CN110779614B - 基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，包括以下步骤：获取分布式光纤传感海缆的传感信号；滤除低频部分；形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图；通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域；通过标记以及连通域的方式对拖锚事件和落锚事件进行识别和定位。

Description

基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法及系统。

背景技术

海底电缆输电工程是跨海域联网工程建设的重要组成部分。随着海底电缆线路数量不断增加，海底电缆在近海区域由于船锚钩挂造成的故障越来越严重。锚害占海缆机械故障的80％以上,不同程度的锚害会导致海缆发生漏电、接地、短路和断缆事故。海底电缆损坏的修复时间很长，维修费用极其昂贵，维修一次需要几百万甚至上千万，而且海底电缆故障会造成该地区电力或通信中断，给该地区居民生活生产带来极大影响，所以对海底电缆锚害的监测预警非常必要。

基于分布式光纤传感技术，直接利用海缆内复合的单模光纤作为传感器件，为海缆状态监测提供了新的手段。

基于分布式光纤振动传感，对锚砸和拖曳振动信号进行了分析比较，但未提出具体的判断方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法对海缆锚害进行准确预测的缺陷，提供一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法及系统，可及时、有效地对拖锚和落锚事件进行识别和定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，包括以下步骤：

获取分布式光纤传感海缆的传感信号；

对传感信号做高通滤波，滤除低频部分，抑制因海水流动对信号的干扰；

对滤波后的信号，每间隔一段时间，计算前T秒内的短时过零率、频域能量，形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图；

通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域；

在短时过零率瀑布图中查找并标记超过预设第一阈值的第一监测单元，同时在频域能量瀑布图中查找并标记超过预设第二阈值的第二监测单元；

在频域能量瀑布图中将位置邻近第二监测单元划分为同一区域，并在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

对短时过零率瀑布图中对应区域中的第一监测单元进行连通域标记；

对于每个连通域，找到其最底部的点；

从底部点向上，统计每一行被连通域覆盖的线段数量；

若每一行被连通域覆盖的线段数量≤1，则输出拖锚事件，拖锚事件中心定位为此连通域最顶部的点；

若每一行被连通域覆盖的线段数量为≥2，则输出落锚事件，落锚事件中心定位为此连通域最底部的点。

接上述技术方案，短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图的横轴为距离，纵轴为时间，时间更新方向为自上而下。

接上述技术方案，将超过预设第一阈值的第一监测单元标记为1，否则为0；将超过预设第二阈值的第二监测单元标记为1，否则为0。

接上述技术方案，将海缆平均分为多个探测单元，短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图的横轴上的点与探测单元对应。

接上述技术方案，连通区域标记的具体步骤为：

a)逐行扫描图像，把每一行中连续的第一监测单元组成的一个序列称为一个团，并记下团的起点、终点以及团所在的行号；

b)对于除了第一行外的所有行里的团，如果其与前一行中的所有团都没有重合区域，则给它一个新的标号；如果它仅与上一行中一个团有重合区域，则将上一行的那个团的标号赋给它；如果它与上一行的2个以上的团有重叠区域，则给当前团赋一个相连团的最小标号，并将上一行的这几个团的标记写入等价对，说明它们属于一类。

c)将等价对转换为等价序列，每一个序列给一个相同的标号；

d)开始遍历团的标记，查找等价序列，从1开始，给每个等价序列一个标号；

e)将每个团的标号填入标记图像中，该标记图像为短时过零率瀑布图。

本发明还提供了一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位系统，包括：

传感信号获取模块，用于获取分布式光纤传感海缆的传感信号；

滤波模块，用于对传感信号做高通滤波，滤除低频部分，抑制因海水流动对信号的干扰；

瀑布图生成模块，用于对滤波后的信号，每间隔一段时间，计算前T秒内的短时过零率、频域能量，形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图；

区域划分模块，用于通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域；

监测单元标记模块，用于在短时过零率瀑布图中查找并标记超过预设第一阈值的第一监测单元，同时在频域能量瀑布图中查找并标记超过预设第二阈值的第二监测单元；在频域能量瀑布图中将位置邻近第二监测单元划分为同一区域，并在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

连通域标记模块，用于对短时过零率瀑布图中对应区域中的第一监测单元进行连通域标记；

定位模块，用于对于每个连通域，找到其最底部的点；从底部点向上，统计每一行被连通域覆盖的线段数量；若每一行被连通域覆盖的线段数量≤1，则输出拖锚事件，拖锚事件中心定位为此连通域最顶部的点；若每一行被连通域覆盖的线段数量为≥2，则输出落锚事件，落锚事件中心定位为此连通域最底部的点。

