CN108645500B - 一种车辆振动传感增敏的方法 - Google Patents

一种车辆振动传感增敏的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种车辆振动传感增敏的方法,该方法包括以下步骤：步骤1.获取双路
Figure DDA0001691412910000011
系统采集的瑞利后向散射信号；步骤2.对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理；步骤3.对降噪后的双路瑞利后向散射信号分别间隔相同时间进行差值计算；步骤4.将处理后的双路信号相乘得到相应位置处的幅值信息；步骤5.通过幅值信息对车辆位置进行判断。本发明将双路
Figure DDA0001691412910000012
系统的瑞利后向散射光信号进行降噪与融合，提高了系统捕获车辆振动的能力。

Description

一种车辆振动传感增敏的方法
技术领域
本发明属于光纤传感和车辆监测领域，特别涉及到一种基于
Figure GDA0002503918710000015
车辆振动传感增敏的方法。
背景技术
随着我国城市化进程的推进和机动车数量的快速增长，城市道路交通量不断增加，各种交通问题突显：交通拥堵成为影响大城市居民出行的首要问题，交通事故数量呈上升趋势，这就需要交通监测系统具备全路段、全天候的实时监测能力，而车辆定位监测是其中最为主要的技术指标。目前，车辆定位监测技术分为主动式与被动式，其中主动式的监测方法如GPS(Global Positioning System)技术；被动式的监测方法主要采用环形线圈、数字视频、超声波等分立式传感器实现，以上传感器的技术相对成熟，测试精度较高，但是分立式传感器存在监测死角、组网复杂等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种车辆振动传感增敏的方法，该发明采用双路
Figure GDA0002503918710000011
系统对车辆振动信号进行检测，提高了系统的信噪比。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种车辆振动传感增敏的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.获取双路
Figure GDA0002503918710000012
系统采集的瑞利后向散射信号；
步骤2.对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理；
步骤3.对降噪后的双路瑞利后向散射信号分别间隔相同时间进行差值计算；
步骤4.将处理后的双路信号相乘得到相应位置处的幅值信息；
步骤5.若幅值信息大于设定的阈值，则该幅值信息所对应的位置为车辆所在位置。
优选地，在所述步骤2中，采用经验模态分解算法对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理。
如上所述，本发明的一种车辆振动传感增敏的方法，具有以下有益效果：
(1)本发明采用双路
Figure GDA0002503918710000013
系统对车辆振动信号进行检测，提高了系统的信噪比；
(2)本发明将双路
Figure GDA0002503918710000014
系统的瑞利后向散射光信号进行降噪与融合，提高了系统捕获车辆振动的能力。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1为本发明的双路
Figure GDA0002503918710000021
系统示意图；
图2为经过经验模态分解的降噪示意图；
图3为单路系统经过幅度差分结果示意图；
图4为双路系统经过幅度差分相乘结果示意图；
图5为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图5所示，本实施例提供一种车辆振动传感增敏的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.获取双路
Figure GDA0002503918710000022
系统采集的瑞利后向散射信号；
步骤2.对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理；
步骤3.对降噪后的双路瑞利后向散射信号分别间隔相同时间进行差值计算；
步骤4.将处理后的双路信号相乘得到相应位置处的幅值信息；
步骤5.若幅值信息大于设定的阈值，则该幅值信息所对应的位置为车辆所在位置。
于本实施例中，在所述步骤2中，采用经验模态分解算法对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理。
具体地，本实施例利用Labview编程软件实现对振动信号的分解与重构。在对振动信号分解时，振动信号存在至少一个极大值点和一个极小值点。EMD算法的分解过程如下：
(1)找到振动信号所有极大值与极小值点，通过对信号极大值包络线emax(t)、极小值包络线emin(t)和上下包络线的均值包络线的函数拟合m1(t)
Figure GDA0002503918710000031
(2)将振动信号序列去除均值包络，得到一个新的信号h1(t)，
h1(t)＝x(t)-m1(t)
此时的信号h1(t)不是一个平稳信号，不符合本征模态函数的定义，重复上述过程，直到第k次
Figure GDA0002503918710000032
函数满足本征模态函数，则原信号的一阶IMF分量为：
Figure GDA0002503918710000033
当满足公式
Figure GDA0002503918710000034
其中，ε为筛分门限，一般取值是0.2～0.3之间，包络的均值满足IMF中均值为0的条件。
(3)用原始信号减去c1(t)得到一个去掉高频成分的新信号r1(t)：
r1(t)＝x(t)-c1(t)
反复进行(1)、(2)步骤，直到第n阶IMF分量cn(t)或残余分量为单调函数或常量时，EMD分解停止。
(4)最后振动信号x(t)经过EMD分解得到
Figure GDA0002503918710000035
