CN109752720A - 基于分布式振动传感器振动信息定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式振动传感器振动信息定位方法及系统，本发明的方法主要在空间域上做处理，保证指标不变的条件下减小数据量，具体流程如下：采集卡接收到原始相干电信号，然后做衰减补偿，空间域上平方，空间域上平均，空间域卷积，空间域上平均，时间域做差分确定事件位置。本发明不牺牲其他指标的同时可以提高定位速度，更容易找到事件点。

Description

基于分布式振动传感器振动信息定位方法及系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤瑞利散射振动传感系统技术领域，尤其涉及一种相干接收分布式光纤振动传感器事件定位方法及系统。

背景技术

分布式光纤振动传感器是近几十年来发展的一种用于实时测量空间振动信息分布的光纤传感系统。经过几十年的发展，该技术目前是比较成熟的。φ-OTDR分布式光纤振动传感系统利用瑞利散射信号，扰动位置根据OTDR原理可由下式计算：

其中，Δt为发出脉冲到收到该点光信号的时间；c光速；n为光纤纤芯折射率。

φ-OTDR分布式光纤振动传感系统有两个关键指标：响应频率和空间分辨率。响应最高频率为脉冲发射频率与时域平均次数的比值再除以2。空间分辨率主要由脉冲宽度和采集卡采样速率相关，两者取最低值。

该技术通常采用相干接收来提高灵敏度，脉冲调制方法一般采用声光调制器，返回的信号与本地光进行混频，经过平衡探测器转换成电信号被采集卡采集。声光调制器的平移量在几十MHz到几百MHz，根据奈奎斯特采样定律，采集卡的采样速度要大于2倍的平移量，实际中为了获取更好的效果，一般采用3到5倍的采样速率。最终相干解调输出的数据量比其他强度直接解调方案大了10倍或更多。

目前主要解调定位方法采用了时域平均方法，或更高级的时域方差的定位算法。但是这些算法计算量大或者有所减少，在时域过多的处理必然牺牲了响应频率指标(比如在时间域做多次平均的话，响应频率就降低为平均次数分之一)，甚至影响了空间分辨率指标。

发明内容

针对现有分布式振动传感器振动信息定位方法不足或改进需求，本发明提供了一种相干接收的分布式振动传感器振动信息定位的方法，其目的在于不牺牲系统关键指标条件下，减少计算量，提高实时性。

本发明为达目的所采用的技术方案是：

提供一种基于分布式振动传感器振动信息定位方法，包括以下步骤：

S1、获取基于相干接收的光纤振动传感系统的原始电信号T_i， T_i表示第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离改变的瑞利散射值的大小；

S2、计算原始电信号T_i的空间衰减补偿r_i＝T_i·exp(2L·a)，L为瑞利散射点的光纤长度，a为衰减常数；

S3、对空间衰减补偿后的瑞利散射信号做空间域的平方处理 R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…R_im]；

S4、对经空间域的平方处理后的每个瑞利散射信号的曲线做第一次空间域平均，平均次数为n₁，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为数据个数与平均次数的比值，向上取整，k＝ceil(m/n₁)；其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐；

S5、对第一次空间域平均的数据进行卷积处理C_i＝conv(S_i，h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量；

S6、对卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为n₂，方法同S4 步骤，得到F_i＝[F_i1,F_i2…F_ie]，其中e为k个数与平均次数n₂的比值，向上取整， e＝ceil(k/n₂)，其中j＝1,2…e，最后数据不够的用零补齐；

S7、通过时域差分获取事件位置信息，△F＝[F₂-F₁,F₃-F₂,F₄-F₃…F_i-F_i-1]，根据△F画出曲线，横坐标是采集卡点数或者转换成光纤距离，纵坐标是散射曲线差分值，曲线上大的突变点为事件位置。

本发明还提供一种基于分布式振动传感器振动信息定位系统，包括：

信号获取模块，用于获取基于相干接收的光纤振动传感系统的原始电信号T_i，T_i表示第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离改变的瑞利散射值的大小；

空间衰减补偿计算模块，用于计算原始电信号Ti的空间衰减补偿 ri＝Ti·exp(2L·a),L为散射点的光纤长度，a为衰减常数；

空间域处理模块，用于对空间衰减补偿后的散射信号做空间域的平方处理R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…R_im]；

