CN103743461A - 分布式光纤振动传感器振源位置定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种分布式光纤振动传感器振源位置定位方法，所述传感器的振动的信号包括振源信号和振源附近信号，将上述接收信号进行信息处理得到两接收信号的互相关函数；对互相关函数进行傅里叶变换，得到频谱函数。由得到的频谱函数曲线与该位置无振源时原始频谱函数曲线比较，从而判断出振源位置。本发明采用互相关特性分析信号的相关性，获得互相关函数的频谱曲线，从而得到振源位置。本发明属于分布式光纤传感测量领域。

Description

分布式光纤振动传感器振源位置定位方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤振动传感器振源位置定位方法，属于光纤传感     测量技术领域。

背景技术

20世纪70年代中期,随着光导纤维和光纤通信技术的发展,光纤传感器开始迅速发展。光纤传感器以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术,通过被测物理量(如应力、温度、压力、电场、磁场等)对光纤内的传输光进行调制,使传输光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，在接收端通过对被调制光信号进行检测,得出被测物理量的一种新型传感器。与传统传感器相比，光纤传感器具有其独特的优点,如非接触式测量、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、超高压绝缘、耐高温腐蚀、防燃防爆、可灵活挠曲、测量对象广泛等。因而在许多大型工程方面具有迫切的应用需求,如铁路运行、水利与水电工程、桥梁隧道、大型展览馆与会场、输油气管道、大型舰船、环境与公路工程等的安全和健康监测等，在实时监控方面,基于光纤传感的大范围长距离监控系统,可用于大型工程现场以及重大政治、经济、军事基地的周界安防,通过实时监控重点区域,在突发事件发生时能够准确及时的得到通知并确认事件发生位置,以将损失降到最低限度。因此研究分布式光纤传感定位系统是一个非常有应用前景和实际意义的课题。

近年来，干涉型分布式光纤传感系统的研究在管道检测、安防检测等方面得到了广泛关注。由于基于相位调制原理，干涉信号中携带有信号信息及信号的作用位置信息，为了从中分离出信号的位置信息，提出了多种采用复合干涉结构实现定位的干涉型分布式光纤传感系统。采用复合干涉结构实现定位的方法，利用时域相位比值的方法定位，通过在时域上对两路干涉解调相位进行相除实现定位的。然而这种方法对解调信号的要求很高，传感光纤线路上叠加的干扰将对其产生很大的影响，因而定位精度较低。

总之，现在分布式光纤传感系统从本质上说属于相位调制型光纤传感器，作用于光纤上的外界扰动信号，根据光弹效应，引起光纤中传输光的相位变化，通过干涉方法(宽谱光源干涉),获得包含外界扰动信息的两路干涉光干涉信号。对干涉信号进行光电转换、放大、A/D转换等处理,得到包含外界扰动信息的数字信号。为了获得扰动特征,需要采用信号处理的方法,利用相位还原技术，从所获得数字信号中解调出相位变化信号。但实际上，由于噪声的干扰很难完全还原原有的振动相位。因此，互相关技术正是研究信号相关性的一种常见技术，它借助互相关函数来分析两路信号的相关性，从而获得互相关函数的曲线，知道不同的距离曲线的变化，而找到振源的变化。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了消弱噪声对振源的影响，提供一种分布式光纤振动传感器振源位置定位方法，其利用多个信号的互相关函数的曲线来判断振源的位置；这样信号中噪声和其它外界环境都不需要考虑。

技术方案：本发明针对现有技术存在由于噪声及其它环境因素的干扰，相位还原很难还原原有的振动信号，从而给信号处理带来很多麻烦。互相关技术正是研究信号相关性的一种常见技术，它借助互相关函数来分析两路信号的相关性，从而获得两信号之间的互相关曲线。在信号频谱特性不够理想，或者信噪比S/N较低的情况下，振源的峰值会受到噪声的影响，对精度和检测定位的准确性产生影响。

本发明分布式光纤振动传感器振源位置定位方法，采用如下技术方案：

通过采集卡采集两组同一振动类型的振动样本数据，用滤波方法得到两组有效振动信号，一个为振源信号，另一个为振源附近信号，该两接收信号的数学公式为：

x₀(t)＝s₀(t)+n₀(t)

x₁(t)＝δs₁(t-ΔT)+n₁(t-ΔT)

其中，δ为任意常数，x₀(t)表示振源信号，x₁(t)表示振源附近的信号，s₀(t)、s₁(t-ΔT)为振动有效信号；n₀(t)、n₁(t-ΔT)为均值为0的加性噪声；ΔT为两个信号的时间差；若n₀(t)，n₁(t-ΔT)为实平稳随机过程，信号s₀(t)，s₁(t-ΔT)与噪声n₀(t)，n₁(t-ΔT)不相关，所述两接收信号的互相关函数为： $R_{x_0{x}_1}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[x_0\left(t\right)x_1\left(t\right)\right]$

$={\∫}_t{x}_0\left(t\right)x_1(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$={\mathrm{\δR}}_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT});$

其中τ

相关函数关于时间的参数，

上式互相关函数频谱函数为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\δR}}_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT})\mathrm{d\τ}$

$={\mathrm{\δe}}^{\mathrm{j\ω\ΔT}}{F}_{R\left(\mathrm{\τ}\right)}\left(\mathrm{\ω}\right);$ 其中，ω为频率；