其中，ci(t)为第i阶IMF分量，rn(t)多次筛分后最终的残余分量，n为IMF的总阶数。
于本实施例中，所述步骤3具体为：采集n条幅度曲线，其中第i条幅度曲线a(i)和第i+k条幅度曲线a(i+k)差分运算后得到n-k条幅度曲线，然后对其取绝对值后进行累加，得到n-k条幅度曲线差值后叠加的结果A(n-k)，对间隔相同时刻降噪后的信号进行差值计算。其中，可以基于幅度差曲线的峰值得到扰动位置。
由下式所示：
Figure GDA0002503918710000036
最终的结果A(n-k)表现的是在光纤各个位置处波动情况的一条曲线，利用阈值检测的方法就可以将这条曲线A(n-k)中波动较大的位置检测出来。因为在
Figure GDA0002503918710000037
系统中在相同位置处，外部扰动造成的波动相较于瑞利后向散射信号的随机波动较强，利用上述的处理过程对后向瑞利散射曲线间隔相同时间差分，以突显不同时刻曲线中扰动信号波动最剧烈的部分。
由于本实施例采用的是双路
Figure GDA0002503918710000041
系统，双路
Figure GDA0002503918710000042
系统因为起始位置相同，L0在相同的传感区域内代表同一个位置。所以利用幅度差分的原理将L0处的波动突显出来的位置也相同，将双路用相同的方法处理后的波形再相乘就会在L0处得到更高的幅值。而没有扰动的其他位置经过处理后不会产生较大的变化。将两路信号差值的结果相乘，得到传感光纤各个位置处的幅值信息。
如图1所示，本实施例还提供一种车辆振动传感增敏的装置，该装置包括激光器、分光器以及同有相同结构的两检测光路，所述检测光路包括第一耦合器、光纤声光调制器、环形器、第二耦合器、平衡探测器和放大与滤波电路；激光器发出的连续光经光分器分成两路，分别进入到两检测光路的第一光耦合器中，第一光耦合器将接收到的光分成信号光和本振光，所述信号光由光纤声光调制器调制成光脉冲，光脉冲通过环形器连续注入到传感光纤中，同时环形器接收外差检测来检测返回的瑞利后向散射光，瑞利后向散射光和本振光通过第二耦合器拍频得到拍频信号，该拍频信号经平衡探测器转换成电信号，再经过解调电路解调后被PC与示波器接收。
具体地，激光器发出的激光的激光线宽<3KHz，输出功率>100mW。连续光被50:50的光纤分光器分为两束，这两束光分别被9：1的耦合器分成两部分后，每一部分被9：1的耦合器分成两部分，其中90％的光是信号光，10％的光是本振光。信号光由光纤声光调制器调制成光脉冲，信号光被频移了200MHz。光脉冲通过环形器连续注入到传感光纤中。通过外差检测来检测返回到接收端的瑞利后向散射光。瑞利后向散射光和本振光通过一个50:50的耦合器拍频，得到200MHz的拍频信号，该信号是由200MHz的平衡探测器转换成电信号，经过射频(RF)放大电路和200MHz(通频带40MHz)的带通滤波器处理，模拟IQ解调电路解调后，最终被PC与示波器接收。
于本实施例中，连续光被50:50的光纤分光器分为两束，这两束光分别被9：1的耦合器分成两部分后，每一部分与单路
Figure GDA0002503918710000043
系统搭建相同，只是需要两部分的传感光纤紧挨在一起，这样当有扰动发生时，对于两根光纤引起振动的相位差恒定。对双路信号进行简单的算法处理，双路信号通过移相叠加处理后，含有相同振动信号的幅值就会成倍增加，而噪声信号没有相位信息，幅值变化就不是很明显。
更加具体地，单路系统中信号光和本振光的信号用模长和幅角的形式表示为：
Figure GDA0002503918710000051
EL＝EL exp(iωL)
将光电探测器接收后只保留交流信号的电流i可以表示为：
Figure GDA0002503918710000052
其中，cosθ(t),
Figure GDA0002503918710000053
分别表示本振光与信号光在偏振和相位上相对于时间的函数，光纤衰减引入后：
ES(t)＝EA(t)2exp(-2αL)
其中，EA(t)是传感光纤距入射端L处瑞利后向散射信号的振动幅度，α为光纤的衰减系数；则探测到的瑞利散射信号电流i可以表示为：
Figure GDA0002503918710000054
由此可以看出光电流的大小与对应距入射端L处振幅成正比，对某一位置L0处采集到的光电流的功率大小正比于
Figure GDA0002503918710000055
的均方值。当该位置L0处信号光的相位发生较大的波动时，L0处相对于前一个周期采集到的光电流就会发生剧烈的改变。利用幅度差分的方法将L0处的波动突显出来。
而双路系统因为起始位置相同，L0在相同的传感区域内代表同一个位置。所以利用幅度差分的原理将L0处的波动突显出来的位置也相同，将双路用相同的方法处理后的波形再相乘就会在L0处得到更高的幅值。而没有扰动的其他位置经过处理后不会产生较大的变化。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种车辆振动传感增敏的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1.获取双路
Figure FDA0002546459090000011
系统采集的瑞利后向散射信号；其中，双路φ-OTDR系统包括两部分的起始位置相同传感光纤；
步骤2.对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理；
步骤3.对降噪后的双路瑞利后向散射信号分别间隔相同时间进行差值计算；其中，差值计算具体为采集n条幅度曲线，其中第i条幅度曲线a(i)和第i+k条幅度曲线a(i+k)差分运算后得到n-k条幅度曲线，然后对其取绝对值后进行累加，得到n-k条幅度曲线差值后叠加的结果A(n-k)，对间隔相同时刻降噪后的信号进行差值计算，并可以基于幅度差曲线的峰值得到扰动位置；
步骤4.将处理后的双路信号相乘得到相应位置处的幅值信息；
步骤5.若幅值信息大于设定的阈值，则该幅值信息所对应的位置为车辆所在位置。
2.根据权利要求1所述的一种车辆振动传感增敏的方法，其特征在于，在所述步骤2中，采用经验模态分解算法对双路瑞利后向散射信号进行降噪处理。
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