第一空间域平均模块，用于对经空间域的平方处理后的每个瑞利散射信号的曲线做第一次空间域平均，平均次数为n₁，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为数据个数与平均次数的比值，向上取整，k＝ceil(m/n₁)；其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐；

卷积模块，用于对第一次空间域平均的数据进行卷积处理C_i＝conv(S_i，h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量；

第二空间域平均模块，用于对卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为n₂，得到Fi＝[F_i1,F_i2…F_ie]，其中e为k个数与平均次数n₂的比值，向上取整，e＝ceil(k/n₂)，其中j＝1,2…e，最后数据不够的用零补齐；

事件位置信息定位模块，用于通过时域差分获取事件位置信息，△ F＝[F₂-F₁,F₃-F₂,F₄-F₃…F_i-F_i-1]，画出△F曲线，横坐标是采集卡点数或者转换成光纤距离，纵坐标是散射曲线差分值，曲线上大的突变点为事件位置。

本发明还提供一种相干接收光纤振动传感系统，包括依次连接的激光器、第一耦合器、声光调制器、EDFA掺饵光纤放大器和环形器，环形器还连接传感光纤；该系统还包括依次连接的第二耦合器、探测器、采集卡和信号处理模块，其中第二耦合器的一个输入端与环形器连接，另一个输入端与第一耦合器的一个输出端连接；所述信号处理模块具体执行权利要求1 中的基于分布式振动传感器振动信息定位方法。

接上述技术方案，所述激光器为窄线宽激光器。

接上述技术方案，所述探测器为BPD平衡探测器。

接上述技术方案，所述传感光纤为单模光纤。

接上述技术方案，所述传感光纤长度为40Km。

本发明产生的有益效果是：本发明提出一种在空间域处理数据的事件定位方法，通过时间域平均以及空间域处理，均降低了信号噪音，能很好地找到事件位置。在不牺牲关键指标的前提下，减少了数据量和计算量实现了扰动报警的快速响应。

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是本发明实施例基于分布式振动传感器振动信息定位方法流程图；

图2是本发明实施例基于分布式振动传感器振动信息定位系统结构示意图；

图3是本发明实施例相干接收光纤振动传感系统示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例相干接收的分布式振动传感器振动信息定位的方法，包括以下步骤：

S1、获取相干接收后采集的原始电信号T_i(i＝1,2…n，表示第几个脉冲的瑞利散射曲线)。T_i＝[t_i1,t_i2…t_im]，m表示采集卡采集数据的个数，物理含义是第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离的改变瑞利散射值的大小；

S2、获取每个脉冲的散射信号做空间的衰减补偿r_i＝T_i*exp(2L*a),L为散射点的光纤长度，a为衰减常数；

S3、空间补偿后的散射信号做空间域的平方处理R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…R_im]；

S4、对做空间域的平方处理后的每个散射曲线做空间域的平均，平均次数为n₁次，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为数据个数与平均次数的比值向上取整，k＝ceil (m/n₁)。其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐，空间域数据大小为原理n₁分之一；

S5、第一次空间域平均的数据进行卷积处理Ci＝conv(Si，h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量，卷积处理的目的是消除毛刺，平滑曲线；

S6、卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为n₂，方法同S4步骤得到F_i＝[F_i1,F_i2…F_ie]，其中e为k个数与平均次数n₂的比值向上取整，e＝ceil (k/n₂)，其中j＝1,2…e，最后数据不够的用零补齐；

数据量又减少n₂分之一。

S7、时域差分获取事件位置信息，△F＝[F₂-F₁,F₃-F₂,F₄-F₃…F_i-F_i-1]，根据△F画出曲线，横坐标是采集卡点数或者转换成光纤距离，纵坐标是散射曲线差分值，曲线上大的突变点为事件位置。

如图2所示，本发明基于分布式振动传感器振动信息定位系统，包括：

信号获取模块，用于获取基于相干接收的光纤振动传感系统的原始电信号T_i，T_i表示第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离改变的瑞利散射值的大小；

空间衰减补偿计算模块，用于计算原始电信号Ti的空间衰减补偿 r_i＝T_i·exp(2L·a)，L为散射点的光纤长度，a为衰减常数；

空间域处理模块，用于对空间衰减补偿后的散射信号做空间域的平方处理R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…R_im]；