接上述技术方案，短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图的横轴为距离，纵轴为时间，时间更新方向为自上而下。

接上述技术方案，监测单元标记模块具体将超过预设第一阈值的第一监测单元标记为1，否则为0；将超过预设第二阈值的第二监测单元标记为1，否则为0。

接上述技术方案，连通域标记模块中连通区域标记的具体步骤为：

a)逐行扫描图像，把每一行中连续的第一监测单元组成的一个序列称为一个团，并记下团的起点、终点以及团所在的行号；

b)对于除了第一行外的所有行里的团，如果其与前一行中的所有团都没有重合区域，则给它一个新的标号；如果它仅与上一行中一个团有重合区域，则将上一行的那个团的标号赋给它；如果它与上一行的2个以上的团有重叠区域，则给当前团赋一个相连团的最小标号，并将上一行的这几个团的标记写入等价对，说明它们属于一类。

c)将等价对转换为等价序列，每一个序列给一个相同的标号；

d)开始遍历团的标记，查找等价序列，从1开始，给每个等价序列一个标号；

e)将每个团的标号填入标记图像中，该标记图像为短时过零率瀑布图。

本发明还提供了一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1-5中任一项所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法。

本发明产生的有益效果是：本发明从频域、时域等多个维度进行分析判断，综合考虑锚害事件发生的有效判据，并能够描述锚害振动信号的传播特性，在对落锚、拖锚事件进行准确识别定位的同时，滤除水流干扰引起的误报，节省人力物力资源。

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光纤传感的海缆锚害监测定位方法的流程图；

图2a是落锚事件频域能量瀑布图；

图2b是落锚事件过零率瀑布图；

图3a是拖锚事件频域能量瀑布图；

图3b是拖锚事件过零率瀑布图。

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。

本发明利用分布式光纤传感系统，采集常态下的海水流动信号，并模拟拖锚、落锚、以及船锚钩挂海缆事件，采集对应的信号数据。各类信号分析如下：

水流引起的振动信号主要成分集中在低频。因此，对信号做高通滤波后，可以对水流的干扰有一定的抑制作用。

落锚事件发生时，船锚撞击海床瞬间产生振动，锚和海床撞击产生的机械波传递给海缆,并沿缆体向海缆两端传播。落锚振动信号具有冲击特性，持续时间相对较短，具有从振源向两边扩散的特性，并且在频谱上表现为全频带响应。

拖锚事件发生时，船锚和海床摩擦产生振动，振动持续时间相对较长，振动中心的移动具有方向性，并且在频谱上也表现为全频带响应。

本发明实施例的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、通过传感系统获取分布式光纤传感海缆的传感信号；

S2、对获取的传感信号做高通滤波，滤除低频部分，用以抑制一部分海水流动信号的干扰；

S3、对滤波后的信号，每间隔t秒，计算前T秒内的短时过零率、频域能量；形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图。瀑布图横轴为距离，纵轴为时间，时间更新方向为自上而下，即上方展示信号的时间较新；

S4、通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域。频域能量瀑布图用于判断落锚事件或拖锚事件是否发生，以及用于计算振动信号持续的时间，通过短时过零率瀑布图提取一段区域在一段时间内信号的形态学特征，用以进一步识别落锚事件和拖锚事件。

由于信号的高频成分在介质中传递时衰减较快，因此，频域能量瀑布图虽然在判断是否发生落锚或拖锚事件时较为可靠，但不能很好地描述振动信号的传播特性。由于水流等其他振动干扰源并不能完全由高通滤波滤除，因此，短时过零率瀑布图虽然能较为灵敏地展示所探测到的外界振动及其传播特性，但不能很好地区别锚害振动和其他干扰振动。因此，采用频域能量和短时过零率这两种特征瀑布图互相配合的判断方式，先利用频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域，再对短时过零率瀑布图中对应的区域进行形态学分析，以进一步确认和识别落锚和拖锚事件。

S5、在短时过零率瀑布图中查找并标记超过对应阈值的监测单元(如超过阈值标记为1，否则为0)，同时，在频域能量瀑布图中查找并标记超过对应阈值的监测单元(如超过阈值标记为1，否则为0)；

S6、在频域能量瀑布图中，将位置邻近的1标记，划分为同一区域，在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

