CN110440901B - 一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法及装置 - Google Patents

一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法，包括以下步骤：采集并积累光电探测器输出的脉冲数据，计算每个脉冲数据的振幅数据，对振幅数据依次进行时间差分处理和叠加处理，并依据叠加处理后的叠加振幅进行入侵定位判断。本发明还提供一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位装置，用于执行前述定位方法。本发明通过对接收的脉冲数据做差分处理，以及对差分处理后的脉冲数据做数据累加，以此抑制大风带来的光缆扰动引发的振动信号，并增大入侵振动信号的幅值强度，提高大风、汽车通过等条件下入侵行为的判别正确率，在工程应用中具备高可用性。

Description

一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法及装置
技术领域
本发明涉及分布式光纤振动传感领域，具体的说，涉及了一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法及装置。
背景技术
分布式光纤振动传感系统由前端布设的长距离分布式探测光纤、光纤解调主机、上位机软件组成。该系统利用激光源和声光调制器向探测光纤中不断注入脉冲光，并接收传感光纤中在探测到振动或声波信号后输出含有振动或声波信号的后向瑞利散射光，通过光电探测器和采集卡将信号传输至上位机进行数据处理，最终解调出振动信息。分布式光纤振动传感系统对光纤所到之处进行全天时全天候的长距离连续振动监测并预警，是当前智能可靠的技术防范手段，具备高可靠性、高灵敏度、低功耗等特点，被广泛应用在国境边防、高铁沿线、营区监狱、文博古迹、高速林区、核电站、石油天然气管道等领域的入侵检测。
此时，光纤多沿着被测对象按照一维方向铺设，如铺设在沿线围墙、水泥预制墙、铁栅栏、铁丝网上，一旦有入侵行为发生，光纤就会检测到振动，发生预警。但在实际应用中，由于光纤灵敏度很高，当有大风吹动、汽车通过等情况发生时，铺设好的光纤会随风发生轻微晃动，此时如有入侵行为发生，入侵带来的振动信号与光缆随风扰动带来的振动信号很难区分，在实际应用中会给定位入侵位置带来很多不便。
目前，解决这一问题主要采用加大硬件设备光功率、铺设光缆时频繁使用钢箍固定光缆、增加图像模式识别判断扰动类型等方法来解决大风、汽车通过带来的光缆随风扰动问题，需要耗费大量人力、物力或财力。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法，无需改变硬件设备和光缆，即可在现有解调方法上，解决光缆随风扰动带来的干扰问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法，包括以下步骤：
采集光电探测器输出的多个脉冲数据串，所述脉冲数据串为单个发射脉冲下采集的若干个回向数据的集合；
按照时间顺序对采集的多个脉冲数据串进行排序，获得回向数据矩阵；
计算每个回向数据的振幅数据，获得脉冲振幅矩阵；
按照预设脉冲差分行数对脉冲振幅矩阵进行行差分处理，获得脉冲差分振幅矩阵；
按照预设脉冲叠加行数对脉冲差分振幅矩阵进行行叠加处理，获得脉冲叠加振幅矩阵；
判断脉冲叠加振幅矩阵每一列的最大叠加振幅是否超过入侵阈值，若超过则判断该列对应的位置为入侵位置，否则无入侵。
基于上述，对回向数据做正交解调处理，得到I、Q两路数据，按照振幅公式计算获得振幅数据。
基于上述，预设脉冲差分行数与脉冲重复频率和扰动频率有关：
Figure 262570DEST_PATH_IMAGE002
其中，P表示预设脉冲差分行数，fPRF表示脉冲重复频率，f1表示扰动频率。
基于上述，预设叠加行数与脉冲重复频率和扰动时间有关：
Figure 117393DEST_PATH_IMAGE004
其中，Q表示预设叠加行数，fPRF表示脉冲重复频率，t表示扰动时间。
本发明还提供一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位装置，该定位装置包括：
采集模块，用于采集光电探测器输出的多个脉冲数据串，所述脉冲数据串为单个发射脉冲下采集的若干个回向数据的集合；
