CN108254064B - 一种光纤振动传感检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光纤振动传感检测方法及装置，所述方法为：向传感光路注入光脉冲信号，返回带有振动信息的光信号，通过解析所述光信号来确定振动位置，所述光脉冲信号的脉冲宽度周期性变化，并基于所述脉冲宽度，从所述光信号中解析出带有的振动信息，进而计算出振动位置。本发明设计了从底层硬件到上位机处理的一整套光纤振动传感系统，通过实时控制光源脉冲宽度的周期性变化，使其拥有从窄到宽的多个脉冲宽度，从而保证定位精度、空间分辨率、空间动态范围、灵敏度等多项性能指标都能得到提升。

Description

一种光纤振动传感检测方法及装置

技术领域

本发明涉及周界安防技术领域，尤其涉及分布式光纤振动传感检测方法及装置。

背景技术

随着光通信技术的发展，光传感技术得到了大力推进。分布式光纤传感技术可以实时连续感知和定位光纤沿测的物理量，研究人员一直尝试将分布式光纤振动传感系统应用到周界安防、管道防护及线缆安全监测领域。然而对于分布式光纤振动传感系统，定位精度、空间分辨率、空间动态范围、灵敏度等是其重要的性能指标，而作为发射部分的脉冲光源对这些性能指标有较大的影响。光源发出的脉冲宽度越窄，则定位精度与空间分辨率越高，但宽度变窄也会导致光脉冲的功率下降，从而使空间动态范围和灵敏度降低。因此，对于周期性的脉冲宽度单一不变的光脉冲而言，无法实现系统各项性能的共同提升。

发明内容

本发明提出一种光纤振动传感检测方法，所述方法为：向传感光路注入光脉冲信号,返回带有振动信息的光信号，通过解析所述光信号来确定振动位置，所述光脉冲信号的脉冲宽度周期性变化，并基于所述脉冲宽度，从所述光信号中解析出带有的振动信息，进而计算出振动位置。

优选地，所述宽度周期性变化的光脉冲信号，具体输出方法为：

对光源触发信号进行从1到n的脉冲计数，所述光源触发信号的周期为T，每当产生光源触发信号后，就将计数加1：

其中，i是当前周期的脉冲计数，n是脉冲计数的最大值；根据所述光源触发信号和脉冲计数输出光脉冲信号，所述光脉冲信号的周期为T，脉冲宽度为H，且H满足：

H＝i×h

其中，h为最小脉冲宽度。

优选地，所述基于脉冲宽度，解析光信号中的振动信息，具体步骤为：

传感光路返回带有振动信息的光信号经过光电转换和模数转换后将所述光信号转换为数字电信号F(t)；

从所述数字电信号F(t)中提取出包含振动信号的有效数据；

根据脉冲计数对所述有效数据进行编码，所述脉冲计数与光源触发信号的脉冲计数一致。

优选地，所述根据脉冲计数对所述有效数据进行编码的具体方法为：

在每次接收到脉冲计数时，生成对应脉冲宽度的帧头G(i)：

G(i)＝i×g

其中g为基本编码格式，为计算机中的2进制数，i为接收到的脉冲计数；在所述帧头后跟随该脉冲宽度下产生的有效数据作为编码数据。

优选地，所述计算出振动位置的具体方法为：

接收到编码数据，并对所述编码数据进行解码处理，将解码数据放入数组data(i,j)中，其中i＝1,2,…,n，表示计数周期，对应不同的脉冲宽度，j＝0,1,…,N(i)，N(i)表示data(i,j)中脉冲宽度i×h产生的振动点个数，累计接收n×m个周期的数据后，对所述数组data(i,j)进行加权投票算法处理，计算出振动位置。

优选地，所述计算出振动位置后，传输给上层应用程序进行报警处理。

优选地，所述脉冲周期T的值为1ms，脉冲计数的最大值n的值为5，最小脉冲宽度h的值为0.5us。

本发明还提出一种光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述装置包括：光源脉冲触发模块、脉冲计数器、光源控制模块、振动特征提取模块、数据编码与传输模块以及解码与信号处理模块；

所述光源控制模块用于在所述光源脉冲触发模块和脉冲计数器的控制下输出宽度周期性变化的光脉冲控制信号；

所述振动特征提取模块用于提取出包含振动信号的有效数据，并传输至数据编码与传输模块；

所述数据编码与传输模块用于在接收到所述有效数据的同时，根据脉冲计数器的计数，对该有效数据进行编码，并传输至解码与信号处理模块；

所述解码与信号处理模块通过解码得到有效数据，根据该有效数据计算出振动位置。

优选地，所述装置还包括脉冲光源、传感光路、光电转换模块以及模数转换模块。

优选地，所述光源脉冲触发模块、脉冲计数器、光源控制模块、振动特征提取模块以及数据编码与传输模块在FPGA中实现，所述解码与信号处理模块在上位机中实现。

本发明提出的光纤振动传感检测方法，设计了从底层硬件到上位机处理的一整套光纤振动传感系统，通过实时控制光源脉冲宽度的周期性变化，使其拥有从窄到宽的多个脉冲宽度，该脉冲经传感光路产生带有振动信息的光信号，在解析该光信号时与当前脉冲宽度对应的编码成帧，再传输到上位机。上位机对接收到的数据进行解码处理，提取出不同脉冲宽度下的信号数据，进而计算出振动点。其有益效果在于提升了振动定位精度和空间分辨率的同时保证了空间动态范围、灵敏度能够控制在合理范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于光源脉冲宽度控制的光纤振动传感检测方法的模块框图；

