CN103090961A - 一种分布式光纤传感系统的扰动源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，利用自适应拟合法和快速傅里叶变换，快速找到系统频率响应曲线中的陷波频率，从而获得分布式光纤上扰动源的发生位置。本发明避免了传统方法中定位精度严重依赖于某几个陷波频率点准确性的缺点，降低了对振动信号频率成分的苛刻要求，提供了一种快速、准确、稳定的寻找扰动源位置的定位方法。

Description

一种分布式光纤传感系统的扰动源定位方法

技术领域

本发明涉及高速数据处理领域，涉及光纤传感领域，具体涉及一种分布式光纤传感系统的扰动源定位方法。

背景技术

光纤传感技术具有灵敏度高，布局灵活，抗电磁干扰，耐腐蚀等诸多优点，特别适用于高灵敏度要求及自然环境恶劣等情况的监测。分布式光纤传感技术中光纤同时具有传输和传感的功能，使得光纤链路的任一点都是敏感点,属于“海量”测量，理论上传感距离任意长，空间分辨率任意小。分布式光纤振动定位技术是分布式光纤传感技术的重要分支，利用光纤的应力敏感特性，连续实时地监测光纤链路周边的振动和入侵信号，能满足许多特殊环境的要求，在军事基地和边境线等重要场所的入侵监测、桥梁隧道的健康监测、油气管道监测及工厂社区的安防领域有重要应用前景和重大的经济效益。

白光干涉型分布式光纤振动定位系统使用直线型Sagnac干涉仪（或环形Sagnac干涉仪）作为基本传感结构，参与干涉的两路信号光经过完全相同的传播路径，因此对外界环境的缓变噪声有很强的免疫性。另外，系统采用宽谱激光器作为光源，采用普通单模通信光纤作为传感介质，具有成本低廉的优势，利于产业推广。因此，对白光干涉型分布式光纤振动定位原理及系统的研究成为国内外的关注热点。

白光干涉型分布式光纤振动定位系统结构如图1所示，宽谱光源1发出激光，进入3×3耦合器3，3×3耦合器3的一路输出端通过延时光纤6与3dB耦合器8连接，另一路输出端直接与3dB耦合器8相连，两路光强近似相等的信号光经过3dB耦合器8合束后进入传感链路。9为扰动源10之前的光纤传感链路，11为10之后的光纤传感链路，光信号经反射镜12反射后返回到3×3耦合器3，输出光信号分别被光电探测器15，16接收并转换为电信号，最后信号被数据处理模块19接收并进行AD转换、信号解调、定位计算等处理。2、4、5、7、13、14都是光纤连接跳线，17与18为电信号数据线。

当外界振动信号作用于光纤链路时，由于光弹效应，会引起光纤中传输信号光的相位发生改变。设光纤受到角频率为ω_s=2πf_s的振动信号调制后相位变化为ΔΦsinω_st，每路光信号需要先后两次经过振动点，最后发生干涉的两路信号光的相位差为：

式中，L为振动源距离反射镜的长度，L_d为延时光线的长度，n为光纤折射率，c为光在真空中传播的速度。

当振动频率满足：

$f_{\mathrm{null}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{2\mathrm{\π}}=\frac{(2k-1)c}{4\mathrm{nL}},k=\mathrm{1,2,3}\·\·\·---\left(2\right)$

恒等于0，称频率f_null为“陷波频率”。设f₀为相邻陷波频率的间隔，由式（2）得

$L=\frac{c}{{2\mathrm{nf}}_0}---\left(3\right)$

理想的白噪声振动信号的傅里叶变换为绝对的正弦信号，因此近似白噪声的振动信号进行FFT，即可得到包含周期的“陷波频率”的陷波曲线，如图2所示，通过寻找其中的“陷波频率”，计算它们之间的频率间隔f₀即可由式（3）计算出扰动源位置L。

从式（3）知，“陷波频率”的准确性对振动源定位的精度至关重要。但我们从白光干涉型分布式光纤振动定位系统获得的“陷波曲线”（如图2所示）中不难发现，直接获得的陷波曲线包含很大的噪声，从中准确提取出“陷波频率”非常困难。即使对“陷波曲线”进行滤波、曲线拟合等处理也很难保证“陷波频率”的准确度。另外，虽然通常的振动信号（例如：踩踏，敲击等）包含了较宽的频率范围，但也难以保证为绝对理想的全谱信号。如果扰动源中缺失“陷波频率”，则会导致系统定位发生过大偏差甚至定位失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，解决传统“陷波频率”定位方法严重依赖于某一或某几个振动频率的缺点。