排序模块，用于按照时间顺序对采集的多个脉冲数据串进行排序，获得回向数据矩阵；
脉冲振幅矩阵获取模块，用于计算每个回向数据的振幅数据，获得脉冲振幅矩阵；
脉冲差分振幅矩阵获取模块，用于按照预设脉冲差分行数对脉冲振幅矩阵进行行差分处理，获得脉冲差分振幅矩阵；
脉冲叠加振幅矩阵模块，用于按照预设脉冲叠加行数对脉冲差分振幅矩阵进行行叠加处理，获得脉冲叠加振幅矩阵；
叠加振幅取大模块，用于从脉冲叠加振幅矩阵每一列中选取最大叠加振幅；
入侵定位模块，用于判断脉冲叠加振幅矩阵每一列的最大叠加振幅是否超过入侵阈值，并在最大叠加振幅是否超过入侵阈值时判断该列对应的位置为入侵位置。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述分布式光纤振动传感定位方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述分布式光纤振动传感定位方法的步骤。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明通过收集多个脉冲的后向瑞利散射信号并进行时间差分处理，将处理所得多个时间差分脉冲数据进行累加，累加后可以降低光缆随风扰动带来的振动信号幅值强度，并增强入侵振动信号的幅值强度，在不增大硬件设备光功率的前提下通过累加算法增大有效入侵信号的信噪比，以此在光缆随风扰动的环境下有效地识别出入侵行为，提高系统对于大风、汽车通过等条件下入侵行为的判别正确率，节约了人力、物力或财力，在工程应用中具备高可用性。
附图说明
图1是本发明所述定位方法的流程示意图。
图2是未使用本发明所述方法处理的入侵信号示意图。
图3是使用本发明所述方法处理后的入侵信号示意图。
图4是本发明所述定位装置的原理框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
分布式光纤振动监测系统主要有基于强度解调和相位解调两种监测系统，两种系统在做振动位置定位时都可以用本发明所述的定位方法，本实施例以相位解调系统（φ-OTDR）为例详细介绍本发明所述的定位方法。
如图1所示，一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法，包括以下步骤：
S1，采集光电探测器输出的多个脉冲数据串，所述脉冲数据串为单个发射脉冲下采集的若干个回向数据的集合。
所述回向数据的个数与光在光纤上的传播距离相对应，每个回向数据对应光纤中的一个位置点，表示从该点返回的脉冲响应信号。
具体的，在φ-OTDR系统中，数据采集卡采集到的干涉光信号为：
Figure 162710DEST_PATH_IMAGE006
(1)
式中
Figure 495602DEST_PATH_IMAGE008
(2)
其中，ER是干涉光的振幅，ELO是本地光的振幅，Δω是声光调制器引入的频偏移，
Figure 385673DEST_PATH_IMAGE010
是本地光的初始相位，
Figure 490026DEST_PATH_IMAGE012
是干涉光的相位。
，按照时间顺序对采集的多个脉冲数据串进行排序，获得回向数据矩阵。
对上述干涉光信号按照脉冲时间顺序排列组合得到M*N二维矩阵，其中，M为采集到的脉冲数据串个数，N为单个脉冲数据串中回向数据的个数，每个矩阵元素为一个回向数据，矩阵的每一行对应一个采集脉冲，矩阵的每一列对应光纤中的一个位置点。
，计算每个回向数据的振幅数据，获得脉冲振幅矩阵。
具体的，对上述干涉光信号组成的M*N二维矩阵按行做正交解调，输出I、Q两路结果：
Figure 570109DEST_PATH_IMAGE014
(3)
Figure 34588DEST_PATH_IMAGE016
(4)
按照幅度计算公式
Figure 253867DEST_PATH_IMAGE018
(5)
计算得到一个新的M*N的二维矩阵，其中，M为采集到的脉冲数据串个数，N为单个脉冲数据串中回向数据的个数，每个矩阵元素均表示采集脉冲沿着光纤传播的振幅强度。
，按照预设脉冲差分行数对脉冲振幅矩阵进行行差分处理，获得脉冲差分振幅矩阵。
将M*N二维矩阵按行以预设脉冲差分行数P为间隔做差分，即将第1个脉冲数据串的振幅数据与第1+P个脉冲数据串的振幅数据进行差分计算，将第2个脉冲数据串的振幅数据与第2+P个脉冲数据串的振幅数据进行差分计算，依次类推，通过移动时间窗口，可得到M-P个差分结果，即M*N二维矩阵按行做时间差分后变为(M-P)*N二维矩阵。
