CN103994784A - 一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，通过一种改进的过零点分析方法得到扰动帧信号的频率分布，与过零率分析不同，本发明定位方法并不直接计算平均过零数，而是首先找出信号中的过零点位置，通过比较相邻过零点之间的信号点数来估计该段信号的频率，相邻过零点之间的信号点数越小，就说明该段信号的频率越大。将频率最大点附近的点作为有效信号段进行互相关时延估计，该段信号不仅包含了信号的高频信息，并且也具有宽频率带宽特性，因此定位误差较小。同时，由于基于过零点分析的信号处理方法只有加减等简单的计算，计算复杂度低，并且应用互相关时延估计的信号只是一帧信号中的一小部分有效段，信号处理速度得到显著提高。

Description

一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法

技术领域

本发明属于传感及检测技术领域，特别涉及一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法。

背景技术

随着人类社会的不断进步和科技水平的飞速发展，安全监测越来越受到重视，在电力、水利、石化等关系国计民生的领域以及营区、机场、监狱等安全性要求较高的领域，周界安全监测都得到了非常广泛的应用，而在大型展馆、高级住宅区域等民用领域，对周界安全监测的需求也越来越多。

基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感技术采用光波干涉技术实现入侵扰动检测及定位，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性，是一种周界安全监测的新技术。

该技术利用光纤的一维空间连续特性进行信号测量，通过时延估计方法得到扰动事件的位置，目前的定位算法主要有两种，一种是直接将两路信号进行互相关，另一种算法是利用离散小波分解寻找扰动起始点，并在起始点处提取一段带有扰动信息的信号进行相关计算。这两种算法处理速度较慢，并且定位误差较大，因此目前数据处理的算法严重制约了系统的定位和实时特性，有必要寻找一种具有快速精确定位算法的定位方法。

发明内容

本发明的目的是解决目前基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感技术定位算法定位精度低以及处理速度慢的问题，提出一种具有快速定位算法的基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法。该方法在信号处理阶段通过对信号进行过零点分析来获取信号频率信息，进而在频率最高位置提取出一定数量的原始信号进行互相关运算。该段信号不仅包含了信号的高频信息，并且也具有宽频率带宽特性，因此定位误差较小。同时，由于信号的过零点计算复杂度低，因此，本发明定位方法的信号处理速度得到显著提高。

本发明一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，将基于双马赫-曾德干涉仪原理的分布式扰动传感器的两光电探测器采集到的两路信号分别进行模数转换得到数字量信号，将数字量信号分帧，并设每帧信号的时长为0.3秒，当某一帧信号被判定为扰动帧时，随机选取该帧的一路信号，并对该路信号进行如下处理：

步骤1、设定一个幅值阈值δ，将所选取的信号的第一个信号点幅值x(1)与第二个信号点的幅值x(2)比较，若两者符号相反、且两者之间的幅值差大于幅值阈值δ时，则该点被判定为过零点，该点的幅值x(1)不变，否则该点不为过零点，该点的幅值被置为0，即x(1)＝0；

步骤2、按照下式依次对一帧点数为N的信号进行处理，

x(m)＝φ{x(m)*x(m+1)<0&|x(m+1)-x(m)|>δ}

式中：x(m)为所选取的信号中第m点的幅值，δ是幅值阈值，φ函数表示当第m点与第m+1点的符号不同，并且第m点与第m+1点的幅值差大于δ时，第m点的幅值不变，否则x(m)＝0，m的取值范围为[1,N-1]；

步骤3、计算过零点之间的幅值为0的点数，找出过零点之间的幅值为0的点数最小的位置，该点即为信号频率最大的位置，该点附近的信号即为有效信号，该点即为提取点；

在找到频率最大点的提取位置之后，以该点为中心，提取出0.02s的原始数据进行互相关运算进行时延估计，根据时延和位置的关系公式得到扰动发生位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，目前的大部分的定位算法由于直接对信号进行互相关时延估计或者采用小波分析进行信号处理，计算比较费时，并且定位误差比较大。本发明通过一种改进的过零点分析方法得到扰动帧信号的频率分布，将频率最大点附近的点作为有效信号段进行互相关时延估计。该段信号不仅包含了信号的高频信息，并且也具有宽频率带宽特性，因此定位误差较小。同时，由于基于过零点分析的信号处理方法只有加减等简单的计算，计算复杂度低，并且应用互相关时延估计的信号只是一帧信号中的一小部分有效段，信号处理速度得到显著提高。

