分布式光纤油气管道监测

发表时间: 2020-03-31 08:44:59

作者: 福州英诺科技

来源: DAS油气管道监测


光纤传感器的种类很多,有分布式光纤测温系统,分布式光纤振动监测系统。基于瑞利散射的分布式声波感测(DAS)系统使用光纤电缆提供分布式应变感测。在DAS中,光缆成为传感元件,并使用连接的光电设备进行测量并进行部分处理。这种系统允许在远距离和恶劣环境中检测声频应变信号。


基于瑞利散射的光纤传感基础知识


在基于瑞利散射的分布式光纤传感中,沿光纤发送相干激光脉冲,并且光纤内的散射点使光纤充当具有大约等于脉冲长度的标距的分布式干涉仪。在发射激光脉冲之后,反射光的强度将作为时间的函数进行测量。这被称为相干瑞利光学时域反射仪(OTDR)。当脉冲有时间在光纤的整个长度上传播并返回时,下一个激光脉冲可以沿着光纤发送。来自光纤同一区域的连续脉冲反射强度的变化是由光程长度的变化引起的那个部分的纤维。这种类型的系统对光纤的应变和温度变化都非常敏感,并且几乎可以同时在光纤的所有部分进行测量。

基于瑞利散射的系统的功能


最大范围


随着光脉冲沿光纤传播,光脉冲被衰减。对于工作在1550 nm的单模光纤,典型衰减为0.2 dB / km。

由于光必须沿着光纤的每个部分进行两次通过,因此,每1 km造成的总损耗为0.4 dB。当反射脉冲的幅度变得如此之低以致无法从中获得清晰的信号时,就会出现系统的最大范围。不可能通过增加输入功率来抵消这种影响,因为在一定水平以上会引起非线性光学效应,从而破坏系统的运行。通常,可以测量的最大范围约为40–50 km。


应变分辨率


可以测量的应变最大值取决于返回光信号的载波噪声比。载波电平在很大程度上取决于光信号的幅度,而噪声是来自各种来源的噪声的组合,包括激光噪声,电子噪声和检测器噪声。

空间分辨率和空间采样周期

空间分辨率主要取决于发射脉冲的持续时间,典型值为100 ns脉冲,给出10 m分辨率。反射的光量与脉冲长度成正比,因此在空间分辨率和最大范围之间需要权衡。为了改善最大范围,期望使用更长的脉冲长度以增加反射光水平,但是这导致更大的空间分辨率。为了使两个信号相互独立,必须从光纤上至少以空间分辨率分开的两个点获得它们。可以以小于空间分辨率的间隔获得样本,尽管这会产生彼此不独立的信号,但这种方法在某些应用中确实具有优势。空间采样期。

采集率

在下一个激光脉冲可以传输之前,前一个必须有时间到达光纤的远端,并且反射从那里返回,否则反射将同时从光纤的不同部分返回,并且系统将无法正常运行。对于50公里长的光纤,最大脉冲率刚好超过2 kHz。因此,可以测量在高达1 kHz 奈奎斯特频率的频率下变化的应变。较短的光纤显然可以实现更高的采集速率。


温度测量

尽管系统对温度和应变变化都敏感,但由于温度引起的波动往往会在比应变更低的频率范围内发生,因此通常可以将它们分开。与其他分布式光纤技术(例如基于布里渊或拉曼散射的技术)不同,分布式声学传感只能检测温度的变化,而不是其绝对值。


与其他光纤分布式传感技术的比较


分布式声感测依赖于光线,该光线由于光纤折射率的微小变化而被瑞利散射。反向散射光具有与透射光相同的频率。还有许多其他的分布式光纤传感技术,它们依赖于不同的散射机制,可用于测量其他参数。布里渊散射的发生是由于光和声子在光纤中传播之间的相互作用。当光被移动的声子散射时,其频率会因多普勒效应而偏移约10 GHz。在上方(反斯托克斯位移)和下方(斯托克斯位移)都产生光)原始光频率。这两个分量的强度和频率偏移取决于温度和应变,通过测量偏移,可以使用分布式温度和应变感应(DTSS)系统计算两个参数的绝对值。布里渊散射比瑞利散射弱得多,因此必须将多个脉冲的反射相加,才能进行测量。因此,使用布里渊散射可以测量变化的最大频率通常为几十赫兹。当光与分子振动相互作用而散射时,会发生拉曼散射在纤维中。与布里渊散射一样,斯托克斯分量和反斯托克斯分量都会产生,并且这些分量会从入射光的波长偏移几十纳米。通过测量斯托克斯和反斯托克斯分量之间的强度比,可以通过分布式温度传感(DTS)系统测量温度的绝对值。[4]与布里渊散射相比,更大的波长漂移意味着更容易将散射的拉曼光与未漂移的瑞利散射分量分开。但是,拉曼散射的强度甚至低于布里渊散射,因此通常需要平均数秒甚至数分钟才能获得合理的结果。因此,基于拉曼的系统仅适用于测量缓慢变化的温度。


相敏相干光学时域反射仪


相敏相干光学时域反射仪(ϕ-OTDR)是一种可以为这些分布式声感测系统提供足够灵敏度和分辨率的技术。[5]标准光学时域反射技术使用相干长度短于脉冲长度的光源。这可以产生来自每个散射中心的反向散射强度的总和,从而允许监视光纤电缆中的接头和断裂。相反,在基于ϕ-OTDR的传感器中,激光的相干长度大于其脉冲长度。光纤附近的事件会产生声波,该声波会通过改变反向散射中心的相位来影响光纤。对此类信号的分析可以揭示它们对位于光纤对象附近的传感器和监控器的影响。

应用程序

基于瑞利的传感的灵敏度和速度允许在距每个激光源50公里的距离内进行分布式声学监控。使用合适的分析软件,可以连续监控管道是否存在有害干扰以及泄漏或流量不规则现象。可以监视道路,边界,周界等异常活动,并将活动位置确定在大约10米以内。由于光纤具有在恶劣环境中运行的能力,该技术还可用于油井监控应用中,从而可以确定油井状态的实时信息。未使用的光纤电缆,即所谓的暗光纤,正用于地震感应。一根电缆可以提供一系列的区域地震活动监测器,还可以检测数千公里外的地震。


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