CN111780855A

CN111780855A - 基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法及系统

Info

Publication number: CN111780855A
Application number: CN202010453577.3A
Authority: CN
Inventors: 何东欣; 巩文洁; 张涛; 孟繁淞; 王晓然; 李清泉
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-10-16

Abstract

本公开提出了基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法及系统，方法包括以下步骤：获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号；根据获取的振动信号，计算振源与光纤测量点的之间的径向距离；采用时间定位法多次获取振动信号并计算径向距离，判断振源与光纤的径向距离是否逐渐缩短，若距离缩短，判定该振动为破坏性振动，发送预警信息；否则，判定该振动为非破坏性振动。本公开创新性的提出根据振动信号计算振源位置与距离振源最近的光纤段的径向距离，通过距离的变化，判断振源是否依次接近光纤，从而确定发生振动的位置的光缆是否有可能受到破坏，实现电缆的防外破防护，减少误报，从而降低电缆维护的人力成本和效率。

Description

基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法及系统

技术领域

本公开涉及电缆状态监测相关技术领域，具体的说，是涉及基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

电力电缆因其具有可靠性高、铺设于地下而不影响城市美观的优点，越来越广泛地应用于城市电网中。随着电缆铺设范围增加，由施工等外力破坏电缆造成的停电事故频率逐年上升。研究电缆防外破技术对电力电缆的安全运行、保证电力系统的可靠性具有重要意义。

目前电缆防外破在线监测系统主要利用基于光纤固有后向瑞利散射光的分布式光纤振动传感技术(Φ-OTDR)，其基本原理是利用光波及其后向瑞利散射光在光纤中传输时其相位等光特征对振动敏感的特性。将脉冲光信号注入待测光缆，当光纤某处受到振动扰动时，由于弹光效应，该处光纤的折射率将会发生变化，从而导致该处光波相位的改变，光相位的变化将引起后向瑞利散射光强度的改变，通过对携带了扰动信息的后向瑞利散射光信号进行分析处理后，即可实现对扰动和入侵的横向定位，横向定位即确定在光缆发生入侵的位置相对于检测点的距离。

利用该技术，可在电缆附近铺设分布式光纤振动传感器，光纤在监测到振动后向运维人员发出预警，并提供振源的横向位置信息，由运维人员到达振动现场检查电缆并制止施工，避免施工造成的电缆破坏。

发明人发现，目前的分布式光纤传感器无法识别振动类型，挖地、施工产生的危险性振动与行车产生的无危险性振动均会引起电缆防外破系统报警，现场常发生误报情况，降低了运维人员的工作效率，造成了人力上的浪费。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法及系统，创新性地提出了利用光纤径向振源测距实现振动类型判断，并对针对振动的危险性判断的方法。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开的第一目的是提供基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，包括以下步骤：

获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号；

根据获取的振动信号，计算振源与光纤之间的径向距离；

采用时间定位法多次获取振动信号并计算径向距离，判断振源与光纤的径向距离是否逐渐缩短，若距离缩短，判定该振动为破坏性振动，发送预警信息；否则，判定该振动为非破坏性振动。

本公开的第二目的是提供基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，包括电缆附近铺设的分布式振动传感光纤，与分布式振动传感光纤连接的光脉冲发射装置、接收散射光的光电探测器以及处理器，处理器执行上述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法。

本公开的第三目的是基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，包括：

数据获取模块：被配置为用于获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号；

计算模块：被配置为用于根据获取的振动信号，计算振源与光纤之间的径向距离；

判断模块：被配置为用于采用时间定位法多次获取振动信号并计算径向距离，判断振源与光纤的径向距离是否逐渐缩短，若距离缩短，判定该振动为破坏性振动，发送预警信息；否则，判定该振动为非破坏性振动。

本公开的第四目的是一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开创新性的提出根据分布式振动传感光纤检测的振动信号计算振源位置与距离振源最近的光纤段的径向距离，通过距离的变化，判断振源是否依次接近光纤，从而确定发生振动的位置的光缆是否有可能受到破坏，实现电缆的防外破防护，减少误报，从而降低电缆维护的人力成本和效率。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是根据一个或多个实施方式的电缆防外破系统的结构示意图；

