0引言

傳統(tǒng)的管道通徑檢測儀能夠很好的解決管道內(nèi)徑變形的監(jiān)測，然而只是記錄了形變發(fā)生的位置，在發(fā)生形變管道內(nèi)側的徑向具體位置卻不能給出令人滿意的結果。隨著人們對管道檢測要求的越來越高，對通徑檢測儀提出了較高的要求。

為了滿足目前對檢測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的高精度要求，本文設計了運用光纖陀螺技術到管道內(nèi)徑徑變檢測的測量方法。光纖陀螺儀作為一種新穎的基于光學Sagnac干涉效應的靈敏角速度感應元件，能夠準確測量運動物體的角速度，當將裝有光纖陀螺的檢測儀沿著被測物體的表面運動時，通過數(shù)據(jù)采集裝置記錄其在運動過程中的各處角速度變化值，進一步進行計算轉化就可測出該裝置精確地運動軌跡，通過分析繼而得出被測物體的表面變化曲線。將得到的表面曲線與檢測儀采集得到的計程輪檢測的行程數(shù)據(jù)，旋轉編碼器檢測的形變數(shù)據(jù)綜合分析，從而實現(xiàn)準確的定位管道內(nèi)何處發(fā)生幾何異常及其發(fā)生異常的程度，在此基礎上對管道的運行狀況和管壁的厚薄做出正確的評估方案。本章主要研究了在海底管道內(nèi)變徑的檢測方法中有關光纖陀螺技術的應用及其檢測方法和數(shù)據(jù)的處理。

光纖陀螺在精確測量角速度方面，其明顯的優(yōu)點主要是具有高靈敏度，能夠實現(xiàn)長時間、不間斷的測量[1]。

在進行實際的海底管道檢測工程中，作為被測對象的海底管道往往距離觀測室?guī)资酥辽习俟铮姨貏e是在這種像水下的長距離作業(yè)，根本不可能用電纜作為傳輸數(shù)據(jù)的工具，所以就需要將光纖陀螺應用在我們設計的管道通徑檢測儀中并密封，同時要達到能夠實現(xiàn)電源的有效供給并做到不間斷的記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存儲。本文所設計的基于光纖陀螺的管道內(nèi)徑徑變測量系統(tǒng)采用嵌入式計算機作為控制平臺，這是因為工控式計算機，可以在震動、潮濕和高溫等惡劣的條件下實現(xiàn)長期穩(wěn)定工作，所以決定采用嵌入式的模式化設計是實現(xiàn)海底管道通徑檢測的首選方案[2]。

1光纖陀螺原理---薩格奈克效應

由于光在真空中傳播，其折射率為零，根據(jù)這一基礎理論假定光是在一個理想化的如圖1-1所示圓形光路中進行傳播。來自光源的光被分束器分成兩束在同一光路中分別朝著兩個相反的方向傳播。在干涉儀靜止不動時，則兩束光束同相同時返回其出發(fā)點（圖1a），不存在相互間的偏差干涉。我們選取點M作為靜止參考系的參考點，經(jīng)分束器分離的兩束光從M點進入干涉儀（圖1b），當干涉儀不再靜止而是發(fā)生旋轉時，則兩束光在理想的圓形光路中還是以同樣的速度沿兩個恰相反的方向傳播；需要注意的是，因為干涉儀是旋轉的，經(jīng)過了一段時間tv后，分束器的相對參考點已經(jīng)發(fā)生了變化從點M移到了點M'，伴隨著就出現(xiàn)了一個問題，那就是與旋轉方向同向的光波在光纖環(huán)中所經(jīng)歷的路程比那束與干涉儀旋轉方向相反的光波要長。取兩束光的相對路程差為2ΔLv，ΔLv可以通過干涉法測量得到[3][4]。

