CN105277272A - 分布式光纤振动传感多点扰动定位算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式测量技术领域，具体为一种分布式光纤传感多点扰动定位算法。本发明方法运用倒谱分析的方法，首先对分布式光纤传感主机采集到的两路干涉信号进行相位还原解调得到两路干涉信号的相位差信号，对相位差信号进行傅里叶变换后取自然对数，最后进行傅里叶反变换得到倒谱，根据倒谱获取扰动信号的时延信息计算出多点扰动的位置信息，实现了分布式光纤传感定位系统中多点扰动同时出现的多点位置确定问题。

Description

分布式光纤振动传感多点扰动定位算法

技术领域

本发明属于分布式测量技术领域，具体涉及一种分布式光纤振动传感系统中的多点扰动定位算法。

背景技术

分布式光纤振动传感器具有获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点，灵敏度高，便于构成连续分布的传感网络，适合于长距离光信号的传输，在一些基础设施如通信电缆、输油管道，高压电网等以及一些具有特殊要求的安防系统中具有广阔的应用范围。

传统的分布式光纤振动传感扰动源定位方法主要有陷波点法和自相关时延法。陷波点法是通过扰动源引起的光相位差的频谱图中的频率缺失点来获得振动点的位置信息。但是该方法中的频率缺失点位置易受到其他因素的干扰使得定位精度下降，更无法处理多点同时扰动的情况。自相关时延法是对解调后的相位信号做自相关，利用不同路径光信号之间受到扰动的时延差对应于自相关函数副峰与主峰之间的位置差来实现扰动定位。但当多点扰动同时作用时，自相关函数的副峰难以分辨以致无法定位。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对分布式光纤传感系统的多点扰动定位算法，以解决传统扰动源定位方法无法实现多点定位的问题。

本发明提出的分布式光纤传感多点扰动定位算法，具体步骤如下：

(1)首先，对分布式光纤传感主机采集到的两路干涉信号dataX和dataY进行相位还原解调得到两路干涉信号的相位差信号

(2)然后，对相位差信号进行傅里叶变换得到频谱P(ω)；对频谱P(ω)取自然对数ln[P(ω)]；

(3)对频谱的自然对数ln[P(ω)]进行傅里叶反变换得到倒谱C(t)＝F^-1{ln[P(ω)]}；

(4)根据倒谱C(t)，取其四个最大峰值对应的时间值从小到大分别为τ₁，τ₂，τ₃，τ₄，计算τ₁+2τ₂和τ₂+2τ₁，与τ₄进行比较：

若τ₁+2τ₂与τ₄值大小较近(一般地，两者差值小于10微秒)，则将τ₁和τ₄根据求得两处扰动位置到线路末端的距离L_A和L_B；

若τ₂+2τ₁与τ₄值大小较近(一般地，两者差值小于10微秒)，则将τ₂和τ₄根据求得两处扰动位置到线路末端的距离L_A和L_B；

其中C是真空中光速，n_eff是光纤的有效折射率，τ是不同峰值对应的时间值，即为τ₁，τ₂，τ₃，τ₄。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：本算法解决了分布式光纤传感定位系统中多点扰动同时出现的多点位置确定问题，且定位算法简便快捷，定位精度高。

附图说明

图1示意了整个发明的算法流程图。

图2示意了实施例所采用的光路结构示意图。

图3示意了本发明处理得到的相位差信号示意图。

图4示意了本发明处理得到的倒谱信号示意图。

图中标号：1为光源；2为3*3耦合器；3为延迟线圈；4为2*2耦合器；5为扰动点A；6为扰动点B；7为PGC模块；8为FRM。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例中分布式光纤传感器采用基于Mach-Zehnder和Sagnac混合干涉仪的结构，其结构框图如图2所示。根据光路结构，三路等能量光束中的两路光束经过光路后形成4路不同光束，分别为：

光束A：光源1→3*3耦合器2→延迟线圈3→2*2耦合器4→扰动点A5→扰动点B6→PGC模块7→FRM8→PGC模块7→扰动点B6→扰动点A5→2*2耦合器4→延迟线圈3→3*3耦合器2→光源1。

