专利名称：光纤管线监测系统及使用其的方法
技术领域：
本发明总体上涉及管线监测领域，更具体地，涉及用于使用光纤来监测管线的改进系统和方法。
背景技术：
光纤感测系统已经用于大量应用中，包括边界安全、声学感测和泄漏检测。常规光 纤感测系统的示例包括(I)基于模干涉的系统；(2)基于时间相关的马赫-泽德干涉仪的系统；及(3)基于相干瑞利反向散射的系统。这些常规系统中的每一个都遭受到某些缺陷。例如，基于模态干扰的系统提供极为有限的与事件有关的信息，诸如事件的位置和/或时间。此外，此类系统难以区分多个同时的事件。基于时间相关的马赫-泽德干涉仪的系统难以辨别连续的事件(例如，管道泄漏)。基于相干瑞利反向散射的系统遭受到高询问器成本和有限的灵敏度的问题。此外，这些常规系统中的某一些利用了位于整个阵列中的光子学箱(photonics boxes)，其需要本地提供的电力，从而使得此类系统对于远距离应用是不切实际的。因此，需要并且期望提供用于管线监测的改进的光学检测系统。
发明内容
为了满足这个及其他需要，鉴于其目的，根据示例性实施例，本发明提供了一种用于监测管线的光学检测系统。该光学检测系统邻近或远离待监测的管线。光学检测系统包括主节点，该主节点包括(a)用于产生光信号的光源，以及(b)光接收器。光学检测系统还包括位于管线本地的多个光纤传感器，用于将振动能量转换为光强度信息，每一个光纤传感器包括(1)配置为感测振动能量的至少一段光纤；(2)位于所述至少一段光纤的一端的反射器；以及(3)现场节点，用于接收来自所述主节点的光信号，所述现场节点沿着所述至少一段光纤发送光信号，所述现场节点接收从所述至少一段光纤返回的光信号，并且所述现场节点将光信号发送到所述主节点的光接收器。根据本发明的另一个示例性实施例，提供了另一种用于监测管线的光学检测系统。光学检测系统包括邻近或远离待监测的管线的主节点。主节点包括用于产生光信号的光源、光接收器、以及位于待监测的管线本地的光纤感测电缆。光纤感测电缆包括至少一个感测区域，所述至少一个感测区域由光纤感测电缆的一对光纤Bragg光栅限界。根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种操作用于监测管线的光学检测系统的方法。所述方法包括步骤(a)在存储器中存储与要使用光学检测系统监测的管线有关的事件的多个预定特性；(b)将从监测管线的光学检测系统获得的检测特性与存储在存储器中的所述多个预定特性进行比较；以及(C)确定在所述检测特性与存储在存储器中的所述多个预定特性中的至少一个之间是否存在可接受级别的匹配。应理解，本发明的前述的一般性描述及以下的详细描述都是示例性的，而非限制性的。
结合附图阅读以下详细说明会最好地理解本发明。应强调的是，按照一般惯例，附图的许多特征不是按照比例的。相反，为了清楚，任意地放大或缩小了多个特征的尺寸。包含在附图中的是以下图图IA是示出根据本发明的示例性实施例的光学检测系统的方框图；图IB是示出根据本发明的示例性实施例的、与管线监测系统结合使用的图IA的光学检测系统的方框图；图2是根据本发明的示例性实施例的光学检测系统的主节点的方框图；图3是根据本发明的示例性实施例的光学检测系统的第一现场节点的方框图；图4是根据本发明的示例性实施例的光学检测系统的中间现场节点的方框图；图5是根据本发明的示例性实施例的光学检测系统的最终现场节点的方框图；图6是示出根据本发明的示例性实施例的用于管线监测的光学检测系统的方框图；图7A-7B是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于管线监测的另一光学检测系统的方框图；以及图8是根据本发明的示例性实施例的操作用于管线监测的光学检测系统的方法的流程图。
具体实施例方式为了实现与待监测的管线有关的事件的检测和分类，期望获得干扰(例如，机械振动、声学振动、冲击、侵入等)的闻逼真度的电子表不。根据本发明的某些不例性实施例，提供了用于监测管线的光学检测系统，其利用具有高线性和动态范围的干涉仪(例如，某些线性化的Sagnac干涉仪)。光学检测系统还可以包括低噪声、低失真的光接收器。在本发明的某些更特定的示例性实施例中，提供利用集成传感器阵列的光学检测系统(例如，包括划分为多个感测区域的感测电缆，其可以设置为包括一系列线性化的Sagnac干涉仪)，用于监测管线。此类光学检测系统可以包括具有询问子系统的主节点和信号处理器。
现在参考附图，其中，相似的附图标记在包括附图的全部各图中指代相似的元素，图IA示出光学检测系统10。光学检测系统10包括多个光缆(S卩，光学感测电缆)400a、400b、……、400n (可以将其称为换能器)，配置在分离的感测区域450、455、460、……、499中。光学检测系统10还包括多个现场节点，包括第一现场节点300 ;中间现场节点500a、500b等；及最终现场节点600。光学检测系统10还包括引线电缆200 (例如，用于来自每一个区域的探针和返回信号的遥测的引线电缆，这样的引线电缆的长度是依赖于应用的，示例性的引线电缆的长度在几米到几千米数量级)、主节点100和信号处理器700。在图IA所示的示例中，光学检测系统10包括单个主节点100和单个第一现场节点300。