图2为本发明实施例提供的基于光源脉冲宽度控制的光纤振动传感检测方法的详细流程图；

图3为本发明实施例提供的0V阈值下，定位标准差与脉宽关系图；

图4为本发明实施例提供的1us脉宽下，定位标准差与阈值关系图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

光源脉冲触发模块产生周期为T的光源触发信号，并输出至脉冲计数器、振动脉冲特征提取模块和光源控制模块；脉冲计数器进行从1到n的计数，当其接收到光源触发信号后，就将计数加1：

其中，i是当前周期的脉冲计数，n是脉冲计数的最大值；脉冲计数器将该计数输出至光源控制模块和数据编码与传输模块；光源控制模块接收光源触发信号和脉冲计数，输出控制信号至脉冲光源，使其产生周期为T，宽度为H的光脉冲，脉冲宽度H满足：

H＝i×h

其中，h为最小脉冲宽度；

脉冲光源输出周期性宽度变化的光脉冲至传感光路，传感光路产生载有振动信息的光信号至光电转换模块，光电转换模块将光信号转换为模拟电信号并输出至模数转换模块，模数转换模块将模拟电信号转换为数字电信号F(t)并交给振动特征提取模块处理；

振动特征提取模块接收到光源触发信号后，开始对模数转换模块传输来的数字电信号F(t)进行处理，从中提取出包含振动信号的有效数据，并传输至数据编码与传输模块；提取有效数据的方法如下：

设置振动检测的阈值为f_h，Δt为模数转换模块数字电信号F(t)的采样间隔，如果F(t_r-Δt)＜f_h&&F(t_r)≥f_h，则将t_r作为振动峰的上升沿时间，上升沿位置为l_r＝t_r％T*c/2，其中c为光纤中的光速；如果F(t_f-Δt)＞f_h&&F(t_f)≤f_h，则将t_f作为振动峰的下降沿时间，下降沿位置为l_f＝t_f％T*c/2；将t_m＝(t_r+t_f)/2作为振动峰的峰值时间，峰值位置为l_m＝t_m％T*c/2；将l_m作为有效数据传输至数据编码与传输模块；

数据编码与传输模块在接收到有效数据的同时，根据脉冲计数器的计数，对该有效数据进行编码；数据编码与传输模块在每次接收到脉冲计数器发出的脉冲计数时，生成对应脉冲宽度的帧头G(i)：

G(i)＝i×g

其中g为基本编码格式，一般为计算机中的2进制数，i为接收到的脉冲计数；在帧头后跟随该脉冲宽度下产生的有效数据作为编码数据，随后将该编码数据传输至解码与信号处理模块；

解码与信号处理模块接收到编码数据，并对该数据进行解码处理，将数据放入数组data(i,j)中，其中i＝1,2,…,n，表示计数周期，对应不同的脉冲宽度，j＝0,1,…,N(i)，N(i)表示data(i,j)中脉冲宽度i×h产生的振动点个数，累计接收n×m个周期的数据后，解码与信号处理模块对data(i,j)进行算法处理，计算出振动信号的位置，处理算法如下：

使用加权投票算法计算振动点的位置：对数组data(i,j)中的每一个振动峰位置点进行加权，权重为

对于数组data(i,j)中的每一个振动峰位置点，若在该点的前后

范围内存在k个其他的振动峰，则该点的票数为这k个其他的振动峰的权重之和，记录到数组data_sum(i，j)中；统计完所有点的票数后，将data_sum(i，j)从大到小重新排列；若data_sum(i，j)[0]≤γK，其中K为数组data_sum(i，j)的元素总数，即有效数据的振动峰总数，γ为系统灵敏度，则这n×m个周期无振动点；若data_sum(i，j)[0]＞γK，则将data_sum(i，j)[0]对应的位置记为振动点，并将data_sum(i，j)中在该点前后

范围内的位置点去除，重复该算法，直到data_sum(i，j)[0]≤γK为止；

汇总这n×m个周期的所有振动点位置，传输给上层应用程序进行报警，然后继续等待接下来n×m个周期的有效数据接收完成后，再进行算法处理。

优选地，脉冲周期T的值为1ms，脉冲计数的最大值n的值为5，最小脉冲宽度h的值为0.5us，振动检测的阈值f_h的值为1V，采样间隔Δt的值为4ns，基本编码格式g的值为0x1111，m的值为10，系统灵敏度γ的值为0.2。