光束B：光源1→3*3耦合器2→2*2耦合器4→扰动点A5→扰动点B6→PGC模块7→FRM8→PGC模块7→扰动点B6→扰动点A5→2*2耦合器4→3*3耦合器2→光源1。

光束C：光源1→3*3耦合器2→延迟线圈3→2*2耦合器4→扰动点A5→扰动点B6→PGC模块7→FRM8→PGC模块7→扰动点B6→扰动点A5→2*2耦合器4→3*3耦合器2→光源1。

光束D：光源1→3*3耦合器2→2*2耦合器4→扰动点A5→扰动点B6→PGC模块7→FRM8→PGC模块7→扰动点B6→扰动点A5→2*2耦合器4→延迟线圈3→3*3耦合器2→光源1。

由于光纤延迟线长度远远大于激光器的相干长度，所以仅仅有光束C和D能够产生干涉，其余光束形成直流信号。这两路光束具有相同光程，在3*3耦合器2处发生干涉，分布式光纤传感主机采集到的两路干涉信号dataX和dataY。

图1示意了整个发明的算法流程图。首先对分布式光纤传感主机采集到的两路干涉信号dataX和dataY进行相位还原解调得到两路干涉信号的相位差信号当A,B两点同时施加扰动信号时，去程光路和回程光路均在A,B两点各受到扰动，一共四次扰动，四次扰动两两之间均存在一定的时间延迟，分别为τ₅₆,2τ₆₈,τ₅₆+2τ₆₈,2τ₅₆+2τ₆₈,τ₅₆,τ₅₆+2τ₆₈,其中τ₅₆,τ₅₆+2τ₆₈均重复一次，最后解调出的信号为 如图3中所示，其中s(t)为扰动信号，α是衰减因子,在计算中假设α均为1，τ为2个子信号之间的时延，n(t)为噪声。

对相位差信号进行傅里叶变换得到频谱P(ω)，对频谱P(ω)取自然对数ln[P(ω)]。对频谱的自然对数ln[P(ω)]进行傅里叶反变换得到倒谱C(t)＝F^-1{ln[P(ω)]}。如图4中所示，根据倒谱C(t)，其四个最大峰值对应的时间值从小到大分别为τ₁，τ₂，τ₃，τ₄，分别对应于时间延迟τ₅₆,2τ₆₈,τ₅₆+2τ₆₈,2τ₅₆+2τ₆₈，计算τ₁+2τ₂和τ₂+2τ₁，与τ₄进行比较，若τ₁+2τ₂与τ₄值大小较为相近，则将τ₁和τ₄根据求得两处扰动位置到线路末端的距离L_A和L_B，若τ₂+2τ₁与τ₄值大小较为相近，则将τ₂和τ₄根据求得两处扰动位置到线路末端的距离L_A和L_B。

Claims (1)

1.一种分布式光纤振动传感多点扰动定位算法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）首先，对分布式光纤传感主机采集到的两路干涉信号dataX和dataY进行相位还原解调得到两路干涉信号的相位差信号；

（2）然后，对相位差信号进行傅里叶变换得到频谱；对频谱取自然对数；

（3）对频谱的自然对数进行傅里叶反变换得到倒谱；

（4）根据倒谱，取其四个最大峰值对应的时间值从小到大分别为τ₁，τ₂，τ₃，τ₄，计算τ₁+2τ₂和τ₂+2τ₁，与τ₄进行比较：

若τ₁+2τ₂与τ₄值大小差值小于10微秒，则将τ₁和τ₄根据求得两处扰动位置到线路末端的距离L_A和L_B；

若τ₂+2τ₁与τ₄值大小差值小于10微秒，则将τ₂和τ₄根据求得两处扰动位置到线路末端的距离L_A和L_B；

其中c是真空中光速，n_eff是光纤的有效折射率，τ是不同峰值对应的时间值，即为τ₁，τ₂，τ₃，τ₄。