CN108317402B - 一种分布式光纤传感定位预警分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式光纤传感定位预警分析方法，包括(1)原始信号采集：通过光纤对土壤传递的声音和振动信号进行采集，通过测量背向散射光返回起始端的时间来得到原始的采集信号；(2)带宽内的能量回应：对采集到的声音/振动原始信号进行快速傅利叶变换(FFT)得到有强度与频度的目标信号，得到带宽内的能量回应；(3)创建二进制数据：通过目标信号与事件模板的比对与卷积处理得到一组被放大的目标信号，通过信号的阈值，创建二进制数据，同时过滤掉大部分的背景噪声；(4)确定事件及分级：对二进制数据进行填充与修补，得到更高的信噪比，通过分析二进制数据确定事件及分级。本发明能够在事前监测出泄漏点，尽量减少泄漏造成的损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种预警技术，特别涉及管道安全防止第三方破坏行为的一种分布式光纤传感定位预警分析方法。
背景技术
国内外自启动管道运输工程开始，就开始了对管道泄漏在线监测方法的研究，经过数十年的发展，也取得了一些重要成果。基于压力、流量、负压波、声音、温度等信号的监测方法，有些已经在国内外多条油气管道上进行了试用，成功发现了多起油气泄漏事故，取得了明显的经济效益。但是这些泄漏监测的方法基本属于事后监测，都是当事故发生后才能监测及定位，采取的措施也只是“亡羊补牢”，尽量减少泄漏造成的损失。
早在19世纪人们开始光的散射研究时，瑞利提出了一个假说，认为空气中大气分子的热运动会导致对光波产生散射，因此才出现了天空的颜色。由此，人们以瑞利的名字定义了这种弹性的散射为瑞利散射。由于自然介中的热运动是普遍存在的，所以几乎所有的介质都会产生瑞利散射，包括光纤。相敏光时域反射仪就是基于光纤当中的瑞利散射效应来进行进行分析。系统在传感光纤中注入高功率的脉冲光，脉冲光在传输过程中发生散射，其光强由于光纤损耗而随传输距离衰减，因此散射返回信号的强度在示波器上显示为一个倾斜的曲线。根据该曲线可以测量出光纤的衰减系统。外部引起的扰动和光纤内部存在的不完善性不仅导致光强衰减的变化和偏振态的变化，也会引起光程变化的相应的相位变化。实际上，相移变化比衰减和偏振变化更灵敏，因此，相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)就是利用了更高灵敏度的相移变化来进行探测。
相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)采用一个窄线宽的连续运转(cw)激光器作为光源，激光光源分出一部分作为本地振荡(Local oscillator，Lo)；光用探针声光调制器从v0频移到v1，斩波成一个窄脉宽T的脉冲串，重复频率与光纤长度匹配。接收端采用外差接收技术，背散射光场ES和本振光场EL在光纤耦合器中干涉，假设该耦合器为理想的3dB分束器，其输出分别正比于式1
信号强度与本振激光幅度成正比，具有放大回波信号的优点。接收信号通过一个窄带滤波器或使用数据处理方法，抑制带外噪声，大大提高了信噪比。
图1为相位敏感光时域反射仪(Ф-OTDR)；
相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)拍频波形
sin(Δωt+Δφ)＝sinΔωtcosΔφ+cosΔωsinΔφ
(式2)
通过数据处理提取出相位信息，必要时还要作相位的解包处理(phase un-wrapping)，扩展所提取的相位角到大于2π的范围。该相位信息包含局部的光纤轴向伸缩和外力导致的折射率变化，这就是待测量和待传感的量。
应用相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)进行管道安全预警系统的构建具有灵敏度高、定位精度高等特点，但相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)传输距离有限，目前单臂传输距离最远为50KM。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有可探测距离50km以上的高探测精度，高定位精度的分布式光纤传感定位预警分析方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种分布式光纤传感定位预警分析方法，所述分析方法包括：
(1)原始信号采集：
通过光纤对土壤传递的声音和振动信号进行采集，通过测量背向散射光返回起始端的时间来得到原始的采集信号；
(2)带宽内的能量回应：
对采集到的声音/振动原始信号进行快速傅利叶变换(FFT)得到有强度与频度的目标信号，得到带宽内的能量回应；
(3)创建二进制数据：
