管道光纤安全预警系统

管 道 光 纤 安 全 系 统技术方案北京奥普智信光科技术有限公司兰州奥普信息技术有限公司2021年 9月目录1. 综述32. 设计标准及规范43. 系统原理53.1. 智能光纤报警系统系统技术原理53.2. 相位-OTDR瑞利相干检测原理63.3. 智能识别和模态建模，提高行为识别能力。74. 一般通用技术参数85. 技术优势86. 设计要求117. 指标和功能127.1. 智能光纤报警系统系统技术要求127.2. 系统功能127.3. 智能识别和模态建模，提高行为识别能力。168. 日常维护181. 综述激光光纤传感法的监测原理为探测管道挖掘、盗取等破坏事件引起附近的光纤振动变化，最终通过激光技术来探测引起光纤感振动、振动的部位，采用软件分析激光的变化特性从而确定管道防盗、防挖掘的部位。 传感器为光纤，目前的一般探测长度可达到60公里。当光纤传感器受到振动、振动变化、物体运动(比如径向或轴向压缩、拉伸和弯曲等) 或声信号(如应变波或声发射波) 的振动时，传感器的响应将是振动引起光纤敏化部分的函数。目前光纤传感器的响应频率范围为 0.1 Hz100 kHz。 光纤安全监测传感系统可与光纤通讯工程使用同一条光缆（其中1芯光导纤维）。本项目中，入侵信号感应/传输光缆为单模通信光缆，通信光缆（入侵信号感应/传输光缆）为铠装，和管线同沟埋地敷设；通信光缆（入侵信号感应/传输光缆）具有耐高温的特点，可以用于高温环境下的通信和振动/振动监测。该监测系统可以监测输油管道、燃气管道的防盗测泄漏，并提出预警，使工作人员可以及时采取措施，防止危险行动进一步发生。 由于该系统的传感器是光学器件，不受电磁干扰，因此该系统测试灵敏度较高，同时可使用现有直埋通信系统光缆进行监测，大大降低工程费用。2. 设计标准及规范 GB16796安全防范报警设备安全要求和实验方法 SY/T 4121天然气管道智能光纤报警系统设计及施工规范 GB50160-92石油化工企业设计防火规范 SH /T3 104-2000石油化工仪表安装设计规范 SJ2866-88电气施工一般验收规范 GB50348-2004安全防范工程技术规范 GA/T74-2000安全防范系统通用图形符号 GA/T75-1994安全防范工程程序与要求 GA/T670-2006安全防范系统雷电浪涌防护技术要求 GA/T28181-2011安全防范视频联动系统联网系统信息传输、交换、控制技术要求 SY/T 4108输油（气）管道同沟敷设光缆（硅芯管）设计及施工规范 YD/T1588.2-2006 光缆线路性能测量方法第二部分：光纤接头损耗 Q/AK 42 光纤入侵报警系统专业技术要求 GB50395-2007 入侵报警系统工程设计规范 GB10408.1-2000 入侵探测器通用技术条件 GB17859计算机信息系统安全保护等级划分标准 DB33/T629.16-2011跨区域视频联动系统联网共享技术规范 GB/T12504计算机软件质量保证计划规范3. 系统原理3.1. 智能光纤报警系统系统技术原理系统利用了光纤干涉和-OTDR效应技术实现对可能破坏管道的事件进行监测与定位。当光脉冲在光纤中向前传播的同时，由于光纤在拉制过程中形成的微小折射率波动，使得传输光产生了瑞利散射，其中后向散射光会沿光纤返回至发送端，通过对返射光所需时间的光的测量，即可确定光发生散射的位置。当有入侵行为时，其所引起的振动将导致入侵位置光纤的折射率等结构参数产生变化，使该处光的相位发生变化。由于脉冲光前后沿的干涉作用，将引起后向瑞利散射光强发生变化。通过探测瑞利散射光强度的变化即可准确探测入侵事件。 