CN115793086A - 基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法及系统，方法包括：确定直埋管道与公路平行铺设的区段，将区段等间距划分为空间连续的多个探测单元；获取探测单元上的振动信号，并拼接得到振动信号矩阵；根据所述振动信号矩阵，得到符合车行信号特征的激励信号图块；根据激励信号图块涵盖的范围，提取各探测单元的车行振动信号片段；根据车行振动信号片段进行频谱分析，得到多个车行振动信号片段的主频；将多个主频按照空间序列排成一个数列并查找数列的奇异点，在查找到奇异点时，判断当前光缆敷设环境存在地下空洞。本发明利用直埋管道伴行通信光缆能够探测到光缆周围行驶车辆产生的振动信号的特点，查找存在地下空洞的位置。

Description

基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤振动传感领域，具体为一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法及系统。

背景技术

受交通量剧增、市政管线破损渗漏、地下工程施工建设、道路年久老化、运维不及时等因素的影响，城市道路下方存在大小、埋深不一的空洞。道路下伏空洞不利于结构承载，在车辆动载作用下易变形过大，发生失稳破坏，诱发路面塌陷问题，突发性强、危害性高。因此，对地下空洞进行检测非常必要，现有技术也公开了相关文献，如公开号US20190383899A1的美国专利于2019年12月19日公开的一种地下空洞检测方法，其通过向地下发送透射信号的方法来检测，又如公开号WO2020194371A1的PCT申请于2020年10月1日公开的一种地下空洞识别方法，其通过在地下管道中埋设检测器并分析检测器的检测信息来识别地下空洞。

如今，光纤通信已逐步成为油气管道通信的主流，远程控制只有通过通信光缆这座“桥梁”的传输才能有效进行。因此，管道伴行通信光缆是新型油气管网实现远程控制和数字化管理的基石。管道伴行光缆实时传送生产数据，如压力、流量、温度等，也可进行站场设备的远程监控、通讯等，部分还可作为预警光缆。

目前，还未发现利用管道伴行通信光缆进行地下空洞检测的相关文献。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法及系统，用以解决上述至少一个技术问题。

根据本发明说明书的一方面，提供一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，包括：

确定直埋管道与公路平行铺设的区段，将所述区段等间距划分为空间连续的多个探测单元；

获取直埋管道伴行通信光缆在所述区段各探测单元上的振动信号，将所述振动信号拼接得到振动信号矩阵；

根据所述振动信号矩阵，得到符合车行信号特征的激励信号图块；

根据所述激励信号图块涵盖的范围，提取各探测单元的车行振动信号片段；

根据所述车行振动信号片段进行频谱分析，得到多个车行振动信号片段的主频；

将多个所述主频按照空间序列排成一个数列并查找所述数列的奇异点，在查找到奇异点时，判断当前光缆敷设环境存在地下空洞。

上述技术方案利用直埋管道伴行通信光缆能够探测到光缆周围行驶车辆等外界激励源产生的振动信号的特点，对于天然气直埋保温管道与公路平行铺设的区段，通过光纤传感系统采集对应公路段内完整的车辆行驶过程信号，通过对此种车辆行驶过程信号进行频谱分析，可以对相应区段的光缆敷设环境地质状态进行判断，查找存在地下空洞的位置，并以此作为相应区段的报警策略调整以及地质状态监测的重要参考信息。

进一步地，上述技术方案中的奇异点指的是，主频所在位置相较其他位置有明显变化的探测单元。

作为进一步的技术方案，所述方法还包括：将直埋管道伴行通信光缆的其中一冗余纤芯接入光纤传感系统，作为振动探测器采集光缆沿线的振动信号。

作为进一步的技术方案，所述方法还包括：

对所述振动信号矩阵进行转换，得到图像矩阵；

对所述图像矩阵进行二值化处理，提取处理后图像的前景部分；

对所述前景部分做霍夫变换，查找并提取图像中的直线区域。

作为进一步的技术方案，所述方法还包括：获取直线区域中的直线段，分别提取各直线段所在区域的激励信号图块。

作为进一步的技术方案，所述方法还包括：

对每一所述车行振动信号片段分别进行FFT变换，得到多个原始振动数据片段频谱；

分别查找每一所述原始振动数据片段频谱的幅值最大值所对应的频率，作为相应探测单元的车行振动信号片段的主频。

作为进一步的技术方案，所述方法还包括：

获取来自同一激励信号图块的主频序列并进行光滑样条拟合，得到该激励信号图块的主频序列的包络趋势线；

计算各探测单元主频与对应位置包络线数值的差值绝对值，得到差值绝对值序列；

计算所述差值绝对值序列的均值，并计算所述差值绝对值序列与均值的比值，以所述比值作为判断阈值。

作为进一步的技术方案，所述方法还包括：

将同一激励信号图块的所有探测单元分别与判断阈值进行比较，在某一探测单元的主频超过判断阈值时，则将该探测单元的异常分值增1；

在某一探测单元的异常分值达到预警阈值时，确认该探测单元对应位置存在地下空洞。

根据本发明说明书的一方面，提供一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断系统，用于实现所述的方法，所述系统包括：

