CN108225542B - 基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法，其可包括以下步骤：以系统采样周期T₀获取两路信号的原始数据，并分别存入两个队列A₀、B₀中；基于系统采样周期T₀，以一定关系选取n个均值周期T₁,…,T_n；基于队列A₀、B₀中的原始数据，根据均值周期的关系，计算各均值周期T_i的两路信号的均值数据，并分别存入各均值队列A_i、B_i中；基于各队列A_i、B_i中的数据，分别从队列A_i、B_i中选择预定长度的数据样本X_i和Y_i，从最大周期T_n开始依次减小一直到系统采样周期T₀，逐步计算出系统采样周期T₀下的相对偏移量；基于系统采样周期T₀下的相对偏移量，计算两路信号的相对延时，并根据相对延时来计算振动事件相对于光纤的起始端的相对距离。

Description

基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法，其适用于采用两路信号相位延时检测实现事件定位的干涉型分布式光纤振动传感系统。

背景技术

两路信号相位延时检测是干涉型分布式光纤振动定位的基本原理，广泛用于基于马赫-曾德尔干涉仪、马克尔逊干涉仪、Sagnic干涉仪以及复合型干涉仪的干涉型分布式光纤振动传感定位中。两路信号相位延时检测的基本思路是对高速采集的两路信号进行滑动相关性运算，获取两路信号偏移量-相关度分布曲线，在此基础上计算出相关度最大值所对应的偏移量，从而得到两路信号的相对相位延时。

根据相关性算法原理，对于一个系统最大延时为T_max、系统采样周期为T₀、且信号延时方向已知的系统，完成一次相对相位延时检测至少需要的互相关运算次数等于系统最大延时与系统采样周期的比值m。假设一次相关运算的信号数据序列长度为L，那么完成一次相位延时检测需要进行3mL次乘法运算，因此，常规相位延时解算方法的计算量非常大。此外，如果要增加分布式光纤振动传感的探测距离，提高定位精度，就需要增大系统最大延时T_max，减小系统采样周期T₀，其结果将导致其相位延时解算的计算量急剧增加，这严重制约了干涉型分布式光纤振动传感的技术发展与工程应用。

也就是说，干涉型分布式光纤振动传感的定位精度和计算速度之间存在矛盾。具体地，定位精度取决于系统采样周期，采样周期越小，理论定位精度就越高，但相同时间周期的样本数量成倍增加，从而导致相位检测计算量呈平方倍增加。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法，用以降低干涉型分布式光纤振动传感系统的两路信号相位延时检测计算量，提高信号延时检测的计算效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法，其可以包括以下步骤：

第一步：以分布式光纤振动传感系统固有的系统采样周期T₀获取两路信号的原始数据，并从初始地址开始分别存入两个原始队列A₀、B₀中；

第二步：基于系统采样周期T₀，选取n个均值周期T₁,…,T_n，其中相邻两个均值周期满足均值周期关系：T_i＝C_iT_i-1，其中C_i是相邻周期的倍数关系，i＝1,…,n，并且n为大于等于1的整数；

第三步：基于原始队列A₀、B₀中的原始数据，根据上述均值周期关系，计算各均值周期T_i的两路信号的均值数据，并从初始地址开始分别存入各均值队列A_i、B_i中，其中i＝1,…,n；

第四步：基于各队列A_i、B_i中的数据，分别从队列A_i、B_i中选择预定长度的数据样本X_i和Y_i，从最大周期T_n开始依次减小一直到系统采样周期T₀，逐步计算出系统采样周期T₀下的相对偏移量；

第五步：基于系统采样周期T₀下的相对偏移量，计算两路信号的相对延时，并根据相对延时来计算振动事件相对于分布式光纤的起始端的相对距离。

优选地，所述第四步进一步包括以下步骤：

(1)：对于最大均值周期T_n，从其对应的均值队列A_n中，以P_n为起始地址，读取长度为L_n的数据样本X_n，也即是X_n(k)＝A_n(k+P_n)，其中k＝0,1,…L_n-1；并且从均值队列B_n中，以Q_n(j)＝P_n+j为起始地址，读取长度为L_n的数据样本Y_n(j)，也即是Y_n(j,k)＝B_n(k+Q_n(j))，其中k＝0,1,…L_n-1；然后根据以下相关系数计算公式(1)，取j＝0,1,…,T_max/T_n，依次计算X_n与每一个不同的j对应的数据样本Y_n(j)的相关系数R_n(j)：