附图说明

图1是基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感定位系统示意图；

图2是扰动信号的原始信号图；

图3是扰动信号的过零点分布图。

图中，1-激光器，2、5和6-耦合器，3、4-光环形器，7-传感光缆，8a、8b-光电探测器，9-数据采集卡，10-工业控制计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感定位系统如图1所示，激光器1发出的光经过耦合器2后被分成1:1的两束，这两束光经过环形器3和4后在耦合器5和6处被分为两束，并分别进入传感环路中沿顺时针和逆时针方向传播，在对端的耦合器发生干涉并输出到探测器PD1和PD2上。设分布式光纤扰动定位系统的两个光电探测器8a和8b检测到同一扰动事件的时间分别为t₁和t₂，△t＝t₁-t₂，L为传感光缆的长度,x为扰动点距离耦合器5的位置，其定位公式为

$x=\frac{L-v(t_1-t_2)}{2}$

式中，v为光波在单模光纤中的传播速度，单位m/s，其中v＝c/n，c是光在真空中的速度(3×10⁸m/s),n是光纤的折射率。

分布式光纤扰动定位系统的两个光电探测器8a和8b检测到同一扰动事件的时延是通过对两探测器探测到的两路信号进行互相关运算来进行估计的。本系统是以帧为单位进行信号处理的，两光电探测器探测到的信号经过采集卡隔直处理后只包含交流信息，无扰动发生时，在一帧信号中只包含零轴附近的小幅噪声信号，而当扰动发生时，在一帧信号中不仅包含零轴附近的小幅噪声信号，还包含有表示扰动信息的正弦交流信号，根据光弹效应，探测器探测到的信号频率随外界扰动而发生变化，扰动产生的应力随时间变化越快，产生的信号频率就越高，因此频率高的信号段即为扰动信号段，将该段信号进行互相关时延估计的定位误差将是最低的。

提取出信号中高频部分需要首先估计出信号的频率，本发明通过一种改进的过零点分析方法得到扰动帧信号的频率分布，并选取频率最大点附近的信号作为有效信号进行互相关时延估计，本方法选取扰动最剧烈时刻产生的高频信号进行互相关时延估计，不仅降低了噪声对定位的影响，还减轻系统的运算负担。

信号的短时过零率分析是一种新的信号分析方法，主要应用于语音识别、地震波识别等方面。它的原理是在时域对信号幅值进行判别，通过检测信号过零点的时间间隔变化规律来取得信号的频率特性。简单、运算复杂度低以及物理意义明显是过零率时域分析最明显的优点。

本发明基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法中不是采取直接计算平均过零数，而是首先找出信号中的过零点位置，通过比较相邻过零点之间的信号点数来估计该段信号的频率，相邻过零点之间的信号点数越小，就说明该段信号的频率越大，

本发明一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，将基于双马赫-曾德干涉仪原理的分布式扰动传感器的两光电探测器采集到的两路信号分别进行模数转换得到数字量信号，将数字量信号分帧，并设每帧信号的时长为0.3秒，当某一帧信号被判定为扰动帧时，随机选取该帧的一路信号，并对该路信号进行如下处理：

步骤1、设定一个幅值阈值δ，将所选取的信号的第一个信号点幅值x(1)与第二个信号点的幅值x(2)比较，若两者符号相反、且两者之间的幅值差大于幅值阈值δ时，则该点被判定为过零点，该点的幅值x(1)不变，否则该点不为过零点，该点的幅值被置为0，即x(1)＝0；

步骤2、按照下式依次对一帧点数为N的信号进行处理，

x(m)＝φ{x(m)*x(m+1)<0&|x(m+1)-x(m)|>δ}

式中：x(m)为所选取的信号中第m点的幅值，δ是幅值阈值，φ函数表示当第m点与第m+1点的符号不同，并且第m点与第m+1点的幅值差大于δ时，第m点的幅值不变，否则x(m)＝0，m的取值范围为[1,N-1]；

步骤3、计算过零点之间的幅值为0的点数，找出过零点之间的幅值为0的点数最小的位置，该值越小，说明该段信号的频率越大。找出过零点之间的幅值为0的点数最小的位置，该点即为信号频率最大的位置，该点附近的信号即为有效信号，该点即为提取点。