S7、对短时过零率瀑布图对应区域中的1标记，进行连通域划分；

S8、对于每个连通域，找到其最底部的点；从底部点向上，统计每一行，被连通域覆盖的线段数量；

S9、判断每一行被连通域覆盖的线段数量是否≤1？若是，则输出拖锚事件，事件中心定位为此连通域最顶部的点；

S10、判断每一行被连通域覆盖的线段数量是否≥2？若是，则输出落锚事件，事件中心定位为此连通域最底部的点。

本发明的一个具体实施例中，落锚和拖锚事件识别和定位方法包括以下步骤：

1)对信号做高通滤波，滤除20Hz以下的部分，用以抑制一部分海水流动信号的干扰；

2)滤波后的信号，每间隔0.1s，计算前1s内的短时过零率、频域能量；

3)形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图，瀑布图横轴为距离，纵轴为时间，时间更新方向为自上而下，即上方展示信号的时间较新；

光纤链路探测距离为50km，每个探测单元为10m，即探测单元数量为5000个，则瀑布图的横轴为1-5000(计算方式：50km/10m)；设置数据存储时长为3min，则瀑布图的纵轴为1-1800(计算方式：3min/0.1s)。

4)在短时过零率瀑布图中查找并标记超过对应阈值1000的监测单元(超过阈值标记为1，否则为0)，同时，在频域能量瀑布图中查找并标记超过对应阈值3600的监测单元(超过阈值标记为1，否则为0)；

5)在频域能量瀑布图中，将位置邻近的1标记，划分为同一区域，在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

6)对短时过零率瀑布图对应区域中的1标记，进行连通域划分；

7)对于每个连通域，找到其最底部的点；

8)从底部点向上，统计每一行，被连通域覆盖的线段数量；

9)若每一行被连通域覆盖的线段数量为≤1，则输出拖锚事件，事件中心定位为此连通域最顶部的点；若每一行被连通域覆盖的线段数量为≥2，则输出落锚事件，事件中心定位为此连通域最底部的点。

其中，连通域计算方式和连通区域标记步骤具体为：

a)逐行扫描图像，把每一行中连续的1标记组成的一个序列称为一个团(run)，并记下它的起点start、它的终点end以及它所在的行号。

b)对于除了第一行外的所有行里的团，如果它与前一行中的所有团都没有重合区域，则给它一个新的标号；如果它仅与上一行中一个团有重合区域，则将上一行的那个团的标号赋给它；如果它与上一行的2个以上的团有重叠区域，则给当前团赋一个相连团的最小标号，并将上一行的这几个团的标记写入等价对，说明它们属于一类。

c)将等价对转换为等价序列，每一个序列需要给一个相同的标号，因为它们都是等价的。从1开始，给每个等价序列一个标号。

d)开始遍历团的标记，查找等价序列，给予它们新的标记。

e)将每个团的标号填入标记图像(即短时过零率瀑布图)中，结束。

如图2所示，为落锚事件的典型信号，其中图2a是落锚事件频域能量瀑布图，图2b是落锚事件过零率瀑布图。

如图3所示，为拖锚事件的典型信号，其中图3a是拖锚事件频域能量瀑布图，图3b是拖锚事件过零率瀑布图。

图中，横轴代表空间距离，纵轴为时间轴，方向自上而下，即：上方的信号为较新时刻的信号。因此对于拖锚事件，连通域最顶部的点代表了此时拖锚事件的最新位置；而对于落锚事件，连通域最底部的点代表了落锚事件的最初位置。

为了实现上述技术方案中的定位方法，本发明还提供了基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位系统，包括：

传感信号获取模块，用于获取分布式光纤传感海缆的传感信号；

滤波模块，用于对传感信号做高通滤波，滤除低频部分，抑制因海水流动对信号的干扰；

瀑布图生成模块，用于对滤波后的信号，每间隔一段时间，计算前T秒内的短时过零率、频域能量，形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图；

区域划分模块，用于通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域；

监测单元标记模块，用于在短时过零率瀑布图中查找并标记超过预设第一阈值的第一监测单元，同时在频域能量瀑布图中查找并标记超过预设第二阈值的第二监测单元；在频域能量瀑布图中将位置邻近第二监测单元划分为同一区域，并在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

连通域标记模块，用于对短时过零率瀑布图中对应区域中的第一监测单元进行连通域标记；

定位模块，用于对于每个连通域，找到其最底部的点；从底部点向上，统计每一行被连通域覆盖的线段数量；若每一行被连通域覆盖的线段数量≤1，则输出拖锚事件，拖锚事件中心定位为此连通域最顶部的点；若每一行被连通域覆盖的线段数量为≥2，则输出落锚事件，落锚事件中心定位为此连通域最底部的点。

系统模块所实现的功能与上述方法对应，在此不一一赘述。

本发明还提供了一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述实施例的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法。

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 (10)

1.一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取分布式光纤传感海缆的传感信号；

对传感信号做高通滤波，滤除低频部分，抑制因海水流动对信号的干扰；

对滤波后的信号，每间隔一段时间，计算前T秒内的短时过零率、频域能量，形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图；

