CN109407514B - 可自动调节φ-OTDR系统参数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动调节

系统参数的装置及方法，其中装置包括

系统、控制器及存储模块；

系统包括顺次连接的脉冲发射模块、环形器、传感光缆，还包括相连接的信号接收模块和信号处理模块；存储模块，用于存储实验室条件下的多组脉冲发射控制参数和信号接收模块参数；控制器根据存储模块中存储的参数进行初始化，并不断改变参数控制脉冲发射模块和信号接收模块；计算评价函数，输出评价函数取最小值时的最优参数，控制脉冲发射模块和信号接收模块；该控制器还用于每隔一定时间计算评价函数的值，当评价函数的值超过一定阈值时，则重新寻找最优参数。本发明可实现

系统参数的自动调节。

Description

可自动调节φ-OTDR系统参数的装置及方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及在现场使用

系统的参数自动调节的装置和方法。

背景技术

系统是利用光纤的瑞利散射，通过向光纤中注入高相干的脉冲光，获得整条光缆周围的扰动信号。由于其测量精度高、抗干扰能力强、探测距离长，主要用在输油管线监控、边境线监控等长距离周界防区场所。但在现场使用过程中发现，有些探测光缆敷设了十年以上，熔接点多，光缆的质量参差不齐，这导致每套系统需要专门工作人员，依据现场情况凭经验手动调节

系统的参数，效率低、成本高，而且每次调节有可能不一致。一旦光缆因第三方施工被挖断或地质变化导致光缆形变，后续的抢修都将会对光缆带来附加损耗，此点会让

系统对后续光缆的监测的灵敏度下降甚至失灵。成都电子科技大学的彭飞博士论文《相位敏感型光时域反射仪及其应用研究》中，确定泵浦光功率的方式是通过多次实验观察，最后大致估算出合适的阈值功率。且实验是在实验室条件下进行，其重复性不高、操作繁琐、主观影响大。

发明内容

本发明的目的是提供一种能自动调节现场

系统参数的装置及方法。在现场使用过程中，可根据用户设置的探测长度、频率、脉宽，能够自动寻找最佳的参数，重复性好、可靠度高，方便智能，能够广泛推广。而且，一旦光纤链路的发生情况，如：断纤、损耗变大，能够再次自动寻找合适参数。保障系统的持续稳定运行。

本发明为达上述目的所采用的技术方案是：

提供一种可自动调节

系统参数的装置，包括

系统、控制器及存储模块；

系统包括顺次连接的脉冲发射模块、环形器、传感光缆，还包括相连接的信号接收模块和信号处理模块，其中信号接收模块与环形器连接；

控制器，与脉冲发射模块、信号接收模块和信号处理模块均连接；

存储模块，与控制器连接，用于存储实验室条件下根据探测长度L、频率 f、脉宽pw所确定的多组脉冲发射控制参数α和信号接收模块参数β；

控制器根据存储模块中存储的参数进行初始化，并不断改变参数控制脉冲发射模块和信号接收模块；再根据从信号处理模块处获取的传感光缆的散射曲线提取散射曲线特征并计算评价函数，输出评价函数取最小值时的最优参数，控制脉冲发射模块和信号接收模块；该控制器还用于每隔一定时间计算评价函数的值，当评价函数的值超过一定阈值时，则重新寻找最优参数。

接上述技术方案，存储模块的存储方式为以下结构：

{(L₁,f₁,pw₁)：(α₁,β₁),(L₂,f₂,pw₂)：(α₂,β₂)…}。

接上述技术方案，脉冲发射模块发出的脉冲信号通过环形器输出到传感光缆，经传感光缆反射的散射信号通过环形器返回，被信号接收模块转换为电信号，再由信号处理模块采集电信号并处理。