区段确定模块，用于确定直埋管道与公路平行铺设的区段，将所述区段等间距划分为空间连续的多个探测单元；

信号采集模块，用于获取直埋管道伴行通信光缆在所述区段各探测单元上的振动信号；

信号提取模块，用于将所述振动信号拼接得到振动信号矩阵，根据所述振动信号矩阵，得到符合车行信号特征的激励信号图块，根据所述激励信号图块涵盖的范围，提取各探测单元的车行振动信号片段；

频谱分析模块，用于根据所述车行振动信号片段进行频谱分析，得到多个车行振动信号片段的主频；

空洞判断模块，用于将多个所述主频按照空间序列排成一个数列并查找所述数列的奇异点，在查找到奇异点时，判断当前光缆敷设环境存在地下空洞。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用天然气直埋保温管道的伴行通信光缆的冗余纤芯，将其中一芯接入光纤传感系统作为振动探测器，采集光缆沿线的振动信号，通过判断天然气直埋保温管道道与公路平行铺设的区段，并提取对应公路段内完整的车辆行驶过程信号，再对此种车辆行驶过程信号进行频谱分析，实现相应区段的光缆敷设环境地质状态的判断，从而查找存在地下空洞的位置。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法的流程图。

图2为根据本发明实施例模拟地下空洞实验场地的车行信号分析结果示意图。

图3为根据本发明实施例模拟常规实验场地的车行信号分析结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明一方面提供一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，该方法利用直埋管道伴行通信光缆的冗余纤芯来采集振动信号，提取与直埋管道平行铺设的公路区段内行驶经过的车辆所产生的振动信号，并通过对所述振动信号的频谱分析，来达到识别对应区段内是否存在地下空洞的目的。

如图1所示，所述方法包括区段确定步骤，信号采集步骤，信号提取步骤，频谱分析步骤和空洞判断步骤。通过前述步骤的共同作用，对与直埋管道平行铺设的公路区段内的地下空洞进行检测和判断，检测结果除了可以作为相应区段的报警策略调整以及地质状态监测的重要参考信息，还可以用于优化光纤振动监测系统的运行效果，对于存在地下空洞的监测段，在降雨天气或者存在地下水时，极其容易受到水流冲刷信号的干扰，导致系统产生误报，因此需要对相应地下空洞区段设置更为严格的报警判断规则。

在区段确定步骤中，利用通信光缆的冗余纤芯，将其中一芯接入光纤传感系统作为振动探测器，采集光缆沿线的振动信号。在整条光纤链路中，以预设长度等间距划分得到多个探测单元。

可选地，所述预设长度的取值可在5米到8米范围内。仅以示例说明，在与直埋管道平行铺设的公路区段所对应的整条光纤链路中，以5米为一段，等间距划分形成多个探测单元。

考虑到数据处理效率，可提前预判所测区段的地质状态。对于地质状态较好的区段，可将预设长度设置的较大，以形成较少的探测单元，进而减少后端进行频谱分析时的数据处理压力，提高数据处理速度。对于地质状态较差的区段，则可将预设长度设置的较小，以形成较多的探测单元，从而保证待测区段的空洞检测全面性及准确性。

可选地，对所测区段的地质状态的预判可以借由技术专家经验来判断。或者，也可以从所测区段的地理环境、车流量等方面来判断。

在信号采集步骤中，通过伴行通信光缆采集确定区段内的振动信号，并将采集的振动信号发送至信号提取模块。

可选地，所述信号采集模块位于数据处理端。现场冗余纤芯将采集到的振动信号送入光纤传感系统，经由所述光纤传感系统将所述振动信号送入信号采集模块，所述信号采集模块对接收的信号进行预处理，使其能够送入信号提取模块进行处理。

这里的预处理指的是，将光纤链路中的空间连续的多个探测单元采集的振动信号进行拼接形成矩阵，即，矩阵的每列为一个探测单元的采集数据，按照各个探测单元的空间顺序，将每列数据进行拼接，形成振动信号矩阵。

