系列已知事件(例如，泄漏、捶擊、切割等)期間的一系列時間窗口內的一組采樣的數據點應用開窗口函數(諸如漢寧函數或貝克曼函數)。在第二子步驟中，通過對開窗數據實施快速傅立葉變換(FFT)來創建頻譜。在第三子步驟中，以包括對一系列類似事件的全體系統響應的方式(例如，以使得誤報警最少的方式)來調整頻譜的比例，以創建頻譜屏蔽。在第四子步驟中，將所得到的頻譜屏蔽與每一個事件相關聯，并存儲在數據結構中(例如，數據庫或其它類似的可檢索的結構)。在步驟802，將從光學檢測系統獲得的(例如，通過從多個現場節點接收的光強度度信息的處理，從主節點獲得的)檢測特性與存儲在存儲器中的多個預定特性進行比較。再次參考上述的頻譜示例，步驟802可以包括兩個子步驟。在第一子步驟中，在正常操作期間獲得數據的開窗樣本(例如，在管線監測應用中使用光學檢測系統)，作為時間的函數產生這個數據的頻譜(例如，在此，可以通過對時間窗口上獲得的數據執行快速傅立葉變換來產生這個頻譜)。隨后，在第二子步驟中，將在正常操作期間產生的頻譜與預先關聯于警報事件(及令人厭惡事件)并存儲的那些進行比較(例如，與在步驟800中提供的特性進行比較)。、
在步驟804，確定在步驟802檢測特性與步驟800中存儲在存儲器中的多個預定特性中的至少一個之間的匹配是否是可接受的程度。如果不存在這種可接受級別的匹配(即，在步驟604處的答案是“否”)，那么處理返回到步驟802，進一步與更新的數據進行比較。如果存在這個可接受級別的匹配(即在步驟604處的答案是“是”)，則可以在步驟808產生警報。如本領域技術人員理解的，特定類型的事件可以具有瞬時性的特性，且瞬時匹配(即，在步驟804處瞬時的可接受級別的匹配)足以在步驟808產生警報。然而，其它類型的事件可以具有適合于確認事件在預定時間段中持續的類型。在此情況下，即使在步驟802處存在可接受級別的匹配(即，在步驟804的答案是“是”)，處理也不會立即產生警報，而是可以繼續進行到步驟806，在此確定可接受級別的匹配是否存在達預定時間段(例如，或者對處理的操作數據實施持續性測試，以查明它是否超過警報閾值，在此該閾值可以是預定的時間段，或者一些其它閾值)。如果在步驟806處的答案是“是”，則在步驟808產生警報。如果在步驟806處的答案是“否”，則處理就繼續進行到步驟802以便繼續監測。可以以閉環方式來完成確定可接受級別匹配是否存在達預定時間段的步驟806，其中，針對可接受級別的匹配存在的每一增量的時間段更新計數器。盡管與管線監測相關地描述了本發明，但本發明的教導也可以應用于如用戶所期 望的多個應用中的任意一個。可以以任何預期的結構布置在此示出并描述的光纖和電纜。例如，如所期望的，可以在元件之間的單個長度或多個長度中提供每一條光纖。在特定示例中，圖3中的光纖160通過引線315連接到光環形器320的端口 2 ;然而應理解，如果需要，引線315可以是光纖160的一部分。類似地，光環形器320的端口 3和光耦合器330通過引線317和322連接；然而應理解，如果需要，引線317和322可以是相同長度的光纖的一部分。盡管與特定示例性元件(例如，相對于圖2-7A、B示出并描述的元件)相關地描述了本發明，但其并不限于這些元件。光學檢測系統可以使用權利要求范圍和精神內的多種組件中的任意一種。盡管主要相關于感測干擾的多段光學感測電纜400a、400b等(例如，圖1A-1B中的)描述了本發明，但本發明并不限于這些實施例。例如，可以將一個或多個點感測換能器集成到每一個感測區域中。這種點感測換能器可以用于感測在沿感測電纜段的特定“點”處的干擾，這與沿感測電纜段任意處的一般感測相反。此外，這樣的點感測換能器可以包括不同于(和之外附加的)感測電纜段的元件或結構。盡管參照某些特定實施例示出并描述，但本發明并不旨在局限于所示的細節。相反，在不脫離本發明的精神的情況下，可以在權利要求的等同物的范圍和區域內在細節上做出許多修改。
權利要求
