袁 敏，毋 焱，郝英杰，杨 帆

(北京埃德尔公司，北京100086)

一、引 言

常规的天然气泄漏检测方法有甲烷嗅觉传感器检测法、声波检测法、压力梯度法、质量或体积平衡法、泄漏噪声探测法、漏磁探测法、热红外成像法和应力波检测法等。目前应用最多的是甲烷嗅觉传感器法，这种检测方式低速低效、巡检周期长、检测周期长，而且只有燃气泄漏后扩散出地表才能检测，时效性差，存在一定的安全隐患。近年来，激光传感技术因具有测量距离远、定位精度高等优势而得到广泛的应用，国内外也已经展开了基于激光传感技术在管道泄漏监测方面的研究，使管道泄漏检测技术从传统的巡检便携式仪器检测向分布式、自动化、高精度和远程在线监测的方向发展。

激光分布式光纤传感技术是一种新型实时在线监测技术，其将探测光缆沿燃气管道并行敷设，可实现管道沿线的泄漏、温度突变、管道受力形变等异常状况实时监测，具有测量距离远、连续分布式测量、可精确定位、抗电磁干扰、安装简单、安全可靠、扩展性强等优点，对已经稳定的和新发生的泄漏都可以进行识别，适合埋地管道在线监测应用。

二、拉曼型激光分布式管网泄漏定位实时监控系统(ADG—DTS)

1.系统性能及应用

拉曼型激光分布式传感技术已在电力电缆、海洋石油平台、油田及航空、交通隧道、大坝等工程得到了广泛应用。该技术通过实时测量空间温度场分布来实现各被测场合的安全监测，连续监测距离可达10 km，定位精度为0.5～2 m，具有精度高、监测距离远、抗电磁干扰、数据传输及读取速度快、在线实时监测等优点，特别适用于燃气管道、输油管道、供热管道、自来水管道、高压输配电缆等工程的实时监测与故障点定位。

2.工作原理

拉曼型激光分布式传感技术利用了光纤自发拉曼散射现象，光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生拉曼散射。一部分光能转换成热振动，产生波长大于入射光的斯托克斯光;一部分热振动转换成热能，产生波长小于入射光的反斯托克斯光。反斯托克斯光对温度敏感，而斯托克斯光对温度不敏感，采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响，从而解析出温度变化信息，实现温度测量。

ADG—DTS系统的原理为:ADG—DTS系统主机监控器在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，激光在光纤中向前传播的同时，自发产生拉曼散射光波，拉曼散射光波的强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变，通过获取沿光纤散射回来的背向拉曼光波强度，可以解调出光纤散射点的温度变化;同时，根据光纤中光波的传输速度与背向光回波的时间的物理关系，可以对温度信息点精确位置进行定位(OTDR)。其系统工作原理如图1所示。

图1 ADG—DTS系统工作原理图

3.系统组成及性能

拉曼型激光分布式管网泄漏定位实时监控系统主要由ADG—DTS主机、传感光缆和数据处理分析软件构成。主机采用模块化设计，操作简单，可靠性高;传感光缆采用通信上常用单模或多模光纤，价格便宜;软件全中文操作，实时显示管线温度曲线，提供定温报警、差温报警和差定温报警等报警形式，并可与SCADA系统集成，主机数据可使用网络传输到系统终端进行处理。

AGD—DTS系统最长检测距离可达10 km，测温精度1°C，温度分辨率 0.1°C，漏点定位精度小于1 m，可提供最高8通道的监测，使用温度范围-30℃ ～+120℃(使用特种光线可扩展到+700℃)，使用寿命大于30年。

三、布里渊型激光分布式管网泄漏定位实时监控系统(BOTDA)

1.系统性能及应用

布里渊型激光分布式传感技术已在桥梁建筑、海洋石油平台、海底电缆、架空电缆、地下管道等工程得到了实际上应用，该技术通过实时测量被测场合的空间温度、应力场分布来实现各工程场合的监测。它的连续监测距离最高可达100 km，定位精度0.5～3 m，具有精度高、测量距离远、抗电磁干扰、数据传输及读取速度快、在线实时监测等优点，特别适用于燃气管道、输油管道、供热管道、自来水管道、高压输电线大坝等监测，同时能实现温度报警和应力报警，实现管线泄漏异常和应力监测功能。

2.工作原理

布里渊型激光分布式传感技术利用了光纤布里渊散射现象。光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用;同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为布里渊散射。

BODTA系统原理如图2所示。系统主机监控器在光纤一端注入一定能量和宽度的激光脉冲，在光纤末端注入一束泵浦激光，泵浦激光与光声子相互作用受激产生布里渊散射，当光纤受到拉压或温度作用时布里渊散射光发生多普勒频移，BOTDA系统通过测量这种多普勒频移的大小即可解调出光纤的温度与所受到的应变量;同时，根据光纤中光波的传输速度与背向光回波的时间的物理关系，可以对温度、应变信息点精确位置进行定位。

3.系统组成及性能

布里渊型激光分布式管网泄漏定位实时监控系统主要由BOTDA主机、传感光缆和数据处理分析软件构成。主机采用模块化设计，操作简单，可靠性高;传感光缆采用通信上常用的单模光纤，价格便宜;软件全中文操作，实时显示管线温度曲线，提供定温报警、差温报警和差定温报警等报警形式，并可与SCADA系统集成，主机数据可使用网络传输到系统终端进行处理。

BOTDA系统最长检测距离可达100 km，测温精度1°C，温度分辨率0.1°C，漏点定位精度小于 1 m，可提供最高4通道的监测，使用温度范围-30℃ ～+120℃(使用特种光线可扩展到+700℃)，使用寿命大于30年。同时，与ADG—DTS相比BOTDA除了测温以外还可以监测应力变化，从而实现管道形变监测。

图2 BODTA系统原理图

四、天然气管道泄漏判定

管道内的天然气一般低于环境温度，一但发生泄漏或应力变化，布置在管道外侧(如图3所示)的感温光缆可感知并传输泄漏点的温度降低或应力变化光信号。激光分布式管线泄漏定位监测主机实时接收感温光缆传送过来的光信号，并将信号解调成温度、应力信息，然后把温度、应力数据传输到中央数据库，对数据进行分析处理，从而发现泄漏、应力变化，如图4所示。

图3

五、结束语

激光分布式管网泄漏定位实时监控系统是一种新型的激光的高科技技术，应用其监测天然气、石油管道泄漏具有广阔前景。该系统具有其他传感器检测方法无法比拟的优势，目前国外已有应用。该系统可以进行大量分区，对各被监测区的温度变化趋势进行智能分析，并准确定位，可瞬时判定故障并准确定位;软件设置简单方便、可调整多级报警阈值;可联入局域网系统或其他网络系统，实现远程监控与信息共享;可与报警、摄像、消防等设备联动，以更好地保障燃气管网的安全运营。

图4

略)