a)系統(tǒng)靜止                                    b)系統(tǒng)旋轉

a)Geostationarysystem                           b)RotationSystem

圖1理想圓形光路的Sagnac效應

取圓形光路的半徑為R，干涉儀順時針方向以角速度Ω旋轉，經(jīng)分束器分離的兩束光沿圓形光路方向傳播。

可以取圓形光路上一定點(如圖1-1b)中的點M)，經(jīng)分束器分離的兩束光以M為起點在圓周內(nèi)以相同的光速c各自按順時針和逆時針進行傳播。如果圓形光路沒有旋轉相對靜止，也就是在角速度Ω=0時，由于光在圓環(huán)中從M點運動一周重新回到M點經(jīng)歷的路程都是2πR，同時到達，因此沒有光程差，也就不存在干涉。

如果光路是以角速度Ω順時針旋轉，那么光路中沿逆時針方向運動的光在歷經(jīng)光程Lccw后，在靜止參考系中，觀察到達的不是位置M點，而是M’點。雖然順時針和逆時針的光傳播時間一樣，但是因為逆時針運動的光波與光路的轉向不是同一方向，就導致沿圓形光路逆時針方向運動的光所經(jīng)歷的光程較小。

還有，Lccw也可記為等效光速Cccw與tccw的乘積。而沿順時針方向運動的的光，因為其在圓環(huán)中的運動方向與干涉儀轉向一致，就使得相同時間內(nèi)光程(Lcw)就相對變長。即：

對于真空中傳播的光而言，可以求出和，兩者之差為：

一般，上式可簡化為：

上式干涉儀以一定角速度時，經(jīng)分束器分離的兩束光沿圓形光路運動過程中產(chǎn)生的光程差與光路的旋轉角速度和光路環(huán)的面積A（即與光路半徑的平方）成正比。也就是說如果光路面積越大，光程差就越大，那么與之對應的相位差也就越大，進而光纖陀螺的靈敏度就越高[5]。

2光纖陀螺應用于管道形變檢測

在管道檢測過程中，當內(nèi)部裝載有光纖陀螺儀的檢測裝置緊貼著被測管道的管壁運動時，在發(fā)生形變處檢測儀的運行不再平穩(wěn)，產(chǎn)生角速度信號，通過設計的數(shù)據(jù)采集裝置對測得的角速度采集并計算，就可以得出檢測裝置準確的運行軌跡，在經(jīng)過相關分析和處理后，就可以以曲線形式在計算機上繪出檢測儀的真實運動軌跡，并得到在被測管道管壁發(fā)生的形變情況[6][7]。

圖2軌跡測量示意

假設裝有光纖陀螺的檢測裝置沿圖中所示的曲線運行，取其在第i時刻運行到（Xi,Yi）點，這時陀螺儀在點（Xi,Yi）的線速度為Vi，角速度為Ωi，如果足夠的小，那么第（i+1）點的坐標近似表示為：

所以通過以上分析，當裝有光纖陀螺儀的檢測裝置沿被測管道的管壁運行，可以測出所經(jīng)過管道的一維形變曲線。

在管道形變測量中應用光纖陀螺技術有其優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在:不需要其他的基準點，只以起點作為基準點;相比過去的測量設備在架設困難的缺點來說，相對安裝比較容易;在遠距離測量中得到應用，可以做到不間斷測量;如果采用3個陀螺儀以相互正交的方式構成捷聯(lián)式慣性測量系統(tǒng)(IMU)，就可以實現(xiàn)準確地測量出管道內(nèi)三維變化曲線[8]。如果把在正交直角坐標系方向上放置三個光纖陀螺環(huán)，同時在這三個方向再裝置三個加速度傳感器，那么可以就可以組成一個完整的測量體系，測出被檢測管道內(nèi)部完整的管道變化情況，包括形變的定位和大小[9]。