在信号提取步骤中，具体包括如下：

步骤1，将所述振动信号矩阵转换为图像矩阵。即得到光纤振动瀑布图。

步骤2，统计图像矩阵的中位值作为分割阈值，对图像矩阵进行二值化处理，提取前景部分，对前景部分做霍夫变换，查找并提取图像中的直线区域。

步骤3，根据图像中直线的斜率，排除方向为垂直或水平的线段，对于余下的斜率符合条件的直线段，分别提取其所在区域的激励信号图块，提取方式：统计斜线段覆盖区域，提取二值图像中斜线段覆盖区域内的激励图块。

通过前述三个步骤，可以得到多个激励信号图块。

可选地，每个激励信号图块涵盖多个探测单元采集的原始振动数据。

进一步地，可以对每个激励信号图块分别进行分析，得到符合车行信号特征的激励信号图块（即处于斜线段区域内的图块），以便于基于车行信号特征进行频谱分析。对于每一个符合车行信号特征的激励信号图块，可将其转入频谱分析步骤进行频谱分析。

可选地，可从光纤振动瀑布图中提取符合车行信号特征的激励信号图块。这里的车行信号特征指的是车行振动信号形态特征。

在频谱分析步骤中，对于每一个符合车行信号特征的激励信号图块所涵盖的每一个探测单元，分别提取处于激励信号图块中的原始振动数据片段，即提取每个探测单元的车行振动信号片段。对提取出的车行振动信号片段进行FFT变换，得到对应车行振动信号片段的频谱。

通过对每一个符合车行信号特征的激励信号图块分别进行车行振动信号片段提取及FFT变换，得到一系列探测单元的多个频谱。

对于一系列探测单元的多个频谱，分别查找幅值最大值所对应的频率，记为相应探测单元的主频。

至此，得到每一个符合车行信号特征的激励信号图块所对应的主频序列。

进一步地，对从同一激励信号图块得到的主频序列进行光滑样条拟合，得到该激励信号图块的主频序列的包络趋势线。

进一步地，对同一激励信号图块对应的主频序列而言，计算各个探测单元主频与其对应位置包络线数值的差值绝对值，再求得此差值绝对值序列的均值，再计算差值绝对值序列与其均值的比值，设置比值的判断阈值为T，查找是否存在比值超过判断阈值T的探测单元。

若存在比值超过判断阈值T的探测单元，则其对应的异常分值自增1。

当某探测单元的异常分值达到预警阈值T_score,则对应位置被认为存在地下空洞的情况。

作为一种实施方式，利用所述方法模拟地下空洞实验场地，其车行信号分析结果如图2所示。从图中可见，其存在明显的主频异常现象，可以推断该主频所在探测单元对应的位置存在地下空洞。

作为作为一种实施方式，利用所述方法模拟常规实验场地，其车行信号分析结果如图3所示。从图中可见，不存在明显的主频异常现象，可以推断该探测单元对应的位置不存在地下空洞。

本发明还提供一种基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断系统，用于实现所述的空洞判断方法。

所述系统包括：区段确定模块，用于确定直埋管道与公路平行铺设的区段，将所述区段等间距划分为空间连续的多个探测单元；信号采集模块，用于获取直埋管道伴行通信光缆在所述区段各探测单元上的振动信号；信号提取模块，用于将所述振动信号拼接得到振动信号矩阵，根据所述振动信号矩阵，得到符合车行信号特征的激励信号图块，根据所述激励信号图块涵盖的范围，提取各探测单元的车行振动信号片段；频谱分析模块，用于根据所述车行振动信号片段进行频谱分析，得到多个车行振动信号片段的主频；空洞判断模块，用于将多个所述主频按照空间序列排成一个数列并查找所述数列的奇异点，在查找到奇异点时，判断当前光缆敷设环境存在地下空洞。

所述信号提取模块还用于，对所述振动信号矩阵进行转换，得到图像矩阵；对所述图像矩阵进行二值化处理，提取处理后图像的前景部分；对所述前景部分做霍夫变换，查找并提取图像中的直线区域。

所述信号提取模块还用于，获取直线区域中的直线段，分别提取各直线段所在区域的激励信号图块。

所述频谱分析模块还用于，对每一所述车行振动信号片段分别进行FFT变换，得到多个原始振动数据片段频谱；分别查找每一所述原始振动数据片段频谱的幅值最大值所对应的频率，作为相应探测单元的车行振动信号片段的主频。