1.一種用于監測管線的光學檢測系統，所述光學檢測系統包括 (a)主節點，鄰近或遠離待監測的管線，所述主節點包括(a)用于產生光信號的光源，以及(b)光接收器；以及 (b)多個光纖傳感器，位于所述待監測的管線本地，所述多個光纖傳感器用于將振動和聲學能量中的至少一個轉換為光強度信息，每一個所述光纖傳感器包括(I)至少一段光纖，配置為感測振動和聲學能量中的至少一個；(2)反射器，位于所述至少一段光纖的一端；以及(3)至少一個現場節點，用于接收來自所述主節點的光信號，所述現場節點沿著所述至少一段光纖發送光信號，所述現場節點接收從所述至少一段光纖返回的光信號，以及所述現場節點將光信號發送至所述主節點的所述光接收器。
2.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，所述光源包括發光二極管和激光器中的至少一個。
3.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，所述光源包括超輻射發光二極管和邊緣發射發光二極管中的至少一個。
4.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，所述光源發射作為連續波(CW)模式的光能量的光信號。
5.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，每一個所述光纖傳感器包括線性化的Sagnac干涉儀。
6.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，所述線性化的Sagnac干涉儀包括3X 3光纖稱合器、光纖的延遲線圈、消偏器和2X2光纖稱合器。
7.根據權利要求6所述的光學檢測系統，其中，所述光源的輸出端連接到所述3X3光纖耦合器的第一輸入引線，并且其中，所述3X3光纖耦合器的第二輸入引線連接到所述主節點的所述光接收器。
8.根據權利要求7所述的光學檢測系統，其中，所述3X3光纖耦合器的第三輸入引線配置為使得其不支持引導光，并且因此，反射光無法沿所述第三輸入引線行進回到所述.3X3光纖耦合器，并且其中，所述延遲線圈的引線連接到所述3X3光纖耦合器的輸出引線，以及所述延遲線圈的另一引線連接到所述2X2光纖耦合器的輸入引線。
9.根據權利要求7所述的光學檢測系統，還包括在所述主節點與所述多個光纖傳感器中的最接近所述主節點的第一個光纖傳感器之間的引線電纜，所述引線電纜連接到所述多個光纖傳感器中的所述第一個光纖傳感器的現場節點。
10.根據權利要求9所述的光學檢測系統，其中，由所述引線電纜提供所述光源的所述輸出端與所述3X3光纖耦合器的所述第一輸入引線之間的連接，以及提供所述3X3光纖耦合器的所述第二輸入引線與所述主節點的所述光接收器之間的連接。
11.根據權利要求9所述的光學檢測系統，其中，通過第一光環形器提供所述光源的所述輸出端與所述3X3光纖耦合器的所述第一輸入引線之間的連接，以及通過第二光環形器提供所述3X3光纖耦合器的所述第二輸入引線與所述主節點的所述光接收器之間的連接。
12.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，所述主節點配置為接收并解釋來自所述多個光纖傳感器的所述光強度信息，所述主節點配置為(1)收集并保存特定時間窗口上的一組數據樣本；(2)在每一個時間窗口內對該組數據樣本執行傅立葉變換，以產生時間上的一系列頻譜；(3)產生表示預定多個事件的振動頻譜的頻譜屏蔽；(4)將從所述多個光纖傳感器接收的所述光強度信息的頻譜與所述頻譜屏蔽進行比較，以確定在時間窗口內所接收的光強度信息是否超過所述頻譜屏蔽。
13.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，所述至少一個現場節點將從所述至少一段光纖接收的相位信息轉換為強度信息。
14.根據權利要求I所述的光學檢測系統，其中，每一個所述光纖傳感器包括Michelsen 干涉儀。
