CN107782530A - 分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法、装置及介质，其中，该方法包括实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为第一次传感光纤末端，根据第一次传感光纤末端确定第一次传感光纤长度；确定第二次传感光纤长度，将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值时，则报警。本发明能够实时对传感光纤情况进行自检，并且能够及时报警并对光纤断裂事件准确定位，为应急维修提供帮助。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体地，涉及一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法、装置及介质。
背景技术
分布式光纤传感系统能够对传感光纤上任意一点的振动、温度等信息进行感知和定位,广泛应用于周界安防、油气管线泄露、电力电缆、通信线路监测以及结构安全监测。分布式光纤传感方案优势在于感测介质为光纤，同时也是数据通信介质，传感光纤本质安全，全程无需供电，传感光纤的状态决定了光纤传感系统是否可靠有效，因此系统应具备自检功能，可对传感光纤断裂等事件进行实时监测及定位。
分布式光纤传感系统基于OTDR原理，传感光纤沿线的振动、温度环境发生变化会引起对应位置光纤折射率的改变，该处背向散射光相位也随之发生改变，通过测量变化光强返回的时间即可计算出其位置信息，系统通过采集、解调背向散射光信号，就可以对整条传感光纤沿线的振动、温度等环境信息进行实时监测。
现有同类分布式光纤传感系统，当传感光纤发生断裂时，大多只能被动的监测断裂位置之前传感光纤的环境信息，不具备自检报警功能。这种方法的缺点在于，传感光纤作为系统的传感介质，当发生断裂后系统就失去了断裂位置之后的光纤段的监测能力，会造成极大的危险隐患，并且不具备系统自检光纤断裂报警定位功能，无法及时通知和指导应急维修单位对损坏光纤进行熔接维修，使系统无法真正实现无人值守智能监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法、装置及介质，在分布式光纤传感系统运行过程中，能够实时对传感光纤情况进行自检，当发生光纤断裂事件时，能够及时报警并对光纤断裂事件准确定位，为应急维修提供帮助。
本发明的技术方案是：根据本发明的一个方面，提供了一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：在分布式光纤传感系统运行过程中，实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；
步骤S200：通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；
步骤S300：将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为第一次传感光纤末端，根据第一次传感光纤末端确定第一次传感光纤长度；
步骤S400：重复步骤S100到步骤S300，确定第二次传感光纤长度，将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值时，则报警，断纤位置为第二次传感光纤末端对应位置。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法中，在步骤S200中，某个窗口对应的均方差值的公式如下：
其中，N为窗口长度，xi为窗口内数据点值即为对应位置的散射光强，μ为某个窗口的数据的平均值。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法中，在步骤S300中，预设的长度阈值为300-400。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法中，预设的长度阈值为300。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法中，在步骤S400中，报警阈值为100-200。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法中，报警阈值为200。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置，包括：采集模块，用于实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；计算模块，用于通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；比较模块，用于将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为传感光纤末端，根据传感光纤末端确定传感光纤长度；报警模块，当通过采集模块、计算模块和比较模块确定第一次传感光纤长度和第二次传感光纤长度时，用于将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值，则报警，断纤位置为第二次传感光纤末端对应位置。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置中，每个窗口对应的均方差值的公式如下：