取决于光学检测系统10的确切结构(例如，感测区域的数量，覆盖每一个感测区域的电缆的长度等)，可以有多个主节点、第一现场节点等，如在给定应用中所期望的。图IA中示出的结构的示例性操作可以总结如下。主节点100(其结合信号处理器700工作)产生光信号，并沿着引线电缆200将信号发送到第一现场节点300 (例如，在此可以选择包括引线电缆200的光学检测系统的元件和结构，以使得引线电缆对振动的灵敏度最小)。如以下将详述的，通过第一现场节点300并沿着光学感测电缆400a发送来自主节点100的部分光信号(打算用于监测感测区域450)，在到达中间现场节点500a后，反射回来，在此，反射信号沿着光学感测电缆400a返回，并最终返回主节点100和信号处理器700进行处理。通过第一现场节点300并沿着光学感测电缆400a发送来自主节点100的另一部分光信号(打算用于监测感测区域455)，通过中间现场节点500a，沿着光学感测电缆400b，并在到达中间现场节点500b后反射回来，在此，反射信号沿着光学感测电缆400b、400a返回，并且信号最终返回到主节点100和信号处理器700进行处理。对于每一个随后的感测区域都发生类似的过程。如图IA中明显的，可以设想任何数量的期望的随后感测区域(如 在区域460与499之间的虚线所表示的)，最终感测区域499终止于最终现场节点600。图IB示出用于感测沿管线155的干扰(例如，泄漏、损害事件等)的光学检测系统10，其中每一个感测区域450、455、460……499都对应于给定长度的管线155。光学感测电缆400a、400b、400c……400n固定于管线155 ;然而，光学检测电缆也可以设置为接近管线155而无需固定到其上。在图IB中，主节点100和信号处理器700安装在控制室150或者其他所期望的环境中(例如，遥远而稳定的环境)。如同图IA中的一样,光纤引线电缆200从主节点100延伸到第一现场节点300。现在描述示例性光学检测系统10的元件的细节。参照图2，主节点100包括外壳112中的一个或多个光源110 (例如,诸如超福射发光二极管、边缘发射发光二极管、其他发光二极管源之类的LED源，激光器等)。根据本发明的示例性实施例，光源110可以是以连续波(CW)模式工作的宽带光源。光源110由源控制电路111控制。在当前描述的示例性实施例中(相对于四个感测区域而描述并示出的)，经由光缆120将光源110连接到标记为光率禹合器130的I X4分光器(诸如I X4或4X4光纤稱合器或者集成分光器)。光稱合器130将来自光源110的光强度度输出分为沿着各自光纤140a、140b、140c和140d的四个信号(例如四个基本上等强度的信号)，它们输出到相应的光环行器150a、150b、150c和150d各自的输入端(例如，相同的光环行器150a、150b、150c和150d)。沿着光纤引线电缆200中的每一条光纤160、161、162、163从各自的一个光环行器150a、150b、150c和150d提供输出信号。如以上所提供的，根据本发明的某些示例性实施例，利用了线性化的Sagnac干涉仪。如本领域技术人员将意识到的，为了提供线性化的Sagnac干涉仪，修改(例如，折叠)了传统的环形结构Sagnac干涉仪(例如，通常用于感测旋转)的架构，以允许例如，通过结合1X2光纤耦合器来测量沿非环形结构的光纤的相位扰动。再次参照图2 (和图3)，来自主节点100的光输出沿引线电缆200中的每一条光纤160、161、162和163行进，引线电缆200连接到第一现场节点300。第一现场节点300包括容纳一系列组件的外壳310。
在图3中，光纤160连接到光环行器320的输入/输出引线315。光环行器320的引线317连接到光耦合器330 (例如，3X3光纤耦合器)的引线322。光环行器320的引线319连接到光耦合器330的引线324。光耦合器330的引线332连接到延迟线圈340的引线335。光纤延迟线圈340的长度例如至少是光学感测电缆400a中光纤380的区域450长度的两倍，其中为了最大的灵敏度，包括“展开的”感测光纤380的感测环路(例如，从3X3耦合器的一个输出支路到另一个的)的中点在外壳310内。延迟线圈340的引线341连接到光耦合器360 (例如，2X2光纤耦合器360)的引线342。光耦合器330的引线334连接到消偏器350的引线。光耦合器330的引线326打结和/或末端挤压，以使得反射回光耦合器330中的光最少。类似地，光耦合器330的引线336打结和/或末端挤压，以使得反射回光耦合器330中的光最少。