15.一種用于監測管線的光學檢測系統，所述光學檢測系統包括 (a)主節點，鄰近或遠離待監測的管線，所述主節點包括用于產生光信號的光源和光接收器；以及 (b)光纖感測電纜，位于所述待監測的管線本地，所述光纖感測電纜包括至少一個感測區域，所述至少一個感測區域由所述光纖感測電纜的一對光纖Bragg光柵限界。
16.根據權利要求15所述的光學檢測系統，其中，所述至少一個感測區域包括Fabry-Perot 干涉儀。
17.根據權利要求15所述的光學檢測系統，其中，所述至少一個感測區域包括多個感測區域，所述多個感測區域中的每一個分別由所述光纖感測電纜的一對光纖Bragg光柵限界。
18.根據權利要求15所述的光學檢測系統，其中，所述多個感測區域中的每一個包括Fabry-Perot 干涉儀。
19.根據權利要求15所述的光學檢測系統，還包括位于所述主節點的光學相位解調器。
20.一種操作用于監測管線的光學檢測系統的方法，所述方法包括步驟 (a)在存儲器中存儲與要使用所述光學檢測系統監測的管線有關的事件的多個預定特性； (b)將從監測所述管線的所述光學檢測系統獲得的檢測特性與存儲在存儲器中的所述多個預定特性進行比較；以及 (C)確定在所述檢測特性與存儲在存儲器中的所述多個預定特性中的至少一個之間是否存在可接受級別的匹配。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括步驟(d):如果在步驟(c)確定存在可接受級別的匹配，則產生警報條件。
22.根據權利要求20所述的方法，其中，如果在步驟(c)確定存在可接受級別的匹配，則所述方法還包括步驟(d):以閉環方式確定所述可接受級別的匹配是否存在達預定時間段，其中，針對存在可接受級別的匹配的每一個增量時間段更新計數器。
23.根據權利要求20所述的方法，其中，如果在步驟(c)確定存在可接受級別的匹配，則所述方法還包括步驟(d):確定所述可接受級別的匹配是否存在達預定時間段。
24.根據權利要求23所述的方法，還包括步驟(e):如果在步驟(d)確定所述可接受級別的匹配存在達所述預定時間段，則產生警報條件。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，步驟(a)包括(al)對一系列已知事件期間的一系列時間窗口內的一組采樣的數據點應用開窗口函數；(a2)在步驟(al)之后，通過對該組采樣的數據點應用快速傅立葉變換(FFT)來創建頻譜；(a3)調整所述頻譜的比例以包括對多個預定事件的全體系統響應，來創建頻譜屏蔽；(a4)將所述頻譜屏蔽與所述多個預定事件相關聯，以及(a5)將所關聯的頻譜屏蔽存儲在所述光學檢測系統可訪問的數據結構中。
26.根據權利要求25所述的方法，其中，步驟(b)包括(bl)在所述光學檢測系統的操作期間獲取數據的開窗樣本；(b2)作為時間的函數產生所述數據的開窗樣本的頻譜；以及(b3)將在步驟(b2)中產生的所述頻譜與在步驟(a5)中存儲的所關聯的頻譜屏蔽進行比較。
全文摘要
一種用于監測管線的光學檢測系統。所述光學檢測系統包括鄰近或遠離待監測的管線的主節點。所述光學檢測系統包括(a)用于產生光信號的光源，以及(b)光接收器。所述光學檢測系統還包括位于管線本地的多個光纖傳感器，用于將振動和聲學能量中的至少一個轉換為光強度信息，每一個光纖傳感器具有(1)至少一段光纖，被配置為感測振動和聲學能量中的至少一個；(2)反射器，位于所述至少一段光纖的一端；以及(3)現場節點，用于接收來自所述主節點的光信號，所述現場節點沿著所述至少一段光纖發送光信號，接收從所述至少一段光纖返回的光信號，以及將光信號發送至所述主節點的光接收器。
文檔編號G01B9/02GK102762952SQ201180009975
公開日2012年10月31日 申請日期2011年2月17日 優先權日2010年2月18日
發明者A·H·謝爾貝特錢, E·L·戈德納, G·R·貝克, J·K·安德森 申請人:美國地震系統有限公司