接上述技术方案，评价函数用来对散射曲线的多个特征进行加权评价。

本发明还提供了一种可自动调节

系统参数的方法，该方法基于上述装置，包括以下步骤：

对

系统进行基本参数的配置，包括探测长度、频率、脉宽；

控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块，产生探针脉冲；

控制器不断改变参数，寻找最优解；

控制器将最优参数投入生产，发射探测脉冲；

每隔一定时间，控制器评估光缆损耗是否发生变化，若评价函数超过一定阈值，则重新寻找最优解。

接上述技术方案，寻找最优解的过程包括：

控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块，产生探针脉冲；

信号处理模块采集到传感光缆的散射曲线；

控制器提取散射曲线的特征；

根据提取的特征计算评价函数的值；

控制器不断改变控制参数，当评价函数取最小值时，找到最优参数。

接上述技术方案，评价函数的值V＝f(x₁,x₂,…,x_n)＝g(α,β,γ)，其中 x₁,x₂,…,x_n是提取的散射曲线的特征，f是评价函数，评价函数f用来对散射曲线诸多特征进行加权评价；

α,β,γ分别是脉冲发射模块参数、信号接收参数、响应系统参数， g是变换函数；变换函数g是系统的变换方程，用来表征在不同接入光缆、不同配置参数下，脉冲发射模块参数、信号接收参数对系统的响应。

当γ给定时，接收到的信号只与α,β有关，此时优化α,β的取值，使评价函数达到最小值，获得最优解。

本发明产生的有益效果是：本发明通过初始化控制模块中的控制参数，控制脉冲发射模块与信号接收模块，产生探针脉冲，寻找最优的参数；当最优参数投入生产环境中后，控制器每隔一段时间提取散射信号，评价此时的参数是否需要调整；若超过一定阈值，则重新寻找最优解，然后投入生产环境，实现了

系统参数的自动化调节，操作简单、重复性好、可靠度高，方便智能，保障了系统的正常运行，适合大规模应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为可自动调节

系统参数的装置的结构示意图。

图2为

系统参数优化流程图。

图3为探测针脉冲选择最优解的流程图。

图4评价函数最优化示意图。

图5探测脉冲处理信号的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，图1为可自动调节

系统参数的装置，该装置主要包括

系统、存储模块和控制模块。

系统可以典型的

系统，主要包括脉冲发射模块101，环形器102，传感光缆103，信号接收模块104，信号处理模块105。脉冲信号通过环形器102输出到传感光缆103后，散射信号通过环形器102返回，被信号接收模块104转换为电信号，再由信号处理模块105采集处理。

其中，脉冲发射模块101主要用来产生具有高相干性的脉冲光。

其中，信号接收模块104主要用来将散射光信号变为电信号。

其中，信号处理模块105为数据采集卡及相关的处理单元。

该装置还包括存储模块106，控制器107。

存储模块106主要用来存储实验室条件下，根据探测长度L、频率f、脉宽pw，确定的脉冲发射控制参数α、信号接收模块参数β，存储方式为以下结构：

{(L1,f1,pw1)：(α₁,β₁),(L2,f2,pw2)：(α₂,β₂)…}

控制器107的主要作用是控制脉冲发射模块101、信号接收模块104。首先，参数配置完成后，存储模块106根据映射关系寻找相等或者最相近的键值，将参数输出到控制器107中，完成控制器107参数的初始化。此时脉冲发射模块101发射的脉冲为探针脉冲，主要用来寻找最优化参数。在一定范围内，最优化参数寻找完成后，控制器将此参数输出到脉冲发射模块101、信号接收模块104中投入生产，此时的脉冲为探测脉冲。当传感光缆发生断裂或其它情况引起光缆链路发生附加损耗时，控制器107还能对散射曲线重新评估，若超过一定阈值，则会自动重新寻找最优参数。