在计算出的相关系数的序列R_n(0),R_n(1),…,R_n(T_max/T_n)中找出最大值，该最大值对应的序号即为均值周期T_n下两通道信号的相对偏移量S_n，其中T_max为系统最大延时，P_n为L_n的整数倍，L_n取决于T₀周期下的数据长度L₀和各相邻周期的倍数关系C_i；

(2)：对于均值周期T_n-1，从其对应的均值队列A_n-1中，以P_n-1＝C_nP_n为起始地址，读取长度为L_n-1＝C_nL_n的数据样本X_n-1；并从均值队列B_n-1中，以Q_n-1(j)＝C_n[Q_n(0)+S_n-0.5]+j为起始地址，读取长度为L_n-1的数据样本Y_n-1(j)，然后根据上述相关系数计算公式(1)，取j＝0,1,…,2C_n-1，依次计算X_n-1与每一个不同的j对应的数据样本Y_n-1(j)的相关系数R_n-1(j)，在计算出的相关系数的序列R_n-1(0),R_n-1(1),…,R_n-1(2C_n-1)中找出最大值，该最大值对应的序号即为均值周期T_n-1下两通道信号的相对偏移量S_n-1；

(3)：对于其余各均值周期T_n-2,…,T₀，依次重复上一步骤(2)，最终得到系统采样周期T₀下的起始地址P₀、Q₀(0)和相对偏移量S₀。

优选地，所述第五步进一步包括以下步骤：

基于系统采样周期T₀下的相对偏移量，计算系统采样周期T₀下的两路信号的绝对偏移量S_abs＝Q₀(0)-P₀+S₀，由此计算两路信号的相对延时Δt＝T₀ S_abs，并根据相对延时来计算振动事件相对于分布式光纤的起始端的相对距离Z＝Z₀-vΔt/2，其中v为光波在光纤中的传播速度，Z₀为传感光纤的长度。

优选地，均值周期的选取满足以下条件：(1)最大均值周期T_n≤0.2/f_c，其中f_c为系统的有效信号截止频率；(2)相邻均值周期的倍数C_i在{2,4,6,8,10,12,14,16}集合内取值。

优选地，读取的数据长度L_n满足以下关系：

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被计算装置执行时，可操作来执行以上任一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法。

根据本发明，由于采用了基于多尺度均值周期的相位延时计算方法，极大地减少了计算量，充分结合了大采样周期信号快速搜索能力和小采样周期信号的精确定位能力，解决了干涉型分布式光纤振动传感的定位精度和计算速度的矛盾问题。

附图说明

图1基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。可以理解的是，本文所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明进行限制。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种基于多尺度采样的相位延时计算方法，充分利用大采样周期信号快速搜索能力和小采样周期信号的精确定位能力，解决了干涉型分布式光纤振动传感的定位精度和计算速度的矛盾问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法，其可以包括以下步骤：

第1步：以分布式光纤振动传感系统固有的系统采样周期T₀获取两路信号的原始数据，并将之从初始地址开始分别存入两个原始队列A₀、B₀中。这里，两个原始队列的队列深度为d₀，其可以根据实际应用情形来选取。在一优选实施例中，队列深度d₀与一次相位延时计算的样本数据长度L₀相关，例如可以是样本数据长度L₀的整数倍，优选至少是样本数据长度L₀的两倍以上。样本数据长度L₀可以根据实际应用情形来选取。