由上述公式可知，两组有效振动信号的频谱函数，由频谱函数绘出频谱函数曲线，不同的振源得到的频谱函数曲线不同，振源越远，得到的曲线越尖锐；而距离越近，曲线越平缓；因为振源距离不同，所得到的频谱函数曲线不同，记录不同振源的频谱函数曲线和位置，当系统下次进行定位时，将距离不同的振源与它们附近信号互相关，傅里叶变换后，把得到的频谱函数曲线与已经记录的曲线进行比较，从而判断振源位置。

有益效果：以前用于光纤振动传感器定位的方法都是基于相位还原，由于受到噪声以及外界环境的干扰，很难把相位还原到振动时的相位，这给我们定位带来了很多的技术困难。因此提出了利用互相关特性来分析两路信号的相关性，从而得到入侵发生的位置。

附图说明

图1是本发明的流程图，

图2是振源较远时频谱图，

图3是振源较近时频谱图。

具体实施方式

下面对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明的一种分布式光纤振动传感器振源位置定位方法包括：

通过采集卡采集两组同一振动类型的振动样本数据，用滤波方法得到两组有效振动信号，一个为振源信号，另一个为振源附近信号，该两接收信号的数学公式为：

x₀(t)＝s₀(t)+n₀(t)

x₁(t)＝δs₁(t-ΔT)+n₁(t-ΔT)

其中，δ为任意常数，x₀(t)表示振源信号，x₁(t)表示振源附近的信号，s₀(t)、s₁(t-ΔT)为振动有效信号；n₀(t)、n₁(t-ΔT)为均值为0的加性噪声；ΔT为两个信号的时间差；若n₀(t)，n₁(t-ΔT)为实平稳随机过程，信号s₀(t)，s₁(t-ΔT)与噪声n₀(t)，n₁(t-ΔT)不相关，所述两接收信号的互相关函数为： $R_{x_0{x}_1}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[x_0\left(t\right)x_1\left(t\right)\right]$

$={\∫}_t{x}_0\left(t\right)x_1(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$={\mathrm{\δR}}_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT});$

其中τ

相关函数关于时间的参数，

上式互相关函数频谱函数为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\δR}}_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT})\mathrm{d\τ}$

$={\mathrm{\δe}}^{\mathrm{j\ω\ΔT}}{F}_{R\left(\mathrm{\τ}\right)}\left(\mathrm{\ω}\right);$

其中，ω为频率；

由上述公式可知，两组有效振动信号的频谱函数，由频谱函数绘出频谱函数曲线，不同的振源得到的频谱函数曲线不同，振源越远，得到的曲线越尖锐；而距离越近，曲线越平缓；因为振源距离不同，所得到的频谱函数曲线不同，记录不同振源的频谱函数曲线和位置，当系统下次进行定位时，将距离不同的振源与它们附近信号互相关，傅里叶变换后，把得到的频谱函数曲线与已经记录的曲线进行比较，从而判断振源位置。

举例说明：过去的定位系统，由于受到噪声以及外界环境的干扰，很难把相位还原到振动时的相位，这给我们定位带来了很多的技术困难。因此提出了利用互相关特性来分析两路信号的相关性，从而得到入侵发生的位置。

Claims (1)

1.一种分布式光纤振动传感器振源位置定位方法，其特征在于该方法包括：

通过采集卡采集两组同一振动类型的振动样本数据，用滤波方法得到两组有效振动信号，一个为振源信号，另一个为振源附近信号，该两接收信号的数学公式为：

x₀(t)＝s₀(t)+n₀(t)

x₁(t)＝δs₁(t-ΔT)+n₁(t-ΔT)

其中，δ为任意常数，x₀(t)表示振源信号，x₁(t)表示振源附近的信号，s₀(t)、s₁(t-ΔT)为振动有效信号；n₀(t)、n₁(t-ΔT)为均值为0的加性噪声；ΔT为两个信号的时间差；若n₀(t)，n₁(t-ΔT)为实平稳随机过程，信号s₀(t)，s₁(t-ΔT)与噪声n₀(t)，n₁(t-ΔT)不相关，所述两接收信号的互相关函数为： $R_{x_0{x}_1}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[x_0\left(t\right)x_1\left(t\right)\right]$

$={\∫}_t{x}_0\left(t\right)x_1(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$={\mathrm{\δR}}_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT});$

其中τ相关函数关于时间的参数，

上式互相关函数频谱函数为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\δR}}_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT})\mathrm{d\τ}$

$={\mathrm{\δe}}^{\mathrm{j\ω\ΔT}}{F}_{R\left(\mathrm{\τ}\right)}\left(\mathrm{\ω}\right);$

其中，ω为频率；

由上述公式可知，两组有效振动信号的频谱函数，由频谱函数绘出频谱函数曲线，不同的振源得到的频谱函数曲线不同，振源越远，得到的曲线越尖锐；而距离越近，曲线越平缓；因为振源距离不同，所得到的频谱函数曲线不同，记录不同振源的频谱函数曲线和位置，当系统下次进行定位时，将距离不同的振源与它们附近信号互相关，傅里叶变换后，把得到的频谱函数曲线与已经记录的曲线进行比较，从而判断振源位置。

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