第一空间域平均模块，用于对做空间域的平方处理后的每个散射曲线做空间域的n₁次平均，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为数据个数与平均次数的比值，向上取整，k＝ceil(m/n1)；其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐，空间域数据大小为R_i的n₁分之一；

卷积模块，用于对第一次空间域平均的数据进行卷积处理Ci＝conv(Si， h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量；

第二空间域平均模块，用于对卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为n₂，方法同S4步骤，得到F_i＝[F_i1，F_i2…F_ie]，其中 j＝1,2…e，最后数据不够的用零补齐；其中e为k个数与平均次数n₂的比值，向上取整，e＝ceil(k/n₂)，数据量又减少n₂分之一。

事件位置信息定位模块，用于通过时域差分获取事件位置信息，△ F＝[F₂-F₁，F₃-F₂,F₄-F₃…F_i-F_i-1]，画出△F曲线，横坐标是采集卡点数或者转换成光纤距离，纵坐标是散射曲线差分值，曲线上大的突变点为事件位置。

如图3所示，为相干接收光纤振动传感系统示意图，该相干接收光纤振动传感系统包括依次连接的激光器、第一耦合器、声光调制器、EDFA掺饵光纤放大器和环形器，环形器还连接传感光纤；该系统还包括依次连接的第二耦合器、探测器、采集卡和信号处理模块，其中第二耦合器的一个输入端与环形器连接，另一个输入端与第一耦合器的一个输出端连接；所述信号处理模块具体执行权利要求1中的基于分布式振动传感器振动信息定位方法。激光器选用窄线宽激光器，输出功率为13mw,波长为1550.12nm的窄线宽激光、选用声光调制器为古奇(Gooch&Housego，平移量为80MHz)光纤耦合声光调制器、放大器选用EDFA掺饵光纤放大器、探测器选用BPD平衡探测器、测试用的光纤为单模光纤，长度为40Km。采用的脉冲光的重复频率为1kHz，脉冲宽度为100ns，以250M/s的采样率共采集了100条瑞利散射曲线。

采用相干解调可以增加灵敏度，抗噪音干扰，增加工作距离。那么必须采用移频器件，最常用的是声光调制器，平移量几十MHz到几百MHz。根据采样定律来说采集卡速率为平移量的3到5倍。

本系统最高响应频率为脉冲光的重复频率除以2。100ns脉宽相当于10 米空间分辨率，250M/s采集卡，每个点相当于0.4米空间分辨率，综合考虑这套系统，空间分辨率为10米。

具体算法如下：

S1、获取相干接收后采集的原始电信号T_i(i＝1,2…100，表示第几个脉冲的瑞利散射曲线)。Ti＝[t_i1,t_i2…t_im]，m表示采集卡采集数据的个数，为100000，物理含义是第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离的改变瑞利散射值的大小；

S2、获取每个脉冲的散射信号做空间的衰减补偿r_i＝T_i*exp(2L*a),L为散射点的光纤长度，a为衰减常数；

S3、空间补偿后的散射信号做空间域的平方处理 R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…Ri100000]；

S4、每个散射曲线做空间域的5次平均，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为20000。其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐，空间域数据大小为原理五分之一；

S5、第一次空间域平均的数据进行卷积处理Ci＝conv(S_i，h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量，为了平滑曲线；

S6、卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为5，方法同S4步骤得到F_i＝[F_i1,F_i2…F_ie]，其中e为4000，数据量又减少五分之一。

S7、通过时域差分获取事件位置信息，△F＝[F₂-F₁,F₃-F₂,F₄-F₃…F₁₀₀-F₉₉]。

从以上步骤可以看出：1)时间域上到最后一步做了差分，其他没有任何处理，那么响应频率不变。如果采用平均或者滑动平均，响应频率都会下降。

2)处理数据只有加法和减法，同时在空间域处理，数据减少了25分之一，计算量也大大减少。

3)脉宽决定的空间分辨率为10米，处理前采集卡空间分辨率为0.4米，两者取低值，那么系统空间分辨率为10米。处理后，脉宽决定的空间分辨率为不变，采集卡的数据处理后25个点合并了，对应空间分辨率为0.4米*25＝10 米，那么系统空间分辨率为10米。对比发现空间分辨率不变。