本发明实施例中，在光源强度、电路参数、阈值等系统其他参数保持不变的情况下，只改变光源脉冲宽度，使其分别为0.5us、0.75us、1us、1.25us、1.5us，并在同一点持续施加振动，然后采集从FPGA直接传输到上位机中的原始数据，包括原始振动峰的上升沿位置、下降沿位置和峰值位置。每种脉冲宽度共采集500周期的数据，并计算每组数据的标准差，作为衡量定位精度的标准。图3为0V阈值下，定位标准差与脉宽关系图，可以看出，峰值的标准差明显小于上升沿和下降沿的标准差，即峰值的定位精度明显高于上升沿和下降沿的定位精度；同时，随着光源脉冲宽度的增大，标准差也逐步增大，说明脉宽越大，定位精度越差。

另外，本实施例还在保持脉宽为1us的情况下，只改变阈值，并采集不同阈值下500周期的数据做标准差。图4为1us脉宽下，定位标准差与阈值关系图，可以看出，峰值的定位精度仍然高于上升沿和下降沿的定位精度，而不同阈值下，定位标准差变化不大，说明阈值对定位精度影响不大。

Claims (9)

1.一种光纤振动传感检测方法，所述方法为：向传感光路注入光脉冲信号，返回带有振动信息的光信号，通过解析所述光信号来确定振动位置，其特征在于，所述光脉冲信号的脉冲宽度周期性变化，并基于所述脉冲宽度，从所述光信号中解析出带有的振动信息，进而计算出振动位置；所述基于脉冲宽度，解析光信号中的振动信息，具体步骤为：

传感光路返回带有振动信息的光信号， 经过光电转换和模数转换后将所述光信号转换为数字电信号F(t)；

从所述数字电信号F(t)中提取出包含振动信号的有效数据；

根据脉冲计数对所述有效数据进行编码，所述脉冲计数与光源触发信号的脉冲计数一致。

2.根据权利要求1所述的光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述宽度周期性变化的光脉冲信号，具体输出方法为：

对光源触发信号进行从1到n的脉冲计数，所述光源触发信号的周期为T，每当产生光源触发信号后，就将计数加1：

其中，i是当前周期的脉冲计数，n是脉冲计数的最大值；根据所述光源触发信号和脉冲计数输出光脉冲信号，所述光脉冲信号的周期为T，脉冲宽度为H，且H满足：

H＝i×h

其中，h为最小脉冲宽度。

3.根据权利要求1所述的光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述根据脉冲计数对所述有效数据进行编码的具体方法为：

在每次接收到脉冲计数时，生成对应脉冲宽度的帧头G(i)：

G(i)＝i×g

其中g为基本编码格式，为计算机中的2进制数，i为接收到的脉冲计数；在所述帧头后跟随该脉冲宽度下产生的有效数据作为编码数据。

4.根据权利要求1所述的光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述计算出振动位置的具体方法为：

接收到编码数据，并对所述编码数据进行解码处理，将解码数据放入数组data(i,j)中，其中i＝1,2,…,n，表示计数周期，对应不同的脉冲宽度，j＝0,1,…,N(i)，N(i)表示data(i,j)中脉冲宽度i×h产生的振动点个数，累计接收n×m个周期的数据后，对所述数组data(i,j)进行加权投票算法处理，计算出振动位置。

5.根据权利要求1所述的光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述计算出振动位置后，传输给上层应用程序进行报警处理。

6.根据权利要求2所述的光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述脉冲周期T的值为1ms，脉冲计数的最大值n的值为5，最小脉冲宽度h的值为0.5us。

7.一种光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述装置包括：光源脉冲触发模块、脉冲计数器、光源控制模块、振动特征提取模块、数据编码与传输模块以及解码与信号处理模块；

所述光源控制模块用于在所述光源脉冲触发模块和脉冲计数器的控制下输出宽度周期性变化的光脉冲控制信号；

所述振动特征提取模块用于提取出包含振动信号的有效数据，并传输至数据编码与传输模块；

所述数据编码与传输模块用于在接收到所述有效数据的同时，根据脉冲计数器的计数，对该有效数据进行编码，并传输至解码与信号处理模块；

所述解码与信号处理模块通过解码得到有效数据，根据该有效数据计算出振动位置。

8.根据权利要求7所述的一种光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述装置还包括脉冲光源、传感光路、光电转换模块以及模数转换模块。

9.根据权利要求7所述的一种光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述光源脉冲触发模块、脉冲计数器、光源控制模块、振动特征提取模块以及数据编码与传输模块在FPGA中实现，所述解码与信号处理模块在上位机中实现。

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