下面举个例子进行说明本发明实施例是如何实施的。

首先，将

系统接入传感光缆，配置初始参数，如探测长度、探测频率、脉冲宽度等。

此时，根据存储模块中已存储的在标准实验室环境下产生的映射，对控制器的控制参数进行初始化。

其中，参数包括对脉冲发射模块的控制，对信号接收模块的控制。

通过发射探针脉冲，如图3所示，获取传感光缆散射曲线，从曲线中提取评价特征，构造评价特征方程。

在一定范围内，穷举所有可能的脉冲发射控制参数α、信号接收模块参数β，当评价函数取最小值时，得到此时的α,β，即为寻找到的最优参数。

寻找最优化参数后，将此时的参数将固定，通过控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块。此时发送的脉冲称为探测脉冲，主要用来对事件的监测，并每隔一定时间(可控)，从曲线中提取评价特征，评价光缆是否发生断纤、弯折，如果超过一定阈值，则判断此时的探测波形发生了变化，如图2，此时会发射探测脉冲，重新寻找最优参数。

举例说明，针对探测30km长的防区，选择200ns脉宽，500Hz的脉冲频率；设置完成后，存储模块根据键值(30,500,200)找到对应的映射值(100,100)，对控制器完成控制参数的初始化工作。此时脉冲发射模块将发射探针脉冲至传感光缆中，同时接收模块也接收到散射信号，此时将获得光缆的散射曲线，信号处理模块将散射曲线输入到控制器中，控制器将提取散射曲线中的诸多特征。

图2为本发明实施例中

系统参数自动优化的流程示意图，包括：

步骤201：基本参数的配置，如探测长度、频率、脉宽；

步骤202：控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块，发射探针脉冲；

步骤203：控制器不断改变参数，寻找最优解；

步骤204：控制器将最优参数投入生产，发射探测脉冲；

步骤205：每隔一定时间，控制器会评估光缆损耗是否发生变化，若评价函数超过一定阈值，则会从步骤202开始重新寻找最优解。

控制器的主要作用是控制参数输出、提取散射曲线特征、计算评价函数。其功能是选择最优参数，判断已投入生产的参数是否符合要求。

图3为本发明实施例中探针脉冲寻找最优解的流程图，包括：

步骤301：控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块，发射探针脉冲；

步骤302：信号处理模块采集到光缆的散射曲线；

步骤303：控制器提取散射曲线的特征；

步骤304：控制器不断改变控制参数，获得最优解。

具体的，评价值为V具体计算公式如下：

V＝f(x₁,x₂,…,x_n)＝g(α,β,γ)