通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域；

在短时过零率瀑布图中查找并标记超过预设第一阈值的第一监测单元，同时在频域能量瀑布图中查找并标记超过预设第二阈值的第二监测单元；

在频域能量瀑布图中将位置邻近第二监测单元划分为同一区域，并在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

对短时过零率瀑布图中对应区域中的第一监测单元进行连通域标记；

对于每个连通域，找到其最底部的点；

从底部点向上，统计每一行被连通域覆盖的线段数量；

若每一行被连通域覆盖的线段数量≤1，则输出拖锚事件，拖锚事件中心定位为此连通域最顶部的点；

若每一行被连通域覆盖的线段数量为≥2，则输出落锚事件，落锚事件中心定位为此连通域最底部的点。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，其特征在于，短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图的横轴为距离，纵轴为时间，时间更新方向为自上而下。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，其特征在于，将超过预设第一阈值的第一监测单元标记为1，否则为0；将超过预设第二阈值的第二监测单元标记为1，否则为0。

4.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，其特征在于，将海缆平均分为多个探测单元，短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图的横轴上的点与探测单元对应。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法，其特征在于，连通区域标记的具体步骤为：

a）逐行扫描图像，把每一行中连续的第一监测单元组成的一个序列称为一个团，并记下团的起点、终点以及团所在的行号；

b）对于除了第一行外的所有行里的团，如果其与前一行中的所有团都没有重合区域，则给它一个新的标号；如果它仅与上一行中一个团有重合区域，则将上一行的那个团的标号赋给它；如果它与上一行的2个以上的团有重叠区域，则给当前团赋一个相连团的最小标号，并将上一行的这几个团的标记写入等价对，说明它们属于一类；

c）将等价对转换为等价序列，每一个序列给一个相同的标号；

d）开始遍历团的标记，查找等价序列，从1开始，给每个等价序列一个标号；

e）将每个团的标号填入标记图像中，该标记图像为短时过零率瀑布图。

6.一种基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位系统，其特征在于，包括：

传感信号获取模块，用于获取分布式光纤传感海缆的传感信号；

滤波模块，用于对传感信号做高通滤波，滤除低频部分，抑制因海水流动对信号的干扰；

瀑布图生成模块，用于对滤波后的信号，每间隔一段时间，计算前T秒内的短时过零率、频域能量，形成短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图；

区域划分模块，用于通过频域能量瀑布图判断划分落锚或拖锚事件发生的区域；

监测单元标记模块，用于在短时过零率瀑布图中查找并标记超过预设第一阈值的第一监测单元，同时在频域能量瀑布图中查找并标记超过预设第二阈值的第二监测单元；在频域能量瀑布图中将位置邻近第二监测单元划分为同一区域，并在短时过零率瀑布图中提取对应区域；

连通域标记模块，用于对短时过零率瀑布图中对应区域中的第一监测单元进行连通域标记；

定位模块，用于对于每个连通域，找到其最底部的点；从底部点向上，统计每一行被连通域覆盖的线段数量；若每一行被连通域覆盖的线段数量≤1，则输出拖锚事件，拖锚事件中心定位为此连通域最顶部的点；若每一行被连通域覆盖的线段数量为≥2，则输出落锚事件，落锚事件中心定位为此连通域最底部的点。

7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位系统，其特征在于，短时过零率瀑布图和频域能量瀑布图的横轴为距离，纵轴为时间，时间更新方向为自上而下。

8.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位系统，其特征在于，监测单元标记模块具体将超过预设第一阈值的第一监测单元标记为1，否则为0；将超过预设第二阈值的第二监测单元标记为1，否则为0。

9.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位系统，其特征在于，连通域标记模块中连通区域标记的具体步骤为：

a）逐行扫描图像，把每一行中连续的第一监测单元组成的一个序列称为一个团，并记下团的起点、终点以及团所在的行号；

b）对于除了第一行外的所有行里的团，如果其与前一行中的所有团都没有重合区域，则给它一个新的标号；如果它仅与上一行中一个团有重合区域，则将上一行的那个团的标号赋给它；如果它与上一行的2个以上的团有重叠区域，则给当前团赋一个相连团的最小标号，并将上一行的这几个团的标记写入等价对，说明它们属于一类；

c）将等价对转换为等价序列，每一个序列给一个相同的标号；

d）开始遍历团的标记，查找等价序列，从1开始，给每个等价序列一个标号；

e）将每个团的标号填入标记图像中，该标记图像为短时过零率瀑布图。

10.一种计算机存储介质，其特征在于，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1-5中任一项所述的基于分布式光纤传感的海缆锚害监测定位方法。

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