Page 39 - 网络电信2021年3月刊上

中俄天然气管线的光纤预警系统数据处理方法

林晓晖 李刚 曾科宏 杨文明
中国石油天然气管道通信电力工程有限公司

摘要：光纤管道安全光纤预警系统是基于瑞利相干分布式光纤振动传感系统(DVS)，以与管道同沟敷设的通信光缆作
为传感器,全天候实时监测管道周围土壤震动，可以实时监测土壤的振动数据,一旦发生危害管道安全的破坏事件，系统能
第一时间感知。在中俄天然气管道东线，系统长期运行在低温环境下，灵敏度降低，亟须新的数据处理方法提高系统灵敏
度。以信噪比作为灵敏度衡量标准，分析当前普遍使用的差分算法的优势和劣势。建立数学模型，得到差分算法提高信号
信噪比的条件。通过MATLAB仿真，得到信号频率分布范围与最佳差分方式对应表格。提出一种新的灵敏度提升算法流程，
对不同频率分布的信号均起到最佳的灵敏度提升效果，克服了原差分方式的劣势。现场试验表明,采用新算法后信噪比有
明显提高。
关键词：光纤预警系统；土壤振动；灵敏度；差分算法；信噪比

光纤管道安全光纤预警系统(光纤预警系统)采用相干瑞利 图 1 差分方法检测土壤振动
分布式振动光纤传感方案,综合了超长距离光纤传感技术、信号
检测、信号处理和识别等多个领域,利用光纤作为分布式传感器
拾取管道沿线的土壤振动信号,通过对检测信号的处理和分析,
可以检测管道沿线发生事件的情况,给出危害管道事件的时间、
位置信息 [1-3] 。在管道保护设备中,管道安全光纤预警系统担当
了管道“顺风耳”的角色。到目前为止,该系统已成功应用在约
5000km的石油、天然气管道中,地质地貌包括了沙漠、戈壁、平
原、林地等,为设备使用方提供了大量的事件信息,阻止了多起
潜在的管道危害事件,有效提升了管道的安全系数。
目前系统普遍采用了脉冲干涉的方案 [4-5] ,该方案从技术上
把光缆分割为上千个等效独立传感器,具有定位准确度高、抗干
扰能力强的特点。由于等效传感器数目太多,对每个传感器需要 首先分析普遍使用的差分算法,对算法的优势和劣势进行了
独立处理,所以对系统计算量要求较大。对光纤管道安全光纤预 阐述,分析差分算法提高灵敏的条件,介绍一种新的灵敏度提升
警系统信号处理,目前普遍采用了差分处理的方式 [6-8] ,即后一帧 算法,并在现场试验中验证新算法的有效性。
信号减前一帧信号,在有土壤振动的位置由于变化剧烈会形成一
个尖峰,如图1所示。天津大学在平均算法的基础上提出了一种 一、差分算法分析
新的移动平均算法,该算法计算量少,差值信号探测使得灵敏度 目前,对相干瑞利分布式振动传感信号检测部分普遍采用差
[6]
有所提高 。电子科技大学提出基于时间序列奇异谱特征振动 分的方式 [8-9] ,即后一帧信号与前一帧信号相减,检出振动信号。
检测方法,能有效匹配出声波和瞬时噪声的干扰,但在实际应用 为了讨论差分算法对信号的影响,以白噪声为例,分别从时域和
中,由于运算量较大,难以保证高定位准确度时系统的实时性,甚 频域对差分前后的信号进行对比。算法步骤如下:
至有漏检的可能性。 1)以全频段的白噪声信号为参考信号,生成长度为5s,方差

网络电信 二零二一年三月 65