脉宽复用式低误警油气管线安全预警方法及机理研究

High nuisance-alarm-rate is the bottleneck of the pipeline pre-warning system based on phase-sensitive optical time-domain reflectometer (Φ-OTDR). Prior research for reducing nuisance-alarm-rate is focused on data processing method and multiplexing method. However, the data processing method is limited to the single data source, and the multiplexing method results in complex configuration, and only two sensors multiplexing is realized. To break through the limitation of the traditional multiplex method, a novel method with pulse-width multiplexing is proposed, where the multi-sensor information fusion algorithm is adopted to process the data acquired under different pulse-width. This project will systematically investigate the differences of the vibration signal, the system noise and environmental noise under different pulse-width as well as the time evolution characteristics, and establish the mathematical model which can properly describe the properties of Φ-OTDR data under different pulse-width. By analysing the correlation and the difference of the data under different pulse-width, the optical configuration, the pulse-width parameters scheme and the combination performance of pulse-width multiplexing Φ-OTDR are optimized. This investigation provides a new and effective approach for reducing the nuisance-alarm-rate, and is able to promote the rapid development of pipeline pre-warning technology.

高误警率和漏警率是基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的油气管线安全预警系统的瓶颈限制。现有降低误警漏警的方法主要集中在数据处理以及与其它传感器的复用上，然而数据处理的方法受限于单一的数据来源，复用的方法由于结构复杂仅实现双传感器的复用，难以满足实际需求。为此，本课题组提出一种脉冲宽度复用的方法，用多传感器信息融合算法对不同脉宽下的数据进行综合处理，突破了传统方法复用数量的限制。本项目将系统地研究振动信号、系统噪声和环境噪声在不同脉冲宽度下的特性差异及其时间演化特性，建立能够正确描述Φ-OTDR数据随脉冲宽度变化的理论模型，进而深入挖掘不同脉冲宽度下数据的相关性和差异性，研究脉宽复用Φ-OTDR的光路结构、脉宽参数优化配置方案及综合性能优化措施。该项目的完成，可为降低Φ-OTDR的误警率和漏警率提供一种全新而有效的技术途径，有望推动油气管线安全预警技术的快速发展。

本项目开展了脉宽复用式低误警油气管线安全预警方法及机理研究。针对基于相位敏感光时域反射传感器（Phase-sensitive optical time-domain reflectometer, Φ-OTDR）的油气管线安全预警系统存在高误警率和漏警率的问题，提出了脉冲宽度复用的方法。首先分析了脉冲宽度对系统的影响机理，分别建立了激光器频率漂移噪声和系统探测性能随脉冲宽度变化的理论模型。在此基础上提出了脉冲宽度复用的方法，即向传感光纤中注入宽度不同的多个脉冲，利用不同脉冲宽度下Φ-OTDR数据的相关性和差异性，用多传感器信息融合算法对不同脉宽下的数据进行综合处理以降低误警率和漏警率。课题组设计了同步采样脉冲宽度复用的Φ-OTDR系统，搭建了四路复用系统，将系统的误警率和漏警率降低了约70%。之后又进一步设计了异步采样脉冲宽度复用的Φ-OTDR系统并搭建了八路复用的光路结构，实验结果表明，系统的误警率和漏警率降低了超过90%。最后，对脉宽复用系统的综合性能进行了优化，利用不同脉冲宽度下定位区间的交叉包含，成功实现了高定位精度的Φ-OTDR系统。本项目的完成，为降低Φ-OTDR的误警率和漏警率提供一种全新而有效的技术途径，有望推动油气管线安全预警技术的快速发展。