消偏器350显著地减小了偏振引起的信号衰落，从而允许将廉价的单模光纤用于全部光组件和电缆光纤，而不是昂贵的保偏光纤。消偏器350可以是几种市场上可以买到的消偏器之一，诸如再循环耦合器(单级或多级)或者Lyot消偏器。消偏器350的引线352连接到光耦合器360的引线366。光耦合器360的引线362连接到光学感测电缆400a中的光纤380。光I禹合器360的引线364打结和/或末端挤压，以使得反射回光I禹合器360中的光最少。尽管用于光稱合器360的一个不例是2X2光纤稱合器,但光稱合器360并不局限于该实施例。例如，可以使用1X2光纤耦合器来代替2X2光纤耦合器360，从而避免第二输出引线364的打结。引线电缆200中的光纤161、162和163分别连接到现场节点300中的光纤370、372和374。这些是通过(pass-through)光纤,在第一现场节点300中不主动地使用，而是连同其它节点中的感测来使用。光纤370、372和374分别连接到光学感测电缆400a中的光纤382、384和386。光学感测电缆400a中的光纤380用于在区域450内进行感测。光学感测电缆400a中的光纤380 (其已经用于在区域450中进行感测)附接到中间现场节点500a中的光纤580 (见图4)。光纤580连接到反射器581 (例如，宽带反射器581 )。沿着感测电缆400a的干扰造成光纤380长度的小变化。这些变化导致通过Sagnac干涉仪行进的光的相位的非往复的变化。现在提供在图3 (部分在图4中)中示出的第一现场节点300的示例性操作。光信号(即，从主节点100进入第一现场节点300的光)沿光纤160传播到引线315，并进入光环行器320的端口 2，随后通过引线317离开光环行器320的端口 3，并且随后沿引线322(一段光纤)传播到光稱合器330。光稱合器330将光分为沿两条反向传播路径的光信号所分开的光的第一路径从引线332沿引线335延伸到延迟线圈340，随后从引线341通过引线342延伸到光耦合器360 ;所分开的光的第二路径从引线334通过引线354延伸到消偏器350，随后从引线352通过引线366延伸到光耦合器360。这样，将沿第一路径的光相对于沿第二路径的光延迟近似正比于延迟线圈340长度的时间。两个反向传播的光信号在光耦合器360重组，重组的光信号沿引线362离开光耦合器360，随后沿光学感测电缆400a的光纤380 (用于在区域450中进行感测)行进。重组的光信号进入光纤380上的现场节点500a，并沿引线580传播到反射器581，随后沿光纤380反射回第一现场节点300。光耦合器360将这一反射信号分为两个光信号，其中每一个光信号均沿反向传播路径行进，并在光耦合器330相干地重组。光信号在光耦合器330重组的结果是重组的光具有与来自沿光学感测电缆400a中光纤380的初始干扰的相位扰动成比例的强度输出。这一光信号(具有可变强度)从光耦合器330沿引线324 (即光纤324)输出，随后沿引线319进入光环形器320的端口 I中。这一光信号从光环行器320的端口 I传播到端口 2，随后沿引线315传播到引线电缆200的光纤160。沿引线电缆200的光纤160将信号发送到主节点100的询问器。现在参照图4，光学感测电缆400a中的光纤384和386分别连接到中间现场节点500a中的光纤570、572。这些是通过光纤，在中间现场节点500a中不主动使用，而是连同在其它节点中的感测来使用。光纤570、572分别连接到光学感测电缆400b中的光纤584、586。光学感测电缆400b中的光纤582用于在区域455中进行感测。光纤382从光学感测电缆400a连接到光环形器520的输入/输出引线515。光环形器520的引线517连接到光耦合器530 (例如，3X 3光纤耦合器530)的引线522。光环形器520的引线519连接到光耦合器530的引线524。
光耦合器530的引线532连接到延迟线圈540的引线535。光纤延迟线圈540的长度例如是光纤感测电缆400b中的光纤582的区域455的长度的至少两倍，其中为了最大的灵敏度，包括“展开的”感测光纤582在内，感测环路(例如，从3X3耦合器的一个输出支路到另一个)的中点在外壳510内。延迟线圈540的引线541连接到光耦合器560 (例如，2X2的光纤耦合器560)的引线542。光耦合器530的引线534连接到消偏器550的引线554。光耦合器530的引线526打结和/或末端挤压，以使得反射回光耦合器530中的光最少。类似地，光耦合器530的引线536打结和/或末端挤压，以使得反射回光稱合器530中的光最少。消偏器550的引线552连接到光耦合器560的引线566。光耦合器560的引线562连接到光学感测电缆400b中的光纤582。光I禹合器560的引线564打结和/或末端挤压，以使得反射回光I禹合器560中的光最少。尽管不例性的光稱合器560是2X2光纤稱合器,但光稱合器560并不限于该实施例。例如，可以使用1X2光纤耦合器来代替2X2光纤耦合器560，从而避免引线564的打结。现在提供图4中所示的现场节点500a的示例性操作。光信号(即，从主节点100进入现场节点500a的光)沿光纤382传播到引线515，并进入光环形器520的端口 2，随后通过引线517离开光环形器520的端口 3，随后沿引线522 (—段光纤)传播到光耦合器530。光耦合器530将光分为沿两条反向传播路径的光信号所分开的光的第一路径从引线532沿引线535延伸到延迟线圈540，随后从引线541通过引线542延伸到光耦合器560 ;所分开的光的第二路径从引线534通过引线554延伸到消偏器550，随后从引线552通过引线566延伸到光耦合器560。这样，沿第一路径的光相对于沿第二路径的光延迟近似正比于延迟线圈540长度的时间。两个反向传播的光信号在光耦合器560重组，重组的光信号沿引线562离开光耦合器560，随后沿光学感测电缆400b的光纤582(用于在区域455中进行感测)行进。