4)时间域平均可以降低噪音，空间域处理，同样可以降低噪音。所以也能很好的找到事件位置。

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 (7)

1.一种基于分布式振动传感器振动信息定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取基于相干接收的光纤振动传感系统的原始电信号T_i，T_i表示第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离改变的瑞利散射值的大小；

S2、计算原始电信号T_i的空间衰减补偿r_i＝T_i·exp(2L·a)，L为瑞利散射点的光纤长度，a为衰减常数；

S3、对空间衰减补偿后的瑞利散射信号做空间域的平方处理R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…R_im]；

S4、对经空间域的平方处理后的每个瑞利散射信号的曲线做第一次空间域平均，平均次数为n₁，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为数据个数与平均次数的比值，向上取整，k＝ceil(m/n₁)；其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐；

S5、对第一次空间域平均的数据进行卷积处理C_i＝conv(S_i，h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量；

S6、对卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为n₂，方法同S4步骤，得到F_i＝[F_i1,F_i2…F_ie]，其中e为k个数与平均次数n₂的比值，向上取整，e＝ceil(k/n₂)，其中j＝1,2…e，最后数据不够的用零补齐；

S7、通过时域差分获取事件位置信息，△F＝[F₂-F₁,F₃-F₂,F₄-F₃…F_i-F_i-1]，根据△F画出曲线，横坐标是采集卡点数或者转换成光纤距离，纵坐标是散射曲线差分值，曲线上大的突变点为事件位置。

2.一种基于分布式振动传感器振动信息定位系统，其特征在于，包括：

信号获取模块，用于获取基于相干接收的光纤振动传感系统的原始电信号T_i，T_i表示第i个光脉冲条件下，沿着光纤距离改变的瑞利散射值的大小；

空间衰减补偿计算模块，用于计算原始电信号Ti的空间衰减补偿ri＝Ti·exp(2L·a),L为散射点的光纤长度，a为衰减常数；

空间域处理模块，用于对空间衰减补偿后的散射信号做空间域的平方处理R_i＝r_i ²＝[R_i1,R_i2…R_im]；

第一空间域平均模块，用于对经空间域的平方处理后的每个瑞利散射信号的曲线做第一次空间域平均，平均次数为n₁，S_i＝[S_i1,S_i2…S_ik]，k为数据个数与平均次数的比值，向上取整，k＝ceil(m/n₁)；其中j＝1,2…k，最后数据不够的用零补齐；

卷积模块，用于对第一次空间域平均的数据进行卷积处理C_i＝conv(S_i，h)，卷积后空间域数据大小不变，h为卷积常量；

第二空间域平均模块，用于对卷积后的曲线再做第二次空间域平均，平均次数为n₂，得到Fi＝[F_i1,F_i2…F_ie]，其中e为k个数与平均次数n₂的比值，向上取整，e＝ceil(k/n₂)，其中j＝1,2…e，最后数据不够的用零补齐；

事件位置信息定位模块，用于通过时域差分获取事件位置信息，△F＝[F₂-F₁,F₃-F₂,F₄-F₃…F_i-F_i-1]，画出△F曲线，横坐标是采集卡点数或者转换成光纤距离，纵坐标是散射曲线差分值，曲线上大的突变点为事件位置。

3.一种相干接收光纤振动传感系统，其特征在于，包括依次连接的激光器、第一耦合器、声光调制器、EDFA掺饵光纤放大器和环形器，环形器还连接传感光纤；该系统还包括依次连接的第二耦合器、探测器、采集卡和信号处理模块，其中第二耦合器的一个输入端与环形器连接，另一个输入端与第一耦合器的一个输出端连接；所述信号处理模块具体执行权利要求1中的基于分布式振动传感器振动信息定位方法。

4.根据权利要求3所述的相干接收光纤振动传感系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。

5.根据权利要求3所述的相干接收光纤振动传感系统，其特征在于，所述探测器为BPD平衡探测器。

6.根据权利要求3所述的相干接收光纤振动传感系统，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤。

7.根据权利要求3所述的相干接收光纤振动传感系统，其特征在于，所述传感光纤长度为40Km。