3光纖陀螺信號的處理

針對陀螺信號的數(shù)據(jù)處理，減小隨機誤差主要有兩種基本解決辦法：一是事先建立隨機噪聲的模型，并應用kalman濾波等方法進行一定的補償，，可以滿足實時要求，并運用自適應的方法，以增強其適應環(huán)境變化的能力達到消除漂移噪聲的目的；二是采取直接對輸出信號進行消噪處理的辦法，可是傳統(tǒng)的低通濾波器存在有用信號和噪聲重疊現(xiàn)象，而數(shù)字濾波器精度不是很高，而且參數(shù)調(diào)整比較麻煩，自適應能力差。本文所采用的小波閾值方法很好地解決了這一問題[9][10]。

小波即小區(qū)域的波，是一種特殊的長度有限、平均值為零的波形。它有兩個特點：一是“小”，即在時域具有緊支集或近似緊支集；二是正負交替的“波動性”，也即支流分量為零。

小波分析優(yōu)良的多分辨率分析特性特別適用于非平穩(wěn)時變信號的分析和處理，能夠根據(jù)信號和噪聲在小波域具有不同的特征表現(xiàn)，將有效信號和噪聲分離開來，具有良好的消噪效果。從信號處理的角度講，小波(變換)是強有力的時頻分析(處理)工具，是在克服傅立葉變換缺點的基礎上發(fā)展而來的，所以從信號處理的角度認識小波，需要傅立葉變換、傅立葉級數(shù)、濾波器等的基礎知識。

傅立葉分析是將信號分解成一系列不同頻率的正弦波的疊加，同樣小波分析是將信號分解為一系列小波函數(shù)的疊加，而這些小波函數(shù)都是由一個母小波函數(shù)經(jīng)過平移和尺度伸縮得來的。

本文分析了用于光纖陀螺誤差信號的小波閾值去噪方法。小波閾值濾波算法比較簡單不必通過先驗知識對信號在最小均方意義下進行估計。

小波的去噪方法分為三類：小波變換極大值的去噪方法；基于相關性的小波變換域內(nèi)系數(shù)濾波；以及小波閾值濾波。

小波算法去噪的主要原理是先將含有噪聲的信號分解到不同的頻帶內(nèi)，找到噪聲在小波函數(shù)空間對應的最佳映射，對信號進行濾波處理分析（小波變換系數(shù)置零），能夠將噪聲信號濾除并保留有用信號的原始特征，將得到的特征信號與低通濾波后的信號進行小波組合重構，那些置零的小波系數(shù)在小波重構過程中不起作用，達到去噪的目的[11][12]。

將基于閾值的小波去噪法應用于光纖陀螺信號的噪聲處理中。具體步驟可分為以下三步:

（1）選擇合適的小波，對所給的信號作小波變換，將信號由空域變換到頻域，得到小波變換系數(shù)W——對陀螺輸出信號作小波分解，小波函數(shù)的選取通過實際比較來選擇;

（2）對小波系數(shù)做相應處理——對小波系數(shù)作門限閾值處理。計算小波閾值δ，選擇合適的與閾值方法（軟閾值或硬閾值），對小波與之進行取舍，得到新的小波系數(shù)Wδ閾值的選取，從直觀上說，對于得到的小波系數(shù)，噪聲越大，閾值也應當越大，因此的它的選擇恰當與否會直接影響降噪的質(zhì)量。Donoho等人提出了一種典型的閾值選取方法，在理論上給出并證明了閾值公式為:

其中，n為信號長度，σ為噪聲強度;閾值與噪聲的方差成正比。事實上，對于有限長的信號，上式僅是對閾值優(yōu)化的上界[12]。

（3）對得到的小波系數(shù)Wδ進行逆小波變換，還原原信號，得到去噪后的圖像——光纖陀螺信號的小波重構,從而獲得去噪以后的陀螺信號。

4結論

本章主要介紹了如何將光纖陀螺應用在海底管道變徑檢測中，并詳細闡述了光纖陀螺的基本原理，應用在管道檢測中的優(yōu)點，針對光纖陀螺的零點漂移造成的誤差積累問題，提出了小波閾值的處理方法。