具体的，预设脉冲差分行数P与脉冲重复频率和扰动频率有关，可事先进行计算，也可根据实际情况随时调整；
Figure 184914DEST_PATH_IMAGE002
其中，fPRF表示脉冲重复频率，f1表示扰动频率。
不同时刻光脉冲产生的瑞利光差异，反映了在不同时间光纤沿路状态的差异，当光缆中某一位置发生扰动时，会引发光在此位置的折射率变化，导致光脉冲在该位置处产生的后向瑞利光的幅度随之发生变化。
由振幅计算公式（5）可见，解调出的振幅与干涉光的振幅具有线性关系，对振幅数据做时间差分，即可确定扰动所在空间位置。
，按照预设叠加行数对脉冲差分振幅矩阵进行行叠加处理，获得脉冲叠加振幅矩阵。
在(M-P)*N二维矩阵中，将第1行的行向量到第Q行的行向量的对应列累加得到一个行向量，第Q+1行的行向量到第2*Q行的行向量的对应列累加得到第二个行向量，依次类推，通过移动时间窗口得到(M-P)/Q个累加后的行向量，此时(M-P)*N的二维矩阵经过相邻Q个行累加处理后，变为((M-P)/Q）*N的二维矩阵。
预设脉冲叠加行数Q与脉冲重复频率和扰动时间有关：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，fPRF表示脉冲重复频率，t表示扰动时间。
大风、汽车通过等带来的光缆扰动的特征是光缆随风做360度晃动，体现在脉冲差分振幅矩阵中，就是每个位置处即脉冲差分振幅矩阵的每一列向量处，相邻脉冲的差分振幅数据的数值相近，正负相反。此时经过累加处理，正负相抵，即可大大减小光缆随风扰动带来的振动信号。
而当大风扰动有入侵行为发生时，入侵行为带来的扰动特征与随风扰动的特征相比，光缆更倾向于单方向晃动且幅值较大，此时进行相邻差分振幅数据累加时，会进一步加强入侵位置处的信号强度。
判断脉冲叠加振幅矩阵每一列的最大叠加振幅是否超过振动阈值，若超过则判断该列对应的位置为入侵位置，否则无入侵。
将((M-P)/Q）*N的二维矩阵按列取最大值，此时二维矩阵变为长度为N的一维矩阵，该一维矩阵包含每个位置处的振动信息。矩阵中数值越大，表示此刻该位置处振动信号越强，超过阈值即可判断为入侵位置。
由图2和图3可以发现，经过累加处理后，大风带来的振动信号大大降低，入侵位置振动信号显著增强，此时根据信号强度，能够更准确地定位振动位置。
本方法通过收集多个脉冲的后向瑞利散射信号并进行时间差分处理，将处理所得多个时间差分脉冲数据进行累加，累加后可以降低光缆随风扰动带来的振动信号幅值强度，并增强入侵振动信号的幅值强度，在不增大硬件设备光功率的前提下通过累加算法增大有效入侵信号的信噪比，以此在光缆随风扰动的环境下有效地识别出入侵行为，提高系统对于大风、汽车通过等条件下入侵行为的判别正确率，节约了人力、物力或财力，在工程应用中具备高可用性。
本发明还提供一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位装置，如图4所示，该定位装置包括：
采集模块，用于采集光电探测器输出的多个脉冲数据串，所述脉冲数据串为单个发射脉冲下采集的若干个回向数据的集合；
排序模块，用于按照时间顺序对采集的多个脉冲数据串进行排序，获得回向数据矩阵；
脉冲振幅矩阵获取模块，用于计算每个回向数据的振幅数据，获得脉冲振幅矩阵；
脉冲差分振幅矩阵获取模块，用于按照预设脉冲差分行数对脉冲振幅矩阵进行行差分处理，获得脉冲差分振幅矩阵；
脉冲叠加振幅矩阵模块，用于按照预设脉冲叠加行数对脉冲差分振幅矩阵进行行叠加处理，获得脉冲叠加振幅矩阵；
叠加振幅取大模块，用于从脉冲叠加振幅矩阵每一列中选取最大叠加振幅；
入侵定位模块，用于判断脉冲叠加振幅矩阵每一列的最大叠加振幅是否超过入侵阈值，并在最大叠加振幅是否超过入侵阈值时判断该列对应的位置为入侵位置。
本装置通过收集多个脉冲的后向瑞利散射信号并进行时间差分处理，将处理所得多个时间差分脉冲数据进行累加，累加后可以降低光缆随风扰动带来的振动信号幅值强度，并增强入侵振动信号的幅值强度，在不增大硬件设备光功率的前提下通过累加算法增大有效入侵信号的信噪比，以此在光缆随风扰动的环境下有效地识别出入侵行为，提高系统对于大风、汽车通过等条件下入侵行为的判别正确率，节约了人力、物力或财力，在工程应用中具备高可用性。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述分布式光纤振动传感定位方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述分布式光纤振动传感定位方法的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集光电探测器输出的多个脉冲数据串，所述脉冲数据串为单个发射脉冲下采集的若干个回向数据的集合；