重组的光信号进入光纤582上的现场节点500b (见图1A-1G)，并沿光纤582反射回(使用现场节点500b中的反射器，其类似于现场节点500a中的反射器581)现场节点500a。光耦合器560将这一反射信号分为两个光信号，其中每一个光信号均沿反向传播路径行进，并在光耦合器530相干地重组。光信号在光耦合器530重组的结果是重组的光具有与来自沿光学感测电缆400b中光纤582的初始干扰的相位扰动成比例的强度输出。这一光信号(具有可变强度)从光耦合器530沿引线524 (即光纤524)输出，随后沿引线519进入光环形器520的端口 I中。这一光信号从光环行器520的端口 I传播到端口 2，随后沿引线515到光纤382(并通过光纤370)，到引线电缆200的光纤161。沿引线电缆200的光纤161将信号发送到主节点100的询问器。按照所期望的，重复现场节点500a、500b等与光学感测电缆400a、400b等的模式，并利用电缆内可用数量的光纤。可以使用这个�？榛桨干柘肫渌低臣恫季旨际�(例如，支路、双向/冗余等)。每一个光学感测电缆400a、400b等均可以用于提供声学上独立的感测区域。图5示出最终现场节点600，其包括用于容纳最终光学感测电缆400n的外壳610。光学感测电缆400n包括连接到反射器681 (例如 ，宽带反射器681)的光纤680。返回来参照图2，在耦合器330或530等处从相位信号转换为强度信号之后，与每一区域内的相位扰动(例如，起因于感测到的机械或声学振动)成比例的光强度度信号通过光纤160、161、162和163，随后通过环形器150a、150b、150c和150d返回到主节点100 (可以将其设想为询问器)。环形器150a、150b、150c和150d配置为允许信号从光纤160通过，到达光纤174、信号从光纤161通过，到达光纤173、信号从光纤162通过，到达光纤172、以及信号从光纤163通过，到达光纤171。然而，环形器150a、150b、150c和150d防止光从光纤160或光纤174到光纤140a ;从光纤161或光纤173到光纤140b ;从光纤162或光纤172到光纤140c ;以及从光纤163或光纤171到光纤140d等的通过。在光电检测器175处将来自光纤174的光转换为电流信号。类似地，在光电检测器176处将来自光纤173的光转换为电流信号、在光电检测器177处将来自光纤172的光转换为电流信号、以及在光电检测器178处将来自光纤171的光转换为电流信号。由光电检测器175、176、177和178转换的电信号可以是极低噪声的信号，具有小于约0. 5nA的暗电流。随后使用互阻抗放大器180 (例如，极低失真(小于_90dB)、高增益带宽(在500-2000MHz 数量级)，且噪声小于 InV/ V Hz(诸如 Analog Devices, Inc 生产的 AD8099 型)的放大器)来放大光电检测器175、176、177和178的输出。每一个互阻抗放大器180之后可以是多级的进一步放大，如同本领域技术人员已知的。使用滤波器181对放大器180的电输出进行滤波。使用高质量光电检测器、放大器和滤波器会有利地产生具有高保真度的信号，其保真度足以进行检测事件的鲁棒分类和无误警的警报产生(或者基于机械/声学振动的其它指示)所期望的高级信号处理。从滤波器181输出的信号由A/D转换器(ADC)182采样。来自ADC 182的所采样的电信号由一个或多个现场可编程门阵列(FPGA) 184接收。可以将FPGA 184配置为执行高速信号预处理。这样的FPGA 184通常用于执行来自每一个区域的采样数据的滤波和快速傅立叶变换(FFT)，以确定沿每一个区域的干扰的瞬时谱。如图2所示，由微处理器186执行进一步的处理。利用接口芯片188来实现与外部安全系统处理器及其它外围设备的通信。接口芯片188例如可以是RS-232接口芯片或者USB收发器。示例性的信号处理顺序如下实现。从每一个感测区域(例如，区域450、区域455、区域460等)，ADC 182对一组数据样本(例如,每秒8192个样本的示例性速率)进行数字化。在这个示例中，FPGA 184执行8192个样本FFT以产生频谱，该频谱输出到微处理器186。微处理器186将从FPGA184输出的频谱分组到数据窗口中(例如，以0. 25秒的数量级)。
在这样的示例中，由在已知事件的引入期间产生的处理信号来创建一系列的频谱屏蔽(在此，可以根据应用来配置这些事件)。在管线检测应用中，这样的事件可以是恶意/警报事件，诸如对一部分管线钻孔、切割一部分管线、从一部分管线的流体泄漏等。例如，可以以数据库、查询表或者其它数据存储技术保存在这些事件期间由FPGA 184产生的频谱。进一步修改这些频谱屏蔽中的每一个，以创建动态信号阈值。将每一个数据窗口内接收数据的频谱与信号阈值相比较。建立连续性要求，其要求每“n”个相连的时间窗口有“m”个频谱超过频谱屏蔽，当为真时，将其报告为警报条件。连续性的使用有助于使起因于高能量的瞬时(非警报)事件的误警报减到最少。不断更新动态阈值，其中通过对环境区中的所有区的公共频带的值求和，来为频谱内的每一个频带计算单一值(在此，环境区是由用户人为分组的一组真实感测区域)。在用户定义的时间间隔上对这些值积分。