在找到频率最大点的提取位置之后，以该点为中心，在其附近提取适当数量的原始数据(建议提取出0.02s的原始数据)进行互相关运算，进行互相关运算进行时延估计，根据时延和位置的关系公式得到扰动发生位置。

利用本发明方法提取出的信号对获得小的定位误差是有帮助的。这是因为这部分信号不仅包含了信号的高频信息，而且当提取适当长度的数据后，同时也具有宽的带宽特性。根据Crammer-Rao lower bound定则，互相关时延估计的定位误差为：

σ_D ²＝k/TBf₀ ²(1+B²/12f₀ ²)

式中k是一个跟信噪比有关的常量；T是信号点数对应的采样时间；B是信号带宽；f₀是信号的中心频率；σ_D为定位误差。由公式(6)可知，T、B和f₀的增加，可以减小σ_D。因此，在T一定的条件下，提取有扰动时的高频信号可以确保信号有大的B和f₀，从而获得小的定位误差。

实施例：

如图1所示，该系统包括：激光器1，耦合器2、5和6，光环形器3和4，传感光缆7，光电探测器8a和8b，数据采集卡(DAQ Card)9和工业控制计算机(IPC)10。

其中，数据采集卡(DAQ Card)9对两个光电探测器8a和8b的电压信号进行采集，并送入计算机处理。工业控制计算机(IPC)10对采集卡采集到的数据进行分析和处理。

数据采集卡采集两路信号并将信号送入计算机。计算机通过一种改进的过零率分析方法得到扰动帧信号的频率分布，并将频率最大点附近的点作为有效信号段进行互相关时延估计。

以下对图1所示的系统，用某次定位实例来说明计算过程：

该系统的参数设定如下：传感光缆长度为2.5km，光源采用1550nm的DFB激光器，功率为10mW，采集卡的采样频率为10M/s，采样时间为0.3s，有效信号点数对应的采样时间设为0.02s。

在光缆的1160m处敲击光缆，系统采集到的原始信号如图2所示，图3是经过过零率分析处理的信号，其中幅值不为零的点即为根据算法得出的过零点，是不过零点的信号点的幅值都已经置为0；

通过分析，图3中a段区域的过零点之间幅值为0的点数为200，是一帧信号中所有相邻过零点之间间距最小的，这说明a段区域的信号频率是最大的，从而改点附近的信号为有效信号，在a点附近提取出一段0.02s的有效信号段进行互相关时延估计，通过计算可得定位值为1170m，定位误差为10m。

为了说明该算法的有效性，我们选取图3所示的信号中的四个不同频率区域分别进行定位，其中b,c,d,e处相邻过零点之间的点数分别为3200,8300,400,1400，并和a处提取的信号进行定位误差比较，定位误差的计算结果如下表所示。

从表中可以看出，相邻过零点之间的点数低的信号段的定位误差较低，即高频信号段的定位差比低频新号段的定位误差小。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，其特征在于：

将基于双马赫-曾德干涉仪原理的分布式扰动传感器的两光电探测器采集到的两路信号分别进行模数转换得到数字量信号，将数字量信号分帧，并设每帧信号的时长为0.3秒，当某一帧信号被判定为扰动帧时，随机选取该帧的一路信号，并对该路信号进行如下处理：

步骤1、设定一个幅值阈值δ，将所选取的信号的第一个信号点幅值x(1)与第二个信号点的幅值x(2)比较，若两者符号相反、且两者之间的幅值差大于幅值阈值δ时，则该点被判定为过零点，该点的幅值x(1)不变，否则该点不为过零点，该点的幅值被置为0，即x(1)＝0；

步骤2、按照下式依次对一帧点数为N的信号进行处理，

x(m)＝φ{x(m)*x(m+1)<0&|x(m+1)-x(m)|>δ}

式中：x(m)为所选取的信号中第m点的幅值，δ是幅值阈值，φ函数表示当第m点与第m+1点的符号不同，并且第m点与第m+1点的幅值差大于δ时，第m点的幅值不变，否则x(m)＝0，m的取值范围为[1,N-1]；

步骤3、计算过零点之间的幅值为0的点数，找出过零点之间的幅值为0的点数最小的位置，该点即为信号频率最大的位置，该点附近的信号即为有效信号，该点即为提取点；

在找到频率最大点的提取位置之后，以该点为中心，提取出0.02s的原始数据进行互相关运算进行时延估计，根据时延和位置的关系公式得到扰动发生位置。