通过目标信号与事件模板的比对与卷积处理得到一组被放大的目标信号，通过信号的阈值，创建二进制数据，同时过滤掉大部分的背景噪声；
(4)确定事件及分级：
对二进制数据进行填充与修补，得到更高的信噪比，通过分析二进制数据确定事件及分级。
所述声音和振动信号的采集是采用光钎的光信号的变化来反映物理量的变化实现的。
所述背景噪声的过滤是通过小波变换降低尾端噪声实现的。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：可以防止第三方破坏行为。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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的附图。
图1为现有相位敏感光时域反射仪的工作原理图；
图2为本发明流程图；
图3为基于相位敏感光时域反射仪构建的系统原理图；
图4为连续时间系统的构建原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图2所示，本发明公开了一种分布式光纤传感定位预警分析方法，分析方法包括：
(1)原始信号采集：
通过光纤对土壤传递的声音和振动信号进行采集，通过测量背向散射光返回起始端的时间来得到原始的采集信号；所述声音和振动信号的采集是采用光钎的光信号的变化来反映物理量的变化实现的；
(2)带宽内的能量回应：
对采集到的声音/振动原始信号进行快速傅利叶变换(FFT)得到有强度与频度的目标信号，得到带宽内的能量回应；
(3)创建二进制数据：
通过目标信号与事件模板的比对与卷积处理得到一组被放大的目标信号，通过信号的阈值，创建二进制数据，同时过滤掉大部分的背景噪声；背景噪声的过滤是通过小波变换降低尾端噪声实现的；
(4)确定事件及分级：
对二进制数据进行填充与修补，得到更高的信噪比，通过分析二进制数据确定事件及分级。
参见图3所示，基于相位敏感光时域反射仪构建系统，需要从以下三个步骤来实现。首先，要保证外界的物理参量可以对在光纤中传输的光进行调制，用光信号的变化来反映物理量的变化；其次，测量信号中还需含有位置信息，这样才能获知物理参量的位置来源，即定位；最后，信息处理分析以及思维决策。整个过程包括了感知、传递、处理、分析、思维、决策、控制等多个步骤，组成一个智能感知、生成的全过程。
参加图4所示，采用线性连续时间系统构建的方法，将连续时间系统化为离散时间系统，将光缆监测线路全线路长度认为是一个连续的监测对象，时间以1秒或更小的时间分隔单位作为连续的时间受控对象；其状态x(t),输入和输出y(t)都是时间t的连续函数向量；同一时间维度上，光纤全线路长度每一点为连续的空间状态，系统通过高频次的采样，对全线路每秒进行多次的周期性采样，从而将全线路上每一个位置的空间状态信息实时采集到系统后端，即用连续的时间状态来描述连续的空间状态，并且建立两者的对应关系；将时——空二维信号在空域上一维一维的扫描，若发现振动信号位置再进行后续处理以及模式识别；采集的数据量庞大，运算量巨大，因此通过采用高速计算机来实现光纤预警系统实时监测识别的需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种分布式光纤传感定位预警分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：
（1）原始信号采集：
通过光纤对土壤传递的声音和振动信号进行采集，声音和振动信号的采集是采用光纤的光信号的变化来反映物理量的变化实现的，通过测量背向散射光返回起始端的时间来得到原始的采集信号，所述采集信号中还包括位置信息；
（2）带宽内的能量回应：
对采集到的声音/振动的原始的采集信号进行快速傅里叶变换得到强度与频度的目标信号，得到带宽内的能量回应；
（3）创建二进制数据：
通过目标信号与事件模板的比对与卷积处理得到一组被放大的目标信号，通过信号的阈值，创建二进制数据，同时过滤掉大部分的背景噪声，背景噪声的过滤是通过小波变换降低尾端噪声实现的；
（4）确定事件及分级：
对二进制数据进行填充与修补，得到更高的信噪比，通过分析二进制数据确定事件及分级；
步骤（1）中的光纤的信号采集采用线性连续时间系统构建的方法，将连续时间系统化为离散时间系统，将光缆监测线路全线路长度认为是一个连续的监测对象，时间以1秒分隔单位作为连续的时间受控对象；输入状态x(t)和输出y(t)都是时间t的连续函数向量；同一时间维度上，光纤全线路长度每一点为连续的空间状态，通过高频次的采样，对光纤全线路每秒进行多次的周期性采样，从而将光纤全线路上每一个位置的空间状态信息实时采集到后端，即用连续的时间状态来描述连续的空间状态，并且建立两者的对应关系；将时──空二维信号在空域上一维一维的扫描，若发现异常的声音/振动信号位置再进行后续处理以及模式识别。
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