这一动态阈值用于补偿影响多个区域的非瞬时的环境作用(例如，几秒到几小时数量级持续的)，诸如下雨、冰雹、公路交通、火车等。动态阈值积分的这个时间间隔越短，动态阈值改变就越快。这个时间间隔越长，动态阈值响应衰减得越多。另外，也可以限制任何一个瞬时频谱能够偏置动态阈值的量，以避免单一事件(诸如来自坠落的树枝的影响)对阈值具有过度的影响。 可以通过利用多路复用器、开关或其他适当的机构1000组合并辨别从主节点100中的滤波器181到放大器或线路驱动器1011的电输出，以提供用户所需的任何区域的音频输出。通过使用户能够在产生警报时听到检测到的事件而提供音频输出增强了光学检测系统10的功能。图1A-1B中所示的光学检测系统10涉及线性化的Sagnac型架构；然而，本发明并不限于这个架构。可替换的架构的示例是诸如图6中所示的时分复用(TDM)系统光学架构，和诸如图7A-7B中所示的Michelsen光学架构。具体参照图6，提供配置为无限脉冲响应干涉仪阵列的光学检测系统1010，用于监测管线1155。结合图6描述的各个元件的功能类似于以上结合图1A-1B描述的那些。控制室1150包括主节点1100 (包括询问器)和信号处理器1700。主节点1100使用引线电缆1200连接到光学感测电缆1400，在此光学感测电缆1400沿管线1155延伸。光学感测电缆1400包含一系列干涉仪(例如，Fabry-Perot干涉仪)，它们均是光学感测电缆1400的光纤的一段。段(其也可以称为感测区域)的示例性长度在25-1000米之间。干涉仪由一对光纤Bragg光栅(FBG)限界。更具体地，段1400a由FBG 1410a、1410b限界。类似地，段1400b由FBG 1410c、1410d限界，如此等等，直到最终段终止于FBG 1410no根据本发明的示例性实施例，每一个FBG (例如，1410a、1410b、1410c、1410d、1410n)是对光纤的晶体结构的周期性扰动。这种扰动可以由使用激光束的干涉图而产生，如同本领域技术人员公知的。示例性的FBG具有百分之一数量级的峰值反射，并具有约4-6nm的频谱宽度(最大值一半的总宽或者FWHM)。示例性FBG的中心波长取决于系统中使用的多路复用的类型。询问器(主节点1100中的)的目的在于照亮干涉仪阵列(例如，用极窄的谱线宽度的光，例如，在0. I-IOkHz数量级FWHM)，并提供与到每一个干涉仪的声学输入成比例的电输出。包括光源的这样的询问器的示例是低相位噪声激光器，诸如外腔式激光器或光纤激光器。将相位信号施加到光上(例如，相位调制的光信号)，该光也是脉冲化的，具有等于在相邻FBG之间光通过的时间的两倍的脉冲宽度。将脉冲发送到包括干涉仪的线性传感器阵列，在此每一个FBG都将小百分比的光反射回主节点1100中的询问器。更具体地，干涉仪(例如，由一对FBG光栅限界的光纤段)感测声学和/或机械振动(例如，从损坏或邻近管线1155的人发出)，在从线性传感器阵列返回到主节点1100后，解调(例如，下变频)相位信号(例如，已经被振动导致的相位变化扰动的光信号)，并可用于由处理器1700(例如，微处理器、PC等)进行后处理(例如，频谱分析、屏蔽比较等)，在此处理这样的振动以解释事件(例如，损坏管线1155)。具体参照图7A -7B，光学检测系统2010的主节点2100 (在此，主节点2100在功能上与图1A-1B中的主节点100多少有些类似，并可以设置在控制室或其他预期的环境中)连接到Michelsen结构中的用于监测管线等的传感器阵列(例如，在此传感器阵列固定到管线，或提供在其附近，为了简单而没有示出管线)。主节点2100包括光源2110(例如，诸如激光源的相干光源)，其向相位调制器2102发送光信号(S卩，光)。由解调器1(8卩，元件2106a)产生相位载波(例如，诸如正弦波之类的电信号)，并由调制器驱动电路2104 (例如，具有与相位调制器2102的输出阻抗基本上匹配的输出阻抗)进一步放大。相位调制器2102可以是光纤缠绕的PZT (即，锆钛酸铅)管、电光相位调制器(例如，铌酸锂平面波导器件)，或用于调制光相位的任何其他适合的器件。放大的相位载波由相位调制器2102输出到光信号上。来自相位调制器2102的输出光信号通过光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”可以是光学检测系统2010的传感器或者感测区域的数量)。在光耦合器2130处划分光信号(即，光)，用于每一个感测区域的化分的光通过各自的光环行器。更具体地用于区域A的光信号通过光环行器2150a ;用于区域B的光信号通过光环行器2150b ；以及用于区域N的光信号通过光环行器2150n (在此，在区域B与区域N之间可以有任意期望数量的区域)。引线电缆2200 (携带光纤A、B、N等)从主节点2100延伸到第一现场节点2300。引线电缆2200可以按所期望的对如振动和声学能量的扰动不敏感。在不包括最终现场节点2600的每一个现场节点处(即，包括第一现场节点2300、中间现场节点2500a等)存在干涉仪，该干涉仪延伸到下一相邻现场节点。