当埋在地下的通信光缆（入侵信号感应/传输光缆）附近的土壤等媒介受到振动、挖掘等振动时，土壤的振动将传递到通信光缆（入侵信号感应/传输光缆）上，引起光缆中光纤折射率的波动，光传输到振动点时，光的相位发生改变，从而导致该点的后向瑞利散射光的干涉光斑发生改变。通过监测这种改变即可判断有影响管道安全的事件发生；通过精确计量振动发生的时间，并根据光在光纤中的传播速度，就可以计算出振动（扰动）发生的具体位置。3.2. 相位-OTDR瑞利相干检测原理在相位敏感-OTDR系统中，光脉冲被发射到探测光纤中，返回的瑞利散射的波形由于不同的散射中心的相干作用被调制成锯齿状。通过分析返回的瑞利波形的变化，就可以监视探测光纤中由于入侵者带来的折射率变化。相位敏感-OTDR，采用的是窄带激光，因而引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，探测光纤范围的弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。同时采用的是窄带短脉冲激光，相应极大地提高了空间分辨率。如果采用相干的光脉冲做OTDR的探测光源，则返回的瑞利波形将呈现锯齿样，这种锯齿样的波形是由于一个光脉冲内的不同散射中心之间的相干叠加造成的。相位敏感-OTDR利用了锯齿样的波形。在相位敏感OTDR系统中，窄带的短光脉冲被发射到探测光纤中，返回的瑞利散射的波形由于不同的散射中心的相干作用被调制成锯齿状。通过分析这种锯齿状瑞利波形的变化，就可以监视探测光纤中由于外界振动带来的折射率变化。因而相位敏感-OTDR采用的是窄带激光，引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。同时采用的是短脉冲激光，相应极大地提高了空间分辨率。上图为-OTDR系统入侵示意图。当发生入侵时，入侵位置的光纤会发生应力形变，从而导致该处折射率发生改变，最终导致该处光的相位发牛改变，因此，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变而发牛改变，通过与未发生入侵检测到的信号进行比较，最终找出光强变化的时间对应入侵的确切位置。3.3. 智能识别和模态建模，提高行为识别能力。系统软件采用智能识别和算法技术建立模态建模功能，提高行为识别能力,减少误报。具有智能自学习能力。系统不仅要识别入侵行为，还要识别外界干扰，具备未知行为或者干扰的自学习和自识别能力。可通过记录行为的活动信号，波形信号经过傅里叶转换，进行特征频谱分析，提高探测率，降低环境噪音误报。可通过记录行为的活动信号，系统分析现场活动与光纤振动信号的关联，智能建立新的入侵模式和外界干扰模型，建立数十种入侵和外界干扰识别模式库。这样可极大的提高行为识别效果，有效提高系统稳定性、降低误报率。如系统软件下图，系统采集频率、相位、反射和波长实时信号，屏蔽噪音信号，捕捉有意义的光学图谱，结合捕捉的光学图谱建立相应的光学模态信号曲线，这一光学信号模态曲线与光纤信号模态识别库进行类比，从而智能判断事件类型。系统能通过智能识别技术，定义灵敏度和报警事件类别，做到对真正的挖掘、破坏行为发出报警信号，有效剔除干扰信号。4. 一般通用技术参数管道光纤预警系统采用先进的传感器技术，系统具有自动检测威胁事件和屏蔽非威胁事件的能力，具有监测距离长，定位精度高，漏报率低的特点，同时在可靠性、稳定性、抗干扰能力和通信能力等方面，性能优良。其主要技术指标：监测距离40km；在40公里监测距离的条件下达到以下指标：a)定位精度：20m-100m；b)漏检：无漏检；c)误报：4次/月/40公里；d)报警响应时间：3s-60s；e)检测范围：光缆两侧20米内（机械作业），光缆两侧5米内（人工开挖）；f)能有效区分干扰因素，抗干扰能力满足现场需求，对于重大干扰源可通过调整灵敏度进行有效预警。