第2步：基于系统采样周期T₀，选取n个均值周期T₁,…,T_n，其中相邻两个均值周期满足以下均值周期关系：T_i＝C_iT_i-1，其中n为大于等于1的整数，i＝1,…,n，C_i是相邻均值周期的倍数关系。C_i的取值例如可以为2的倍数。在一优选实施例中，均值周期的选取可以满足以下条件：(1)最大均值周期T_n≤0.2/f_c，其中f_c为系统的有效信号截止频率；(2)相邻均值周期的倍数C_i优选在{2,4,6,8,10,12,14,16}集合内取值。比如，当某一分布式光纤振动传感系统的f_c＝2000赫兹，T₀＝1微秒时，T_n≤0.2/f_c＝100微秒，也就是说T_n不超过T₀的100倍，那么这时可选取3个均值周期，相邻均值周期的倍数C₁、C₂、C₃可分别取值为4、4、6，也即是各均值周期可表示为T₁＝4T₀，T₂＝4T₁，T₃＝6T₂，这样T₃＝96T₀≤100T₀，满足要求。

第3步：基于原始队列A₀、B₀中的原始数据，根据上述均值周期关系，计算各均值周期T_i的均值数据，并将之从初始地址开始分别存入各均值队列A_i、B_i中，其中i＝1,…,n。各均值队列的队列深度优选为d_i＝d_i-1/C_i。在一示例中，当i＝1时，根据相邻均值周期关系T₁＝C₁T₀，基于两原始队列A₀、B₀中的数据，从初始地址开始，每C₁个数据做一次平均，将得到的均值数据从初始地址开始分别存入T₁均值周期对应的均值队列A₁、B₁中。按照相同的原理，当i＝2时，根据相邻均值周期关系T₂＝C₂T₁，基于均值队列A₁，B₁中的数据，从其初始地址开始，每C₂个数据做一次平均，将得到的均值数据从初始地址开始分别存入T₂均值周期对应的均值队列A₂，B₂中。以此类推，可以计算得到各均值周期对应的均值数据，并将之从初始地址开始分别存入相应的均值队列中。

第4步：基于各队列A_i、B_i中的数据，分别从队列A_i、B_i中选择预定长度的数据样本X_i和Y_i，从最大周期T_n开始依次减小一直到系统采样周期T₀，逐步计算出系统采样周期T₀下的相对偏移量。

在一优选实施例中，对于最大均值周期T_n，从其对应的均值队列A_n中，以P_n为起始地址，读取长度为L_n的数据样本X_n；并且从均值队列B_n中，以Q_n(j)＝P_n+j为起始地址，读取长度为L_n的数据样本Y_n(j)，然后根据以下相关系数计算公式(1)，取j＝0,1,…,T_max/T_n，依次计算X_n与每一个不同的j对应的数据样本Y_n(j)的相关系数R_n(j)：

在计算出的相关系数的序列R_n(0),R_n(1),…,R_n(T_max/T_n)中找出最大值，该最大值在相关系数序列中对应的序号即为均值周期T_n下两通道信号的相对偏移量S_n。需说明的是，在该公式中，X_n(k)和Y_n(j,k)为数据样本X_n和Y_n(j)与序数k相关的样本点，其中k＝0,…L_n-1，公式的分子部分为各样本点X_n(k)和Y_n(j,k)的乘积的总和，公式分母为样本点X_n(k)的平方和与数据样本点Y_n(j,k)的平方和的乘积。其中，T_max为系统最大延时，P_n为L_n的整数倍，L_n取决于T₀周期下的数据长度L₀和各相邻周期的倍数关系。在一个优选实施例中，所读取的数据长度

例如，当选取3个均值周期时，即n＝3时，如果相邻周期的倍数C₁、C₂、C₃分别取值为4、4、6，则L₃＝L₀/C₁C₂C₃＝L₀/(4×4×6)＝L₀/96。优选地，如果T_max/T_n不为整数，则可以对T_max/T_n的值取整加1。