本发明的基本原理是：利用“陷波频率”呈现周期性的特点，通过对陷波曲线再次进行快速傅里叶变换（FFT）处理--“二次FFT”，能准确提取出隐含在其中的“陷波频率”间隔f₀，比传统直接寻找“陷波频率”方法具有更高的定位精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了针对分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，包括以下步骤：

步骤一、从频谱分析中获取“陷波曲线”，并对其进行低通滤波，消除曲线的高频噪声，使曲线变得平滑，得到的曲线称为“一次FFT频响曲线”；

步骤二、采用曲线拟合方法得到“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”；

步骤三、对“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”进行FFT，得到“一次FFT频响曲线”的频率响应曲线，称为“二次FFT频响曲线”；

步骤四、寻找“二次FFT频响曲线”中的峰值响应频率h，根据所述峰值响应频率h与“陷波频率”之间的间隔f₀的关系，计算出“陷波频率”间隔f₀；

步骤五、根据公式计算出扰动源位置并输出。

所述曲线拟合方法为“自适应拟合法”,具体步骤如下：

①根据系统监测光纤的总长度，设定一常数a₀作为三次样条拟合的初始拟合系数，并对“一次FFT频响曲线”进行三次样条拟合，得到与其向下趋势一致的模拟轮廓曲线，称为“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”；

②“一次FFT频响曲线”与“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”相减，即可近似获得去除向下趋势的频响曲线，称为“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”；

③对“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”进行FFT处理，分析系统“一次FFT曲线”的频谱成分，得到的曲线称为“预二次FFT频响曲线”；

④寻找“预二次FFT频响曲线”的峰值响应频率，该值的大小代表了“一次FFT曲线”的主要轮廓特征；依据峰值响应频率的大小，重新调整三次样条拟合新的拟合系数a；

⑤设定三次样条拟合的拟合系数为a，重新对“一次FFT频响曲线”进行拟合，得到的曲线称为“一次FFT频响曲线的拟合曲线”；

⑥“一次FFT频响曲线”减去“一次FFT频响曲线的拟合曲线”，消除掉“一次FFT频响曲线”的向下趋势，得到的曲线称为“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”。

优选的，所述寻找峰值响应频率h时，对峰值响应频率附近的局部频谱进行拟合，消除噪声干扰，获得更准确的峰值响应频率h。

本发明的“自适应拟合法”中计算三次样条拟合新的拟合系数a的方法有以下两种：

第一种：查找“标准拟合参考表”中峰值响应位置对应的拟合系数值，“标准拟合参考表”即峰值响应频率与拟合系数的对照表，由实验室提前对系统调试测定。

第二种：拟合参数设定为p*10^-q*x，其中p，q为常数，取值分别为[0,10]之间的实数，x为[0,10]之间的整数。

可选的，将“自适应拟合法”中“一次FFT频响曲线”的拟合方法所述的三次样条拟合方法及其对应的拟合系数，替换为B样条拟合方法及其对应的拟合系数，或者多项式拟合方法及其对应的拟合系数。

有益效果：本发明避免了传统方法中定位精度严重依赖于某几个陷波频率点准确性的缺点，降低了对振动信号频率成分的苛刻要求，提供了一种快速、准确、稳定的寻找扰动源位置的数据处理方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为白光干涉型分布式光纤振动定位系统结构图。

图中标号：1是光源，3是3×3耦合器，6是延时光纤，8是3dB耦合器，9和11是光纤传感链路，10是扰动源位置，12是反射镜或法拉第旋光镜，15和16是光电探测器，19是数据处理模块，2、4、5、7、13和14是光纤连接跳线，17和18是电信号数据线。

图2为白光干涉型分布式光纤振动定位系统获得的陷波曲线图。

图3为本发明具体实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述。

（1）一次FFT处理。

在本发明实施时，首先需要系统中的底层接口系统对干涉信号进行数据采集、相位解调、频谱分析并截取有效片段处理。由图2知，“陷波曲线”的噪声信号很大，需做初步滤波去噪处理。具体做法是：从频谱分析中获取“陷波曲线”，并对其进行低通滤波，消除曲线的高频噪声，使曲线变得平滑，得到的曲线称为“一次FFT频响曲线”。

（2）自适应拟合，去除“一次FFT频响曲线”的向下趋势。

由于“一次频响曲线”存在明显的“向下趋势”，对准确查找“陷波频率”带来很大的困难，需要设法消除该“向下趋势”。通常的作法是先获取“一次频响曲线”轮廓的大致拟合曲线，用原“一次FFT频响曲线”与其轮廓曲线做差即可去除掉“向下趋势”。