其中，N为窗口长度，xi为窗口内数据点值即为对应位置的散射光强，μ为每个窗口的数据的平均值。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置中，预设的长度阈值为300-400。
上述分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置中，预设的报警阈值为100-200。
根据本发明的另一个方面，还提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行如本发明的一个方面中的一个或多个的方法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明为分布式光纤传感系统提供了自检的功能，由于传感光纤既是系统的感测介质，同时也是数据通信介质，通讯光缆的损耗情况决定了系统的整体监测效果，本方法在系统运行过程中，能够同时对光纤的状况进行实时监测，在发生传感光纤发生断裂事件能够迅速发出告警，通过对传感光纤的状况监测来保障系统的正常运行；
(2)本发明在对光纤断裂事件告警的同时，还可根据断裂后传感光纤的实际距离对光纤断裂事件进行精确定位，并能够结合分区设置的参数，将光纤断裂事件定位于实际地理位置，便于应急部门及时抢修。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的传感光纤长度实时计算示意图；
图3为示出了可用来实践本发明的实施方式的计算设备的框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
方法实施例：
参见图1，图1为本发明实施例提供的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法的流程图。如图1所示，该分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法包括以下步骤：
步骤S100：在分布式光纤传感系统运行过程中，实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；
步骤S200：通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；
步骤S300：将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为第一次传感光纤末端，根据第一次传感光纤末端确定第一次传感光纤长度；进一步的，预设的长度阈值的范围为300-400，优选的，预设的长度阈值为300。
步骤S400：重复步骤S100到步骤S300，确定第二次传感光纤长度，将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值，则报警，断纤位置为第二次传感光纤末端对应位置。进一步的，预设的报警阈值的范围为100-200，优选的，预设的报警阈值为200。
在步骤S200中，某个窗口对应的均方差值的公式如下：
其中，N为窗口长度，xi为窗口内数据点值即为对应位置的散射光强，μ为某个窗口的数据的平均值。
具体的，分布式光纤传感系统实时采集背向散射光干涉信号即数据序列，对数据序列利用滑动窗的方式计算各窗口的均方差值，根据各窗口的均方差值，通过与设定长度阈值进行比较，实时计算传感光纤实时长度，并把传感光纤实时长度计算结果滚动存储，将该次存储的传感光纤长度与上一次存储的传感光纤长度进行做差，当差值超过报警阈值，则可判断传感光纤发生断裂，发出传感光纤断裂警告，并同时记录此时传感光纤长度，该长度对应位置即为光纤断裂位置。由于分布式光纤传感系统在应用过程中需根据不同背景环境噪声情况分区设置报警参数，当发生光纤断裂报警事件时，将报警时刻光纤的实际长度信息结合分区地理位置参数，主要为各分区起始点参数及光纤走向参数等，实现对断纤事件进行精确定位。
传感光纤长度实时计算方法如图2所示，利用窗口滑动的方式计算实时数据的均方差值，考虑系统光纤断裂报警响应时间要求和计算资源占用情况，对窗口长度N和滑动间隔M进行设置，当窗口滑动至光纤断裂处后，由于对应位置没有光信号，数据段均方差值会发生明显降低，通过与阈值进行比较分析，可计算出传感光纤的实时长度，并作为判断光纤断裂的重要依据，考虑到不同应用项目中传感光纤的损耗情况差异，为保证传感光纤断裂报警算法的可靠性，需根据现场散射光信号强度及系统本底噪声情况对均方差阈值进行设置。
装置实施例：
本实施例还提供了一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置，该装置包括：采集模块、计算模块、比较模块和报警模块。其中，采集模块，用于实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；计算模块，用于通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；比较模块，用于将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为传感光纤末端，根据传感光纤末端确定传感光纤长度；报警模块，当通过采集模块、计算模块和比较模块确定第一次传感光纤长度和第二次传感光纤长度时，用于将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值，则报警，断纤位置为第二次传感光纤末端对应位置。
上述实施例中，每个窗口对应的均方差值的公式如下：
其中，N为窗口长度，xi为窗口内数据点值即为对应位置的散射光强，μ为每个窗口的数据的平均值。
上述实施例中，预设的长度阈值为300-400。优选的，预设的长度阈值为300.