g) 以上关键技术指标探测距离、定位精度、报警响应时间和多事件同时探测能力提供第三方检测机构出具的检测报告。5. 技术优势技术优势1：技术实现先进受到国家科技部和工信部立项支持的，我厂研发的新一代高速光纤传感信号处理器代表了当前国内技术水平的前列。 立足于10余年来的艰苦创业，我们拥有一批产业核心技术的自主知识产权，掌握核心技术,拥有40项专利，产品多次获得国家和省市大奖。技术优势2：可实现振动、振动测量、定位和逐位置报警振动、振动报警和发生故障时，不仅能分区输出信号，也能准确定位，主机空间分辨率1米，有利于监测工作和检修维护的准确执行，可清楚监测到每条振动光缆的整体的振动、振动等的状态、趋势、位置、好坏与自检。 技术优势3：测量精度高系统的定位精度（或定位精度）：光缆两侧20米内（机械作业），光缆两侧5米内（人工开挖）。技术优势4：系统稳定性非常好，误报率低由于产品借鉴航天卫星温控系统的研发经验，信号处理器的电路达到军品级，信号处理器的核心配件选用的是国外进口的最好的产品，所以，信号处理器的稳定性非常好，抗干扰、抗误报能力强。技术优势7：智能识别和模态建模，提高行为识别能力系统软件采用智能识别和算法技术建立模态建模功能，提高行为识别能力,减少误报。具有智能自学习能力。系统不仅要识别入侵行为，还要识别外界干扰，具备未知行为或者干扰的自学习和自识别能力。可通过记录行为的活动信号，波形信号经过傅里叶转换，进行特征频谱分析，提高探测率，降低环境噪音误报。可通过记录行为的活动信号，系统分析现场活动与光纤振动信号的关联，智能建立新的入侵模式和外界干扰模型，建立数十种入侵和外界干扰识别模式库。这样可极大的提高行为识别效果，有效提高系统稳定性、降低误报率。技术优势6：高性能的数据分析：小波变换智能光纤报警系统系统通过小波变换实现光波持续脉冲和高频信号的处理，能够极大提高分析波形信号的准确性，降低误报。 技术优势7：高性能的数据分析：多分辨希尔伯特黄变换希尔伯特-黄（Hilbert-Huang）变换解决了在光纤散射的采集和分析过程中，分析频率随时间变化的非线性、非平稳信号的问题。技术优势8：数据采集和解调的准确性基础：卡尔曼滤波高质量的瑞利（RayLeigh）散射光的光学提取和高度准确的OTDR计算是算法的高质量基础。奥普公司采用卡尔曼滤波方法，研发出高性能的卡尔曼滤波器。技术优势9：无电测量技术以往在一些危险场合的参数测量多采用手工测量和电子测量，这里我们采用现场光纤式无电测量技术，实现了真正的本质安全。包括：实现了光信号到电信号的转换、实现了振动的信号转换、实现了管道安全和管道挖掘、盗取等破坏事件的预报警监测。利用现有管道的光缆，可以极大地节约成本，降低维护工作。 充分体现：本质安全+可靠耐用技术优势10：功能强大的数字化管理系统强大的数字化管理系统能实时显示所有位置的实时振动、振动数据和变化曲线；定位至每一个位置的光纤探测器，并实时显示位置和状态值，可查询历史记录；可以快速分辨出振动场的变化状态，按照振动变化，来进一步判断管道挖掘、盗取等破坏事件。在软件上，可以根据实际情况设定不同的报警值；可以进行数据查询，并记录系统的所有操作、报警信息，方便追溯。6. 设计要求1) 当挖掘、地质较大变化时，智能光纤报警系统在电子地图上显示入侵位置，并播放语音报警提示；2) 通过内部保密网络将入侵信号发送至其它监控平台，实现多点同时监控；3) 实现现场探测感应器件完全不带电工作，不产生漏电或者火花，不会有其他安全隐患；4) 系统具备智能模式识别功能，系统实现低漏报和低误报的设计目标；5) 系统能在复杂气象条件及各种周界地质环境中正常工作；6) 该项目管道附近的交