在一优选实施例中，对于均值周期T_n-1，从其对应的均值队列A_n-1中，以P_n-1＝C_nP_n为起始地址，读取长度为L_n-1＝C_nL_n的数据样本X_n-1；并且从均值队列B_n-1中，以Q_n-1(j)＝C_n[Q_n(0)+S_n-0.5]+j为起始地址，读取长度为L_n-1的数据样本Y_n-1(j)，然后根据上述相关系数计算公式(1)，取j＝0,1,…,2C_n-1，依次计算X_n-1与每一个不同的j对应的数据样本Y_n-1(j)的相关系数R_n-1(j)，在计算出的相关系数的序列R_n-1(0),R_n-1(1),…,R_n-1(2C_n-1)中找出最大值，同样该最大值对应的序号即为均值周期T_n-1下的两路信号的相对偏移量S_n-1。

在一优选实施例中，对于剩余的各均值周期T_n-2,…,T₀，依次重复以上对于均值周期T_n-1所描述的步骤，最终能够得到系统采样周期T₀下的起始地址P₀、Q₀(0)和相对偏移量S₀。

第5步：基于系统采样周期T₀下的相对偏移量，计算两路信号的相对延时，并根据相对延时来计算振动事件相对于分布式光纤的起始端的相对距离。在一优选实施例中，可以通过以下关系式计算采样周期T₀下的两路信号的绝对偏移量：S_abs＝Q₀(0)-P₀+S₀，由此计算两路信号的相对延时Δt＝T₀S_abs，并根据相对延时来计算振动事件相对于分布式光纤的起始端的相对距离Z＝Z₀-vΔt/2，其中v为光波在光纤中的传播速度，Z₀为传感光纤的长度。

根据本发明的再一个实施例，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被计算装置执行时，可操作来执行本发明的基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法。所述计算装置的示例有服务器、台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等等。

与一般单周期互相关延时定位算法相比，本发明的方法具有以下优点：

1、算法计算量极大减小，这可以用一个例子来证明。

假设取两个均值周期T₁＝8T₀，T₂＝8T₁，最大相对延时T_max＝1024T₀，采样周期T₀下的样本长度L₀。根据上述算法，T₂周期下的样本长度为L₂＝L₀/64，相关性运算次数为m₂＝T_max/T₂＝16，需要乘法运算次数3L₂ m₂＝3L₀/4。对于T₁周期，样本长度为L₁＝L₀/8，相关性运算次数为m₁＝16，涉及的乘法运算次数3L₁ m₁＝6L₀；同理，对于T₀采样周期，样本长度为L₀，相关性运算次数为m₀＝16，涉及的乘法运算次数3L₀ m₀＝48L₀。这样三级运算的乘法次数总和为

N_new＝48L₀+6L₀+3L₀/4＝54.75L₀

而对于常规方法所采用的单周期T₀，其相关性计算所涉及的乘法运算次数为N_old＝3072L₀。因此，单周期T₀下相关性运算的乘法次数与本发明计算方法的乘法计算次数的比值为

N_old/N_new＝3072L₀/(54.75L₀)＝56.10

同理，若增加一倍探测距离，则T_max＝2048T₀，那么本发明方法乘法计算量为N_new＝55.5L₀，几乎没有增加，而单周期下的乘法运算量为N_old＝6144L₀，增加了一倍。因此本发明节省的计算资源非常明显。

2、本发明直接针对计算机存储计算逻辑提出的，考虑了计算样本的队列设计、数据存储方式、数据寻址方式等存储访问优化问题，因此本发明所提供的方法具有实施步骤清晰，易工程实现的优点。

需要说明的是，以上所描述的方法仅为实现本发明的一个优选实施例，其并不一定包括了实施本发明的所有步骤，并且其中也并非每个步骤均为实现本发明所必需的步骤。也就是说，本发明还可以包括除以上步骤以外的其它步骤，并且/或者本发明也可以省略以上步骤中的一个或多个步骤。此外，这些步骤也不一定按照所描述的顺序执行，也可以按照其它顺序执行，而不背离本发明的精神和范围。

以上内容仅是对本发明较佳实施方式的详细说明，而本发明的保护范围并不限于上述内容，本领域的技术人员可根据本发明的思想对本发明进行各种变形和修改，这些应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：以分布式光纤振动传感系统固有的系统采样周期T₀获取两路信号的原始数据，并从初始地址开始分别存入两个原始队列A₀、B₀中；

