CN108088548A - 分布式光纤振动传感器高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

分布式光纤振动传感器高精度定位方法，属于光纤传感技术领域。本发明基于φ‑OTDR光纤振动传感原理，设计了一种基于瑞利散射曲线的时域方差的定位算法，该算法克服了分离平均法容易在分离处产生干扰尖峰，以及移动平均法运算量较大的问题。实验结果表明该算法可以提高定位精度，更容易找到事件点。

Description

分布式光纤振动传感器高精度定位方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式光纤振动传感系统中的事件点定位方法。

背景技术

φ—OTDR分布式光纤振动传感系统，采用光纤作为传感单元，终端为全光结构，通过测量发射脉冲到接收到干涉信号的时间差，即可实现对振动点的定位。适合大范围的安全和健康监测，比如大型工事、桥梁隧道、环境与公路工程、大型展览馆与会场、输油气管道等。随着我国油气管线输送项目建设的加快，国内油气管线对分布式光纤振动传感器的测量长度大幅提高，测量精度和定位准确等参数也要相应提高。

φ—OTDR分布式光纤振动传感系统是一种常见的光纤振动传感系统，向传感光纤中输入脉冲光，脉冲信号在光纤中传输会发生瑞利散射，产生瑞利后向散射信号，当外界有振动作用在光纤上某处时，由于弹光效应，该处的光纤参数会发生变化，导致瑞利散射曲线对应位置处的光强发生变化，通过信号处理，即可实现对振动事件的探测和定位，扰动位置可由下式计算：

式中：c为真空中光速△t为发出脉冲到收到瑞利曲线发生变化的时间，n为光纤纤芯折射率。

φ-OTDR型光纤振动传感系统定位时常用平均法滤除随机噪声的影响，一般采用的平均法有分离平均算法和移动平均算法。分离平均算法将连续的曲线分割开了，可能在两条分离平均法处理后的曲线间产生额外的尖峰。移动平均法虽然解决了这个问题，但是计算量比较大，难以实现较高实时性的定位功能。

发明内容

本发明所要解决的问题是：针对分离平均法和移动平均法存在的不足，设计一种新的算法，实现精确的定位。

本发明的解决方案是：设计了一种基于瑞利散射曲线时域方差的定位算法，步骤如下：

（1）向φ-OTDR系统中按一定的重复频率输入脉冲信号，脉冲信号在传感光纤中发生瑞利散射，产生后向瑞利散射信号，瑞利后向散射光具有强相干性会发生自干涉，送往光电探测器进行光电转化，经过放大、滤波后得到干涉光强I，，其中A为后向散射光波振幅，λ为光波波长，n为光纤纤芯折射率，W为脉宽；

(2) 采集多条瑞利后向散射曲线，将这些曲线按时域平均，得到一条平均曲线;

(3) 计算各条瑞利后向散射曲线与平均曲线的差值得到差值曲线;

(4) 在差值曲线中每次取若干条计算它们的时域方差，得到方差曲线。将得到的方差曲线取平均值，方差平均值曲线中的尖峰点即对应着振动所在位置。

本发明和现有技术相比的优点在于：本文提出了一种基于时域方差的定位算法，该算法克服了分离平均法容易在分离处产生干扰尖峰，以及移动平均法运算量较大的问题。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为φ-OTDR光纤振动传感系统示意图；

图3为采集到的瑞利后向散射曲线；

图4为经过差值运算后得到的差值曲线；

图5为对差值曲线计算时域方差后得到的方差曲线。

具体实施方式

如图2示，为φ-OTDR光纤振动传感系统示意图，激光器选用窄线宽激光器，输出功率为10mw,波长为1550nm的窄线宽激光、选用声光调制器为古奇（Gooch＆Housego）光纤耦合声光调制器、放大器选用上海拜安EDFA、探测器选用Thorlabs公司PDB410C光电探测器、测试用的光纤为单模光纤G652D，长度为6.5Km。采用的脉冲光的重复频率为1 kHz，脉冲宽度为300 ns，以20 MHz的采样率共采集了200条瑞利散射曲线。其中某条瑞利散射曲线如图3示，具体算法如下：

（1）采集了M（M=200）条瑞利散射曲线，将M条曲线写作t={t1, t2, t3, …, tM}。每次依次从M条曲线中取N条用于计算方差，设置一个步进因子n，表示每次取曲线的起始点相距n条。则最终可以获得K条方差曲线，其中K=[(M-N]/n]+1；

（2）首先计算M条瑞利散射曲线的时域平均值t_a：

（3）然后将M条瑞利散射曲线减去平均值，得到M条差值曲线△t：

（4）设每一条△t均有Q个点，将差值曲线△t中的Q个点记作△t ={p_i,1, p_i,2, p_i,3,…, p_i,Q}，。接着，每次步进n条曲线，依次从M条曲线中取N条计算时域方差，得到K条方差曲线：

式中，，表示第i个点处的N条曲线的平均值；

（5）最终，将K条方差曲线叠加平均，得到最终的方差平均值曲线：

只要得到方差平均值曲线T中的峰值，即可得到对应的作用在光纤上的振动事件位置。

本发明的流程框图如图1所示。

本发明在4.5 km处敲击光纤模拟振动干扰，方差算法中取N = 6，n =3。得到如图4所示的差值曲线及图5所示方差曲线。由图4可以看出虽然在瑞利散射曲线图的4.5 km附近有尖峰，但是曲线的其他地方也有尖峰，容易对最终的定位结果造成干扰，由图5可以看出采用方差曲线可以对4.5公里处的振动点精确定位。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.分布式光纤振动传感器高精度定位方法，其特征在于：采用φ-OTDR光纤振动传感系统，向传感光纤中注入脉冲光，在光电探测器处就会接收到一组后向瑞利散射曲线，该散射曲线与光纤各点位置是对应的，后向瑞利散射光具有极强的相干性，因此光电探测器在环形器处探测的光实际上是脉冲宽度内后向瑞利散射光干涉的结果。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器高精度定位方法，其特征在于：后向瑞利散射经过光电探测器光电转换、放大及滤波后，得到输出光强信号。

3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤振动传感器高精度定位方法，其特征在于：通过采集多条瑞利散射曲线，将这些曲线按时域平均，得到一条平均曲线，计算各条瑞利散射曲线与平均曲线的差值得到差值曲线，在差值曲线中每次取若干条计算它们的时域方差，得到方差曲线，将得到的方差曲线取平均值，方差平均值曲线中的尖峰点即对应着振动所在位置，根据尖峰推算出△t 。

4.根据权利要求1-3所述的分布式光纤振动传感器高精度定位方法，其特征在于：利用公式得到振动点位置，△t为发出脉冲到收到瑞利曲线发生变化的时间，c为真空中光速，n 为光纤纤芯折射率。