每一个干涉仪包括光耦合器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；各自的参考线圈2114a、2114b等，在此示例性的参考线圈可以具有约等于感测区域中光纤长度的长度，以及在此，参考线圈对于振动和声学输入相对稳定；各自的光感测光纤Al、BI、NI ；以及反射器2116a、2116b等，在此示例性的反射器包括光纤或者法拉第旋转镜上的反射端面。更具体地，光纤A从光环行器2150a延伸到第一现场节点2300中的光耦合器2112a。在光耦合器2112a处划分光纤A上的光信号，在此所划分的光信号的第一支路沿参考线圈2114a行进，随后到达反射器2116a。该划分的光信号从反射器2116a反射回到光耦合器2112a。所划分的光信号的第二支路沿光纤Al行进，在此光纤Al用作沿管线的第一感测区域的感测光纤(在此，在图7A-7BA中没有示出管线)。期望感测光纤Al对振动的和声学的干扰敏感。更具体地，感测光纤Al通过拉紧和/或改变其长度来对这种干扰作出响应(例如，在与干扰相同的频率对干扰作出响应)，从而将振动和/或声学能量转换为光相位信息。该光相位信息与从相位调制器2102引入的相位载波混合(例如，在IO-IOOkHz数量级上)。包含相位信息的光信号沿光纤Al (在电缆2400a中)行进，在反射器2118a处反射，并返回到光耦合器2112a。在光耦合器2112a相干地重组沿第一支路和第二支路中的每一个反射回来的光信号(在此，在光耦合器2112a处将来自第二支路的相位信息转换为光强度度信息)，重组的光信号沿光纤A返回到主节点2100的光环行器2150a，随后到达解调器I。在解调器I处，将光信号转换为电能并解调。处理器2108处理电信号，以确定作用于第一感测区域中光纤的扰动和/或干扰是否指示管线上的预定活动(例如，在此这样的预定活动可能是管线泄漏，或者管线破坏，诸如挖掘、切割、钻孔等)。借助处理器2108的确定可以是基于频率的处理、基于时间的处理或者其组合。以类似的方式监测管线的后续感测区域(S卩，使用各自的解调器2，N，其被标记为2106b、2106n)。例如，使用感测光纤BI (在电缆2400b中)监测管线的第二感测区域，感测光纤BI从(I)中间现场节点2500a中的光耦合器2112b延伸到(2)没有示出的后续中间现场节点中的类似于反射器2118a的反射器。最后，使用感测光纤NI (在电缆2400n中，图7B中仅示出其一端)监测最终感测区域，在此感测光纤NI终止于最终现场节点2600处的反射器2118n。本发明还包括操作诸如相对于图1A-1B和图2-5示出并描述的光学检测系统10之类的光学检测系统的方法。图8示出以闭环方式实现该方法的示例。在步骤800，将要使用光学检测系统监测的事件的多个预定特性存储在存储器中。“预定”意思是预先确定的，以使得在诸如实施该方法的一些事件之前必须确定预定特性，即，选择或至少已知的。取决于光学检测系统的应用，这些事件(及因此的这些事件的预定特性)会广泛地不同。例如，在示例性的管线检测系统中，示例性的事件可能包括管线泄漏、对管线的破坏(例如，用锯切割管线、管线被物体撞击、对管线钻孔等)，以及令人厌恶的警报(例如，动物、天气、正常的车辆交通等)。更进一步地，事件的特性可以广泛地不同。如以上提供地，这样的特性可以是已知事件的多个频谱或一个频谱(例如，已知事件的振动频谱)。这样的频谱可以是在多个频率上的能量分布等。在一个特定示例中，为了在步骤800提供特性，完成了多个子步骤。在第一子步骤中，对一系列已知事件(例如，泄漏、捶击、切割等)期间的一系列时间窗口内的一组采样的数据点应用开窗口函数(诸如汉宁函数或贝克曼函数)。在第二子步骤中，通过对开窗数据实施快速傅立叶变换(FFT)来创建频谱。在第三子步骤中，以包括对一系列类似事件的全体系统响应的方式(例如，以使得误报警最少的方式)来调整频谱的比例，以创建频谱屏蔽。在第四子步骤中，将所得到的频谱屏蔽与每一个事件相关联，并存储在数据结构中(例如，数据库或其它类似的可检索的结构)。在步骤802，将从光学检测系统获得的(例如，通过从多个现场节点接收的光强度度信息的处理，从主节点获得的)检测特性与存储在存储器中的多个预定特性进行比较。再次参考上述的频谱示例，步骤802可以包括两个子步骤。在第一子步骤中，在正常操作期间获得数据的开窗样本(例如，在管线监测应用中使用光学检测系统)，作为时间的函数产生这个数据的频谱(例如，在此，可以通过对时间窗口上获得的数据执行快速傅立叶变换来产生这个频谱)。随后，在第二子步骤中，将在正常操作期间产生的频谱与预先关联于警报事件(及令人厌恶事件)并存储的那些进行比较(例如，与在步骤800中提供的特性进行比较)。、