所述空洞判断模块还用于，获取来自同一激励信号图块的主频序列并进行光滑样条拟合，得到该激励信号图块的主频序列的包络趋势线；计算各探测单元主频与对应位置包络线数值的差值绝对值，得到差值绝对值序列；计算所述差值绝对值序列的均值，并计算所述差值绝对值序列与均值的比值，以所述比值作为判断阈值。

所述空洞判断模块还用于，将同一激励信号图块的所有探测单元分别与判断阈值进行比较，在某一探测单元的主频超过判断阈值时，则将该探测单元的异常分值增1；在某一探测单元的异常分值达到预警阈值时，确认该探测单元对应位置存在地下空洞。

可选地，所述区段确定模块、信号采集模块、信号提取模块、频谱分析模块和空洞判断模块均可通过计算机程序实现。

可选地，所述系统可布设在电子设备上，所述电子设备可为工控机、服务器为计算终端。所述电子设备包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的计算机程序。

这里的计算机程序包括用于实现区段确定模块、信号采集模块、信号提取模块、频谱分析模块和空洞判断模块的计算机程序。所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断系统的工作流程。

该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口，其中，存储器可以

包括非易失性存储介质和内存储器。

非易失性存储介质可存储操作系统和计算机程序。该计算机程序包括程序指令，该程序指令被执行时，可使得处理器执行所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断系统的工作流程。

处理器用于提供计算和控制能力，支撑整个电子设备的运行。

内存储器为非易失性存储介质中的计算机程序的运行提供环境，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行任意一种所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断系统的工作流程。

该网络接口用于进行网络通信，如发送分配的任务等。

应当理解的是，处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (8)

1.基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，包括：

确定直埋管道与公路平行铺设的区段，将所述区段等间距划分为空间连续的多个探测单元；

获取直埋管道伴行通信光缆在所述区段各探测单元上的振动信号，将所述振动信号拼接得到振动信号矩阵；

根据所述振动信号矩阵，得到符合车行信号特征的激励信号图块；

根据所述激励信号图块涵盖的范围，提取各探测单元的车行振动信号片段；

根据所述车行振动信号片段进行频谱分析，得到多个车行振动信号片段的主频；

将多个所述主频按照空间序列排成一个数列并查找所述数列的奇异点，在查找到奇异点时，判断当前光缆敷设环境存在地下空洞。

2.根据权利要求1所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，所述方法还包括：将直埋管道伴行通信光缆的其中一冗余纤芯接入光纤传感系统，作为振动探测器采集光缆沿线的振动信号。

3.根据权利要求1所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述振动信号矩阵进行转换，得到图像矩阵；

对所述图像矩阵进行二值化处理，提取处理后图像的前景部分；

对所述前景部分做霍夫变换，查找并提取图像中的直线区域。

4.根据权利要求3所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，所述方法还包括：获取直线区域中的直线段，分别提取各直线段所在区域的激励信号图块。

5.根据权利要求1所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

对每一所述车行振动信号片段分别进行FFT变换，得到多个原始振动数据片段频谱；

分别查找每一所述原始振动数据片段频谱的幅值最大值所对应的频率，作为相应探测单元的车行振动信号片段的主频。

6.根据权利要求5所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取来自同一激励信号图块的主频序列并进行光滑样条拟合，得到该激励信号图块的主频序列的包络趋势线；

计算各探测单元主频与对应位置包络线数值的差值绝对值，得到差值绝对值序列；

计算所述差值绝对值序列的均值，并计算所述差值绝对值序列与均值的比值，以所述比值作为判断阈值。

7.根据权利要求6所述基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

将同一激励信号图块的所有探测单元分别与判断阈值进行比较，在某一探测单元的主频超过判断阈值时，则将该探测单元的异常分值增1；

在某一探测单元的异常分值达到预警阈值时，确认该探测单元对应位置存在地下空洞。

8.基于光纤传感的光缆敷设环境地下空洞判断系统，用于实现权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述系统包括：

区段确定模块，用于确定直埋管道与公路平行铺设的区段，将所述区段等间距划分为空间连续的多个探测单元；

信号采集模块，用于获取直埋管道伴行通信光缆在所述区段各探测单元上的振动信号；

信号提取模块，用于将所述振动信号拼接得到振动信号矩阵，根据所述振动信号矩阵，得到符合车行信号特征的激励信号图块，根据所述激励信号图块涵盖的范围，提取各探测单元的车行振动信号片段；

频谱分析模块，用于根据所述车行振动信号片段进行频谱分析，得到多个车行振动信号片段的主频；

空洞判断模块，用于将多个所述主频按照空间序列排成一个数列并查找所述数列的奇异点，在查找到奇异点时，判断当前光缆敷设环境存在地下空洞。

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