按照时间顺序对采集的多个脉冲数据串进行排序，获得回向数据矩阵，所述回向数据矩阵为M*N二维矩阵，其中，M为采集到的脉冲数据串个数，N为单个脉冲数据串中回向数据的个数，每个矩阵元素为一个回向数据，矩阵的每一行对应一个脉冲数据串，矩阵的每一列对应光纤中的一个位置点；
计算每个回向数据的振幅数据，获得脉冲振幅矩阵；
按照预设脉冲差分行数对脉冲振幅矩阵进行行差分处理，获得脉冲差分振幅矩阵；
预设脉冲差分行数与脉冲重复频率和扰动频率有关：
Figure FDA0003109999260000011
其中，P表示预设脉冲差分行数，fPRF表示脉冲重复频率，f1表示扰动频率；
将脉冲差分振幅矩阵以预设脉冲差分行数P为间隔做差分的具体步骤为：将第1个脉冲数据串的振幅数据与第1+P个脉冲数据串的振幅数据进行差分计算，将第2个脉冲数据串的振幅数据与第2+P个脉冲数据串的振幅数据进行差分计算，依次类推，通过移动时间窗口，可得到(M-P)*N二维矩阵，该(M-P)*N二维矩阵即为脉冲差分振幅矩阵；
按照预设脉冲叠加行数对脉冲差分振幅矩阵进行行叠加处理，获得脉冲叠加振幅矩阵；
预设脉冲叠加行数与脉冲重复频率和扰动时间有关：
Q＝t*fPRF
其中，Q表示预设叠加行数，fPRF表示脉冲重复频率，t表示扰动时间；
判断脉冲叠加振幅矩阵每一列的最大叠加振幅是否超过入侵阈值，若超过则判断该列对应的位置为入侵位置，否则无入侵。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于：对回向数据做正交解调处理，得到I、Q两路数据，按照振幅公式计算获得振幅数据。
3.一种基于脉冲累加的分布式光纤振动传感定位装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集光电探测器输出的多个脉冲数据串，所述脉冲数据串为单个发射脉冲下采集的若干个回向数据的集合；
排序模块，用于按照时间顺序对采集的多个脉冲数据串进行排序，获得回向数据矩阵，所述回向数据矩阵为M*N二维矩阵，其中，M为采集到的脉冲数据串个数，N为单个脉冲数据串中回向数据的个数，每个矩阵元素为一个回向数据，矩阵的每一行对应一个脉冲数据串，矩阵的每一列对应光纤中的一个位置点；
脉冲振幅矩阵获取模块，用于计算每个回向数据的振幅数据，获得脉冲振幅矩阵；
脉冲差分振幅矩阵获取模块，用于按照预设脉冲差分行数对脉冲振幅矩阵进行行差分处理，获得脉冲差分振幅矩阵；预设脉冲差分行数与脉冲重复频率和扰动频率有关：
Figure FDA0003109999260000021
其中，P表示预设脉冲差分行数，fPRF表示脉冲重复频率，f1表示扰动频率；
将脉冲差分振幅矩阵以预设脉冲差分行数P为间隔做差分的具体步骤为：将第1个脉冲数据串的振幅数据与第1+P个脉冲数据串的振幅数据进行差分计算，将第2个脉冲数据串的振幅数据与第2+P个脉冲数据串的振幅数据进行差分计算，依次类推，通过移动时间窗口，可得到(M-P)*N二维矩阵，该(M-P)*N二维矩阵即为脉冲差分振幅矩阵；
脉冲叠加振幅矩阵模块，用于按照预设脉冲叠加行数对脉冲差分振幅矩阵进行行叠加处理，获得脉冲叠加振幅矩阵；预设脉冲叠加行数与脉冲重复频率和扰动时间有关：
Q＝t*fPRF
其中，Q表示预设叠加行数，fPRF表示脉冲重复频率，t表示扰动时间；
叠加振幅取大模块，用于从脉冲叠加振幅矩阵每一列中选取最大叠加振幅；
入侵定位模块，用于判断脉冲叠加振幅矩阵每一列的最大叠加振幅是否超过入侵阈值，并在最大叠加振幅是否超过入侵阈值时判断该列对应的位置为入侵位置。
4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-2任意一项所述分布式光纤振动传感定位方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-2任意一项所述分布式光纤振动传感定位方法的步骤。
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