在步骤804，确定在步骤802检测特性与步骤800中存储在存储器中的多个预定特性中的至少一个之间的匹配是否是可接受的程度。如果不存在这种可接受级别的匹配(即，在步骤604处的答案是“否”)，那么处理返回到步骤802，进一步与更新的数据进行比较。如果存在这个可接受级别的匹配(即在步骤604处的答案是“是”)，则可以在步骤808产生警报。如本领域技术人员理解的，特定类型的事件可以具有瞬时性的特性，且瞬时匹配(即，在步骤804处瞬时的可接受级别的匹配)足以在步骤808产生警报。然而，其它类型的事件可以具有适合于确认事件在预定时间段中持续的类型。在此情况下，即使在步骤802处存在可接受级别的匹配(即，在步骤804的答案是“是”)，处理也不会立即产生警报，而是可以继续进行到步骤806，在此确定可接受级别的匹配是否存在达预定时间段(例如，或者对处理的操作数据实施持续性测试，以查明它是否超过警报阈值，在此该阈值可以是预定的时间段，或者一些其它阈值)。如果在步骤806处的答案是“是”，则在步骤808产生警报。如果在步骤806处的答案是“否”，则处理就继续进行到步骤802以便继续监测。可以以闭环方式来完成确定可接受级别匹配是否存在达预定时间段的步骤806，其中，针对可接受级别的匹配存在的每一增量的时间段更新计数器。尽管与管线监测相关地描述了本发明，但本发明的教导也可以应用于如用户所期 望的多个应用中的任意一个。可以以任何预期的结构布置在此示出并描述的光纤和电缆。例如，如所期望的，可以在元件之间的单个长度或多个长度中提供每一条光纤。在特定示例中，图3中的光纤160通过引线315连接到光环形器320的端口 2 ;然而应理解，如果需要，引线315可以是光纤160的一部分。类似地，光环形器320的端口 3和光耦合器330通过引线317和322连接；然而应理解，如果需要，引线317和322可以是相同长度的光纤的一部分。尽管与特定示例性元件(例如，相对于图2-7A、B示出并描述的元件)相关地描述了本发明，但其并不限于这些元件。光学检测系统可以使用权利要求范围和精神内的多种组件中的任意一种。尽管主要相关于感测干扰的多段光学感测电缆400a、400b等(例如，图1A-1B中的)描述了本发明，但本发明并不限于这些实施例。例如，可以将一个或多个点感测换能器集成到每一个感测区域中。这种点感测换能器可以用于感测在沿感测电缆段的特定“点”处的干扰，这与沿感测电缆段任意处的一般感测相反。此外，这样的点感测换能器可以包括不同于(和之外附加的)感测电缆段的元件或结构。尽管参照某些特定实施例示出并描述，但本发明并不旨在局限于所示的细节。相反，在不脱离本发明的精神的情况下，可以在权利要求的等同物的范围和区域内在细节上做出许多修改。
权利要求
1.一种用于监测管线的光学检测系统，所述光学检测系统包括 (a)主节点，邻近或远离待监测的管线，所述主节点包括(a)用于产生光信号的光源，以及(b)光接收器；以及 (b)多个光纤传感器，位于所述待监测的管线本地，所述多个光纤传感器用于将振动和声学能量中的至少一个转换为光强度信息，每一个所述光纤传感器包括(I)至少一段光纤，配置为感测振动和声学能量中的至少一个；(2)反射器，位于所述至少一段光纤的一端；以及(3)至少一个现场节点，用于接收来自所述主节点的光信号，所述现场节点沿着所述至少一段光纤发送光信号，所述现场节点接收从所述至少一段光纤返回的光信号，以及所述现场节点将光信号发送至所述主节点的所述光接收器。
2.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，所述光源包括发光二极管和激光器中的至少一个。
3.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，所述光源包括超辐射发光二极管和边缘发射发光二极管中的至少一个。
4.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，所述光源发射作为连续波(CW)模式的光能量的光信号。
5.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，每一个所述光纤传感器包括线性化的Sagnac干涉仪。
6.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，所述线性化的Sagnac干涉仪包括3X 3光纤稱合器、光纤的延迟线圈、消偏器和2X2光纤稱合器。
7.根据权利要求6所述的光学检测系统，其中，所述光源的输出端连接到所述3X3光纤耦合器的第一输入引线，并且其中，所述3X3光纤耦合器的第二输入引线连接到所述主节点的所述光接收器。
8.根据权利要求7所述的光学检测系统，其中，所述3X3光纤耦合器的第三输入引线配置为使得其不支持引导光，并且因此，反射光无法沿所述第三输入引线行进回到所述.3X3光纤耦合器，并且其中，所述延迟线圈的引线连接到所述3X3光纤耦合器的输出引线，以及所述延迟线圈的另一引线连接到所述2X2光纤耦合器的输入引线。
9.根据权利要求7所述的光学检测系统，还包括在所述主节点与所述多个光纤传感器中的最接近所述主节点的第一个光纤传感器之间的引线电缆，所述引线电缆连接到所述多个光纤传感器中的所述第一个光纤传感器的现场节点。
10.根据权利要求9所述的光学检测系统，其中，由所述引线电缆提供所述光源的所述输出端与所述3X3光纤耦合器的所述第一输入引线之间的连接，以及提供所述3X3光纤耦合器的所述第二输入引线与所述主节点的所述光接收器之间的连接。
11.根据权利要求9所述的光学检测系统，其中，通过第一光环形器提供所述光源的所述输出端与所述3X3光纤耦合器的所述第一输入引线之间的连接，以及通过第二光环形器提供所述3X3光纤耦合器的所述第二输入引线与所述主节点的所述光接收器之间的连接。