但在超长距离光纤链路监测中，扰动源发生在不同位置时对应的“一次FFT频响曲线”相差较大，若采用同一拟合系数对其进行拟合，易导致波形发生较大失真。因此本发明提供了一种“自适应拟合法”，通过增加对“一次FFT频响曲线”的波形特征进行预判断的环节，灵活调整拟合系数，避免了去除“向下趋势”过程中使曲线波形发生较大失真的现象。“自适应拟合方法”的具体步骤如下：

①根据系统监测光纤的总长度，设定一常数a₀作为三次样条拟合的初始拟合系数，并对“一次FFT频响曲线”进行三次样条拟合，得到与其向下趋势一致的模拟轮廓曲线，称为“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”；

②“一次FFT频响曲线”与“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”相减，即可近似获得去除向下趋势的频响曲线，称为“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”；

③对“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”进行FFT处理，分析系统“一次FFT曲线”的频谱成分，得到的曲线称为“预二次FFT频响曲线”；

④寻找“预二次FFT频响曲线”的峰值响应频率h，该值的大小代表了“一次FFT曲线”的主要轮廓特征；依据峰值响应频率h的大小，重新调整三次样条拟合新的拟合系数a。

⑤设定三次样条拟合的拟合系数为a，重新对“一次FFT频响曲线”进行拟合，得到的曲线称为“一次FFT频响曲线的拟合曲线”；

⑥“一次FFT频响曲线”减去“一次FFT频响曲线的拟合曲线”，消除掉“一次FFT频响曲线”的向下趋势，得到的曲线称为“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”.

（3）二次FFT处理，获取“一次FFT频响曲线”曲线轮廓的周期信息。

二次FFT处理是本发明的核心。由于振动信号的频率响应曲线成周期性包络分布，并且其周期与“陷波频率”的周期基本保持一致，所以通过对“陷波曲线”再进行一次FFT运算，通过寻找到“一次FFT频响曲线”的周期性，即可计算出其“陷波频率”的间隔f₀。

具体做法是：对“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”进行FFT，得到“一次FFT频响曲线”的频率响应曲线，称为“二次FFT频响曲线”。并利用高斯拟合方法对峰值响应频率局部频谱进行拟合，将拟合之后的最大响应频率作为“二次FFT频率响应”的峰值响应频率h。

（4）计算陷波频率的间隔。

由FFT原理，“二次FFT频响曲线”中“陷波频率”间隔f₀与峰值响应频率h的关系是：

$f_0=\frac{1}{h}---\left(4\right)$

因此将峰值响应频率h代入式（4）即可计算出“陷波频率”间隔f₀。

（5）计算扰动源位置并输出。

将（4）计算得到的“陷波频率”间隔f₀代入式（3），即可计算出扰动源发生位置L。最后，将L值输出到上层系统完成显示，报警等后续处理。

本发明的“自适应拟合方法”中常数a₀的设置原则是保证链路中点位置振动对应的“预去除向下趋势的一次频响曲线”基本消除趋势项，且产生“预二次FFT曲线”具有较高的信噪比，可由实验提前测定。

本发明的“自适应拟合法”中计算三次样条拟合新的拟合系数a的方法有以下两种：

第一种：查找“标准拟合参考表”（峰值响应频率与拟合参数的对照表，由实验室提前对系统调试测定）中峰值响应位置对应的拟合系数值；

第二种：拟合参数设定为p*10^-q*x，其中p，q为常数，取值分别为[0,10]之间的实数，x为[0,10]之间的整数。

值得指出的，多种曲线拟合方法都可以做到对“一次FFT频响曲线”的趋势拟合，但由于不同的拟合方法的原理不同，因此使用的拟合系数和调节方法也存在差异。本发明“自适应拟合法”中的拟合方法不限定为三次样条拟合方法及其对应的拟合系数，还可以为其它拟合方法及其对应的拟合参数，例如：B样条拟合方法及其对应的拟合系数、多项式拟合方法及其对应的拟合系数等。在计算新的拟合参数时，其他拟合方法可参考“三次样条拟合”使用的方法。

具体实施通过程序控制实现，程序流程如图3所示：

步骤[1]、从底层接口获取系统“陷波曲线”S₀；

步骤[2]、对S₀做低通滤波得“一次FFT频响曲线”S₁；

步骤[3]、初始化内部程序，设定拟合参数aa₀，循环计数变量i=0；

步骤[4]、对“一次FFT频响曲线”S₁进行三次样条拟合，得“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”S₂；