其中x₁,x₂,…,x_n是提取的散射曲线特征，函数f是评价函数。

散射曲线特征包括：曲线信噪比、平均值、标准差、曲线包络陡峭度、分段能量等。

评价函数f用来对散射曲线诸多特征进行加权评价，评价函数模型的形式不限于线性回归、多项式、神经网络等。

以线性回归为例，评价函数为：

f(x₁,x₂,...,x_n)＝w₀+w₁x₁+...+w_nx_n

其中w₀,w₁...w_n是实验室条件下训练获得的参数。

α,β,γ分别是脉冲发射模块参数、信号接收参数、响应系统(探测长度、频率、脉宽、光缆损耗等)。g是变换函数。

变换函数g是系统的变换方程，用来表征在不同接入光缆、不同配置参数下，脉冲发射模块参数、信号接收参数对系统的响应。

当γ给定时，接收到的信号只与α,β有关，此时优化α,β的取值，使评价函数达到最小值，即可获得最优解。特别的，α,β的取值一般在初始参数的一定范围内。

例如，当初始值α＝100,β＝110(此处没有单位，只做描述说明)时，根据经验，最优解的取值不会超过初始值的20％，则最优解必定在下面取值区间：

80≤α≤120,88≤β≤132

图4为本发明实施例中

系统参数优化评价函数示意图，需要说明的是：横纵坐标的值只是示意。

通过在一定范围内改变的α,β值，可以获得评价值V，当V最小时，取此时的α,β值为最优参数，并投入生产环境中。

图5为本发明实施例中探测脉冲处理流程图，包括：

501：探测脉冲的发射；

502：获取传感光缆的散射曲线；

503：获取传感光缆上方的扰动信号；

504：间隔一段时间提取散射曲线中的特征；

505：计算评价值V，是否超过设定的阈值；

506：若超过设定的阈值则判断探测波形发生了变化，继而重新发射探针脉冲寻找最优参数。

例如，当传感光缆在一点A发生弯折，光缆的损耗发生了变化，此时获得的散射曲线将与原来不同，控制器提取评价特征做进行计算，若原来的 V＝1000，此时的V＝1500，当我们把阈值设置为1600时，说明此时不需要重新寻找参数，继续使用之前的参数进行生产工作。当阈值设置为1300时，说明此时需要重新寻找参数，继而控制器发射探针脉冲，进行最优化参数的寻找，获得最优化参数后即可投入生产工作。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块、装置或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种可自动调节

系统参数的装置，其特征在于，包括

系统、控制器及存储模块；

系统包括顺次连接的脉冲发射模块、环形器、传感光缆，还包括相连接的信号接收模块和信号处理模块，其中信号接收模块与环形器连接；

控制器，与脉冲发射模块、信号接收模块和信号处理模块均连接；

存储模块，与控制器连接，用于存储实验室条件下根据探测长度L、频率f、脉宽pw所确定的多组脉冲发射控制参数α和信号接收模块参数β；存储模块的存储方式为以下结构：

{(L₁,f₁,pw₁)：(α₁,β₁),(L₂,f₂,pw₂)：(α₂,β₂)…}；

控制器根据存储模块中存储的参数进行初始化，并不断改变参数控制脉冲发射模块和信号接收模块；再根据从信号处理模块处获取的传感光缆的散射曲线提取散射曲线特征并计算评价函数，输出评价函数取最小值时的最优参数，控制脉冲发射模块和信号接收模块；该控制器还用于每隔一定时间计算评价函数的值，当评价函数的值超过一定阈值时，则重新寻找最优参数。

2.根据权利要求1所述的可自动调节

系统参数的装置，其特征在于，脉冲发射模块发出的脉冲信号通过环形器输出到传感光缆，经传感光缆反射的散射信号通过环形器返回，被信号接收模块转换为电信号，再由信号处理模块采集电信号并处理。

3.根据权利要求1所述的可自动调节

系统参数的装置，其特征在于，评价函数用来对散射曲线的多个特征进行加权评价。

4.一种可自动调节

系统参数的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-3中任一项所述的装置，包括以下步骤：

对

系统进行基本参数的配置，包括探测长度、频率、脉宽；

控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块，产生探针脉冲；

控制器不断改变参数，寻找最优解；

控制器将最优参数投入生产，产生探测脉冲；

每隔一定时间，控制器评估光缆损耗是否发生变化，若评价函数超过一定阈值，则重新寻找最优解。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，寻找最优解的过程包括：

控制器控制脉冲发射模块、信号接收模块，发射探针脉冲；

信号处理模块采集到传感光缆的散射曲线；

控制器提取散射曲线的特征；

根据提取的特征计算评价函数的值；

控制器不断改变控制参数，当评价函数取最小值时，找到最优参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，评价函数的值V＝f(x₁,x₂,…,x_n)＝g(α,β,γ)，其中x₁,x₂,…,x_n是提取的散射曲线的特征，f是评价函数，评价函数f用来对散射曲线诸多特征进行加权评价；

α,β,γ分别是脉冲发射模块参数、信号接收参数、响应系统参数，g是变换函数；变换函数g是系统的变换方程，用来表征在不同接入光缆、不同配置参数下，脉冲发射模块参数、信号接收参数对系统的响应；

当γ给定时，接收到的信号只与α,β有关，此时优化α,β的取值，使评价函数达到最小值，获得最优解。

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