12.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，所述主节点配置为接收并解释来自所述多个光纤传感器的所述光强度信息，所述主节点配置为(1)收集并保存特定时间窗口上的一组数据样本；(2)在每一个时间窗口内对该组数据样本执行傅立叶变换，以产生时间上的一系列频谱；(3)产生表示预定多个事件的振动频谱的频谱屏蔽；(4)将从所述多个光纤传感器接收的所述光强度信息的频谱与所述频谱屏蔽进行比较，以确定在时间窗口内所接收的光强度信息是否超过所述频谱屏蔽。
13.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，所述至少一个现场节点将从所述至少一段光纤接收的相位信息转换为强度信息。
14.根据权利要求I所述的光学检测系统，其中，每一个所述光纤传感器包括Michelsen 干涉仪。
15.一种用于监测管线的光学检测系统，所述光学检测系统包括 (a)主节点，邻近或远离待监测的管线，所述主节点包括用于产生光信号的光源和光接收器；以及 (b)光纤感测电缆，位于所述待监测的管线本地，所述光纤感测电缆包括至少一个感测区域，所述至少一个感测区域由所述光纤感测电缆的一对光纤Bragg光栅限界。
16.根据权利要求15所述的光学检测系统，其中，所述至少一个感测区域包括Fabry-Perot 干涉仪。
17.根据权利要求15所述的光学检测系统，其中，所述至少一个感测区域包括多个感测区域，所述多个感测区域中的每一个分别由所述光纤感测电缆的一对光纤Bragg光栅限界。
18.根据权利要求15所述的光学检测系统，其中，所述多个感测区域中的每一个包括Fabry-Perot 干涉仪。
19.根据权利要求15所述的光学检测系统，还包括位于所述主节点的光学相位解调器。
20.一种操作用于监测管线的光学检测系统的方法，所述方法包括步骤 (a)在存储器中存储与要使用所述光学检测系统监测的管线有关的事件的多个预定特性； (b)将从监测所述管线的所述光学检测系统获得的检测特性与存储在存储器中的所述多个预定特性进行比较；以及 (C)确定在所述检测特性与存储在存储器中的所述多个预定特性中的至少一个之间是否存在可接受级别的匹配。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括步骤(d):如果在步骤(c)确定存在可接受级别的匹配，则产生警报条件。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，如果在步骤(c)确定存在可接受级别的匹配，则所述方法还包括步骤(d):以闭环方式确定所述可接受级别的匹配是否存在达预定时间段，其中，针对存在可接受级别的匹配的每一个增量时间段更新计数器。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，如果在步骤(c)确定存在可接受级别的匹配，则所述方法还包括步骤(d):确定所述可接受级别的匹配是否存在达预定时间段。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括步骤(e):如果在步骤(d)确定所述可接受级别的匹配存在达所述预定时间段，则产生警报条件。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，步骤(a)包括(al)对一系列已知事件期间的一系列时间窗口内的一组采样的数据点应用开窗口函数；(a2)在步骤(al)之后，通过对该组采样的数据点应用快速傅立叶变换(FFT)来创建频谱；(a3)调整所述频谱的比例以包括对多个预定事件的全体系统响应，来创建频谱屏蔽；(a4)将所述频谱屏蔽与所述多个预定事件相关联，以及(a5)将所关联的频谱屏蔽存储在所述光学检测系统可访问的数据结构中。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，步骤(b)包括(bl)在所述光学检测系统的操作期间获取数据的开窗样本；(b2)作为时间的函数产生所述数据的开窗样本的频谱；以及(b3)将在步骤(b2)中产生的所述频谱与在步骤(a5)中存储的所关联的频谱屏蔽进行比较。
全文摘要
一种用于监测管线的光学检测系统。所述光学检测系统包括邻近或远离待监测的管线的主节点。所述光学检测系统包括(a)用于产生光信号的光源，以及(b)光接收器。所述光学检测系统还包括位于管线本地的多个光纤传感器，用于将振动和声学能量中的至少一个转换为光强度信息，每一个光纤传感器具有(1)至少一段光纤，被配置为感测振动和声学能量中的至少一个；(2)反射器，位于所述至少一段光纤的一端；以及(3)现场节点，用于接收来自所述主节点的光信号，所述现场节点沿着所述至少一段光纤发送光信号，接收从所述至少一段光纤返回的光信号，以及将光信号发送至所述主节点的光接收器。
文档编号G01B9/02GK102762952SQ201180009975
公开日2012年10月31日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年2月18日
发明者A·H·谢尔贝特钱, E·L·戈德纳, G·R·贝克, J·K·安德森 申请人:美国地震系统有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