上述实施例中，预设的报警阈值为100-200。优选的，预设的报警阈值为200。
本实施例还提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法。
图3示出了可以用来实践本发明实施方式的示例性计算设备的结构框图。可以理解，本公开内容中记载的客户端、代理和/或服务器可以利用图3所示的计算设备来实现。如图3所示，计算设备可以包括：CPU(中央处理单元)401、RAM(随机存取存储器)402、ROM(只读存储器)403、系统总线404、硬盘控制器405、键盘控制器406、串行接口控制器407、并行接口控制器408、显示器控制器409、硬盘410、键盘411、串行外部设备412、并行外部设备413和显示器414。在这些部件中，与系统总线404耦合的有CPU 401、RAM 402、ROM 403、硬盘控制器405、键盘控制器406、串行接口控制器407、并行接口控制器408和显示器控制器409。硬盘410与硬盘控制器405耦合，键盘411与键盘控制器406耦合，串行外部设备412与串行接口控制器407耦合，并行外部设备413与并行接口控制器408耦合，并且显示器414与显示器控制器409耦合。
上文已经通过示例的方式描述了本发明的若干实施方式。上述的不同块、操作以及技术的至少一部分可以被执行，通过使用硬件，处理器执行固件指令，处理器执行软件指令，或者及其任意组合。当采用执行固件以及软件指令的处理器执行时，软件或固件指令可以被存储在任意计算机可读存储中，例如磁盘，光盘或者其他存储介质，在一个RAM或者ROM或者flash存储器，处理器，硬盘，光盘，磁盘等等。同样地，软件和固件指令可以被传输到用户或者系统，通过任意已知的或者期望的传输方式包括，例如，在计算机可读盘或者其他便携式计算机存储机制或者通过通信媒介。通信媒介典型地具体话计算机可读指令，数据结构，程序模块或者在已调制数据信号中的其它数据例如载波或者其他传输机制。通过示例，并非限制，通信介质包括有线介质例如有线网络或者单线连接，以及无线媒介，例如声、无线频率，红外以及其它无线介质。从而，软件和固件指令可以被传输给用户或者系统，通过通信信道，例如电话线，DSL线，电缆电视线，光纤线缆，无线信道，因特网，等等(通过便携式存储介质提供这样的软件，其被看作是相同的或者可互换的)。软件或者固件指令可以包括及其可读指令，其当由处理器执行时，导致处理器执行不同动作。
应当注意，本发明的实施方式可以通过软件、硬件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的方法和系统并可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本实施方式的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
说明书中提及的通信网络可以包括各类网络，包括但不限于局域网(“LAN”)，广域网(“WAN”)，基于IP协议的网络(例如，因特网)以及端对端网络(例如，ad hoc对等网络)。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤，或是将一个步骤分解为多个步骤。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。
Claims (10)
1.一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；
步骤S200：通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；
步骤S300：将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为第一次传感光纤末端，根据第一次传感光纤末端确定第一次传感光纤长度；
步骤S400：重复步骤S100到步骤S300，确定第二次传感光纤长度，将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值时，则报警。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，其特征在于，在步骤S200中，每个窗口对应的均方差值的公式如下：
<mrow>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>N</mi>
</munderover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mi>&mu;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，N为窗口长度，xi为窗口内数据点值即为对应位置的散射光强，μ为每个窗口的数据的平均值。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，其特征在于，在步骤S300中，预设的长度阈值为300-400。
4.根据权利要求3所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，其特征在于，预设的长度阈值为300。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，其特征在于，在步骤S400中，预设的报警阈值为100-200。
6.根据权利要求5所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法，其特征在于，预设的报警阈值为200。
7.一种分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置，其特征在于包括：
采集模块，用于实时采集对应于传感光纤空间域各点的散射光强的数据序列；
计算模块，用于通过窗口滑动的方式实时对数据序列计算出每个窗口对应的均方差值；
比较模块，用于将每个窗口对应的均方差值与预设的长度阈值进行比较，当某个窗口的均方差值小于预设的长度阈值时，则该窗口所在的位置为传感光纤末端，根据传感光纤末端确定传感光纤长度；
报警模块，当通过采集模块、计算模块和比较模块确定第一次传感光纤长度和第二次传感光纤长度时，用于将第二次传感光纤长度与第一次传感光纤长度作差得到差值，当差值大于预设的报警阈值，则报警。
8.根据权利要求7所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置，其特征在于，每个窗口对应的均方差值的公式如下：
<mrow>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
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<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<munderover>
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</msub>
<mo>-</mo>
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</mrow>
</mrow>
</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，N为窗口长度，xi为窗口内数据点值即为对应位置的散射光强，μ为每个窗口的数据的平均值。
9.根据权利要求7所述的分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位装置，其特征在于，预设的长度阈值为300-400。
10.一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行如权利要求1-6中的一个或多个的方法。
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