CN108627237A - 一种基于分布式光纤传感系统的自相关分析信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自相关分析的分布式光纤传感系统的信号处理方法，该方法通过对采集信号进行自相关运算，提高振动信号的信噪比。本发明能够很好地解决识别出微弱振动信号的问题，能够在低信噪比的原始信号中检测出振动信号。

Description

一种基于分布式光纤传感系统的自相关分析信号处理方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统的信号处理技术领域，特别涉及一种基于分布式光纤振动测量系统的自相关分析信号处理方法。

背景技术

分布式光纤振动测量系统是一种长距离检测沿线振动信号的测量系统，此系统作为周界安防检测系统广泛应用于边界入侵检测、管道安全监测、大型基建设施健康状态检测以及其他长距离检测振动的工程。

分布式光纤振动测量系统基于全光纤干涉原理，采用光纤既作为光传输装置又作为振动传感器，往光纤一端发送窄脉冲激光，并在同一端接收激光的反射光，通过相应设备采集反射光，解调出振动信号。在实际应用过程中，当传感光光纤周边有振动事件发生时，振动事件产生的振动信号会引起光纤发生应变，导致光纤中激光的相位以及偏振态发生变化。系统需要对采集到的振动信号进行处理分析，从而得到振动信息。因此提高振动信号幅值以及频域信噪比，是处理采集信号是系统重要的部分。

发明内容

本发明提出一种基于自相关分析的分布式光纤传感系统的信号处理方法，该方法从提高振动信号幅值和提高频谱的信噪比两个方面对采集信号进行分析，不仅能避免振东的误报，还能够精确地提供振动频谱信息，提高了系统性能与工程适应性。

自相关分析方法是一种信号分析方法，本发明的信号处理方法原理是基于光纤系统的噪声信号存在相关性比振动信号的相关性低，因此经过本发明的信号处理方法，可消除噪声影响，提取出振动信号。

在本发明中，自相关的核心计算如下：

为清楚描述，举例说明，数组A=[a,b,c]；特别地，此举例具有一般性；

数组B为数组A经过自相关运算后的结果。

本发明为一种基于自相关分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法，内容包括：消平均，计算系数，移位相乘相加，计算方差等四个步骤。

第一步，计算光纤每个点对应数组的平均值，并减去该平均值，消除直流信号的干扰；第二步，计算光纤各点对应数组内各元素的加权系数；第三步，将各数组进行自相关计算，即各数组乘以本数组，依次做自乘自加并乘以对应系数运算，为描述清楚，该运算称为一次运算过程，每完成一次运算过程，乘数数组移位一次，再次做一次运算过程，直到数组完成运算过程次数等于数组元素个数，特别地，数组移位方向保持一致。当做完自相关运算，若数组存在振动，则运算后数组数据为振动信号数据；第四步，各数组进行求方差运算，每个数组运算后得出一个方差值。该方差值作为衡量该数组是否存在振动，即所对应的光纤位置是否有振动事件发生。

优选地，判断是否有振东发生，可与数组内最小值进行比较，避免另选取阈值比较，可增加算法的适应性。

效果增益

采用本发明的信号处理方法，一方面可以提高处理后的振动信号的信噪比，降低系统误报与漏报振动事件发生；另一方面提高振动信号的频谱信噪比，有利于系统分析出振动类型。

附图说明

为清楚地描述本发明内容，现附图说明。

图1为采集数据过程，每条数据对应沿线光纤位置，每条数据上的点依据采集时间次序从大到小标序；图2为各条数据上相同序号的数据组合形成新的一条数据，对应光纤某一点位置的时域信息；图3为本发明算法的流程。

具体实施方式

下面是对一种基于自相关分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法的实施过程，具体的实施步骤为：

第一步，每m条数据作为一个数据块，每条数据包含有n点数据，每点数据对应光纤沿线的一点，将每条数据上的点按采集次序依次从小到大标序号，如图1所示；特别地，此处m、n具有一般性，不限定为某一具体数字；

第二步，将数据块内，相同序号的点划分为同一数组，数组内排序为采集的时间次序，采集时间早的数据序号小；每组数组对应光纤沿线上某点位置的时域数据。如图2所示，为其中一个数组时域图；

第三步，计算各个数组内的系数；为清楚描述处理过程，此处举例说明，数组C _k =[f ₁ , f ₂ ,……,f _m ]，其中下标k代表从1到n的任意数值，数组内有m个数据，此处m与数据块内数据条数数值相等；C _k 对应的系数数组D _k ，

；

第四步，各数组C _k 的自相关计算，各数组乘以本数组，依次做自乘自加运算:，再对数值内各元素乘以相应系数：，

S _k 内数据为振动信号的数据；该数组经过以上运算削弱了噪声；

第五步，对S _k 内元素进行方差运算，得到对应方差值g _k ；

第六步，同一数据块得到方差数组G _r =[g ₁ ,g _2,……, g _n ]，下标r代表这是第r个数据块；

第七步，对G _r 数组元素进行比较，当g _k 与最小值g _min 的幅值比为10dB时，g _k 所对应的光纤位置发生了振动事件，S _k 为振动信号波形。特别地，此处幅值比10dB为优选值，但不限于此数值。

Claims (1)

1.一种基于自相关分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法，其特征在于以下步骤：

第一步：每次采集到的后向散射光信号作为一条数据，每条数据上有n个采集点，将连续采集到的m条数据作为一次处理的数据块；每条数据上对应光纤沿线上相同位置的采集点为同一数组，共划分为n个数组；

第二步：计算数组平均值，并减去该平均值；

第三步：将减去平均值的数组计算各元素位置的系数；

第四步：计算减去平均值的数组自相关，计算后的数组每个元素乘以对应系数；

第五步：计算乘以系数后的数组的方差值；

重复第二步至第五步，直到选取数据块内的数组全部计算完毕；得到的方差值中，选取最小值，将其他方差值与之对比。