步骤[5]、S₁-S₂，得到“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”S₃；

步骤[6]、对“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”S₃进行FFT，得“预二次FFT频响曲线”S₄；

步骤[7]、查找“预二次FFT频响曲线”S₄的峰值响应频率h；

步骤[8]、判断i是否等于1：若否，则转至[9]；若是，则转至[12]。由以上程序知，循环计数变量i保持默认值为0，因此程序转至[9]；

步骤[9]、根据h的大小，重新调整拟合系数的大小a=a₁；

步骤[10]、循环计数变量i加1；

步骤[11]、重复步骤[4]~[8]；此时在步骤[8]中，循环计数变量i等于1，因此程序转至步骤[12]；

步骤[12]、根据式（4）计算“陷波频率”间隔f₀。

具体实施例：系统的传感链路总长度为52km，使用普通单模光纤的折射率为1.467，对发生在距离光纤尾端的16673m、26973m、47001m、50987m的扰动源进行监测，经过本发明得到的“陷波频率”间隔f₀分别为6110Hz、3782Hz、2172Hz、2003Hz，根据式（3）计算扰动源定位结果分别为16723m、27017m、47044m、51013m，定位误差分别为50m、44m、43m、26m。

由此可以看出，采用本发明对分布式光纤传感系统的扰动源定位精度相当高。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、从频谱分析中获取“陷波曲线”，并对其进行低通滤波，消除曲线的高频噪声，使曲线变得平滑，得到的曲线称为“一次FFT频响曲线”；

步骤二、采用曲线拟合方法得到“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”；

步骤三、对“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”进行快速傅里叶变换FFT，得到“一次FFT频响曲线”的频率响应曲线，称为“二次FFT频响曲线”；

步骤四、寻找“二次FFT频响曲线”中的峰值响应频率h，根据所述峰值响应频率h与“陷波频率”之间的间隔f₀的关系，计算出“陷波频率”间隔f₀；

步骤五、根据公式

计算出扰动源位置并输出,其中，n为光纤折射率，c为光在真空中传播的速度。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，其特征在于，所述曲线拟合方法为“自适应拟合法”,具体步骤如下：

①根据系统监测光纤的总长度，设定一常数a₀作为三次样条拟合的初始拟合系数，并对“一次FFT频响曲线”进行三次样条拟合，得到与其向下趋势一致的模拟轮廓曲线，称为“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”；

②“一次FFT频响曲线”与“一次FFT频响曲线的预拟合曲线”相减，即可近似获得去除向下趋势的频响曲线，称为“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”；

③对“预去除向下趋势的一次FFT频响曲线”进行FFT处理，分析系统“一次FFT曲线”的频谱成分，得到的曲线称为“预二次FFT频响曲线”；

④寻找“预二次FFT频响曲线”的峰值响应频率，该值的大小代表了“一次FFT曲线”的主要轮廓特征；依据峰值响应频率的大小，重新调整三次样条拟合新的拟合系数a；

⑤设定三次样条拟合的拟合系数为a，重新对“一次FFT频响曲线”进行拟合，得到的曲线称为“一次FFT频响曲线的拟合曲线”；

⑥“一次FFT频响曲线”减去“一次FFT频响曲线的拟合曲线”，消除掉“一次FFT频响曲线”的向下趋势，得到的曲线称为“去除向下趋势的一次FFT频响曲线”。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，其特征在于，所述寻找峰值响应频率h时，对峰值响应频率附近的局部频谱进行拟合，消除噪声干扰，获得更准确的峰值响应频率h。

4.根据权利要求2所述的分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，其特征在于：对“预二次FFT频响曲线”重新调整新的拟合系数a的具体方法包括两种：

第一种：查找“标准拟合参考表”确定峰值响应频率位置对应的拟合系数值；“标准拟合参数表”即为峰值响应频率与拟合系数的对照表，通过对系统实验测定获得；

第二种：拟合参数设定为p*10^-q*x，其中p，q为常数，取值分别为[0,10]之间的实数，x为[0,10]之间的整数。

5.根据权利要求2所述的分布式光纤振动传感系统的扰动源定位方法，其特征在于：将“自适应拟合法”中“一次FFT频响曲线”的拟合方法所述的三次样条拟合方法及其对应的拟合系数，替换为B样条拟合方法及其对应的拟合系数，或者多项式拟合方法及其对应的拟合系数。

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