第二步：基于系统采样周期T₀，选取n个均值周期T₁,…,T_n，其中相邻两个均值周期满足均值周期关系：T_i＝C_iT_i-1，其中C_i是相邻周期的倍数关系，i＝1,…,n，并且n为大于等于1的整数；

第三步：基于原始队列A₀、B₀中的原始数据，根据上述均值周期关系，计算各均值周期T_i的两路信号的均值数据，并从初始地址开始分别存入各均值队列A_i、B_i中，其中i＝1,…,n；

第四步：基于各队列A_i、B_i中的数据，分别从队列A_i、B_i中选择预定长度的数据样本X_i和Y_i，从最大周期T_n开始依次减小一直到系统采样周期T₀，逐步计算出系统采样周期T₀下的相对偏移量；

第五步：基于系统采样周期T₀下的相对偏移量，计算两路信号的相对延时，并根据相对延时来计算振动事件相对于分布式光纤的起始端的相对距离。

2.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，所述第四步进一步包括以下步骤：

(1)：对于最大均值周期T_n，从其对应的均值队列A_n中，以P_n为起始地址，读取长度为L_n的数据样本X_n，也即是X_n(k)＝A_n(k+P_n)，其中k＝0,1,…L_n-1；并且从均值队列B_n中，以Q_n(j)＝P_n+j为起始地址，读取长度为L_n的数据样本Y_n(j)，也即是Y_n(j,k)＝B_n(k+Q_n(j))，其中k＝0,1,…L_n-1；然后根据以下相关系数计算公式(1)，取j＝0,1,…,T_max/T_n，依次计算X_n与每一个不同的j对应的数据样本Y_n(j)的相关系数R_n(j)：

在计算出的相关系数的序列R_n(0),R_n(1),…,R_n(T_max/T_n)中找出最大值，该最大值对应的序号即为均值周期T_n下两通道信号的相对偏移量S_n，其中T_max为系统最大延时，P_n为L_n的整数倍，L_n取决于T₀周期下的数据长度L₀和各相邻周期的倍数关系C_i；

(2)：对于均值周期T_n-1，从其对应的均值队列A_n-1中，以P_n-1＝C_nP_n为起始地址，读取长度为L_n-1＝C_nL_n的数据样本X_n-1；并从均值队列B_n-1中，以Q_n-1(j)＝C_n[Q_n(0)+S_n-0.5]+j为起始地址，读取长度为L_n-1的数据样本Y_n-1(j)，然后根据上述相关系数计算公式(1)，取j＝0,1,…,2C_n-1，依次计算X_n-1与每一个不同的j对应的数据样本Y_n-1(j)的相关系数R_n-1(j)，在计算出的相关系数的序列R_n-1(0),R_n-1(1),…,R_n-1(2C_n-1)中找出最大值，该最大值对应的序号即为均值周期T_n-1下两通道信号的相对偏移量S_n-1；

(3)：对于其余各均值周期T_n-2,…,T₀，依次重复上一步骤(2)，最终得到系统采样周期T₀下的起始地址P₀、Q₀(0)和相对偏移量S₀。

3.如权利要求2所述的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，所述第五步进一步包括以下步骤：

基于系统采样周期T₀下的相对偏移量，计算系统采样周期T₀下的两路信号的绝对偏移量S_abs＝Q₀(0)-P₀+S₀，由此计算两路信号的相对延时Δt＝T₀S_abs，并根据相对延时来计算振动事件相对于分布式光纤的起始端的相对距离Z＝Z₀-vΔt/2，其中v为光波在光纤中的传播速度，Z₀为传感光纤长度。

4.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，均值周期的选取满足以下条件：(1)最大均值周期T_n≤0.2/f_c，其中f_c为系统的有效信号截止频率；(2)相邻均值周期的倍数C_i在{2,4,6,8,10,12,14,16}集合内取值。

5.如权利要求2或3所述的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，读取的数据长度L_n满足以下关系：

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被计算装置执行时，可操作来执行权利要求1-5中任一项所述的基于多均值周期的分布式光纤振动传感定位方法。

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