图2是本公开实施例1的电缆防外破方法的流程图；

图3是本公开实施例1的振动信号传播的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，包括电缆附近铺设的分布式振动传感光纤，与分布式振动传感光纤连接的光脉冲发射装置、接收散射光的光电探测器以及处理器，处理器接收到散射光对散射光进行分析识别获得振动类型，将振动分为破坏性振动和非破坏性振动，针对破坏性的振动针对发出预警信息。

可选的，光脉冲发射装置具体可以为激光器。

可选的，还包括预警装置，所述预警装置与处理器连接，所述预警装置包括显示屏或/和声光报警器。

分布式振动传感光纤本身就是一种分布式传感器，“分布式”即指光纤上每点都具备传感能力，分布式光纤振动传感技术(Φ-OTDR)基本原理是利用光波及其后向瑞利散射光在光纤中传输时其相位等光特征对振动敏感的特性，当光纤某处受到振动扰动时，该处光纤的折射率将会发生变化，从而导致该处光波和后向瑞利散射光特性改变，通过对后向瑞利散射光信号进行分析处理后，即可得到光纤每点的振动信息。每一点都具备测量振动的能力，即一条光纤上有连续无数的点可测量振动的到达时间。图中d为振源相对于光纤的径向距离，X为振源距离监控后台的径向距离。

本实施例还提供基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，可以在上述系统的处理器中实现，包括以下步骤：

步骤1、获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号；

步骤2、根据获取的振动信号，计算振源与光纤之间的径向距离；

步骤3、采用时间定位法多次获取振动信号并计算径向距离，判断振源与光纤的径向距离是否逐渐缩短，若距离缩短，判定该振动为破坏性振动，发送预警信息；否则，判定该振动为非破坏性振动。

可实现的，采用时间定位法多次获取振动信号并计算径向距离，可以设置为设定数据采集周期或者采用时间点，分多次采集，分时间先后采集的数据分别计算径向距离。

距离缩短即振源向光纤逐渐靠近，是持续性的振动，可能会对电缆造成破坏；判定为非破坏性振动，可以不发出预警，或者进行下一振动信息的采集和分析，循环执行进行判断。

其中，可以理解的，破环性可以认为对线缆存在潜在的威胁，可以设置所述破环性振动为该振动引起电缆敷设的地面遭到破坏的振动，包括施工、塌陷或者电缆上方的变形，如遇到重物碾压等。可以设置非破环性振动为该振动并没有对电缆敷设的地面造成破坏，如正常通过正常行驶的汽车等。

本实施例创新性的提出根据分布式振动传感光纤检测的振动信号计算振源位置与距离振源最近的光纤段的径向距离，通过距离的变化，判断振源是否依次接近光纤，从而确定发生振动的位置的光缆是否有可能受到破坏，实现电缆的防外破防护，减少误报，从而降低电缆维护的人力成本和效率。

可实现的，步骤1中，获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号的方法，具体为检测多个测量点接收到同一振动产生的振动信号，当振动次数为一次时，可以直接通过接收的信号的波形变化点每一个点的，当振动次数为多次时分别获取第一次接收到的振动信号。获取振动信号的具体的步骤可以如下：

步骤11、获取第一个接收到振动信号的光纤上第一个点位置及其振动信号；

步骤12、分别获取光纤上第一个点两侧设定距离的多个点的振动信号；

步骤13、提取各个测量点第一次分别从光纤的敷设介质中直接传播的同一振动引发的振动信号。

具体的，同一振动信号提取的方法为：分析接收到的光信号还可得到光纤各点振动的幅值、频率等信息，不同振动产生的振动特性是不相同的，可以提取同一振动信号。

在分布式振动传感光纤上的测量点是连续的，第一个接收到振动信号的点与振源的距离最近，近似的，可以将第一个接收到振动信号的点与振源的距离作为振源与光纤的径向距离。

作为进一步的改进，步骤2中，根据获取的振动信号，计算振源与光纤之间的径向距离，可以采用极大似然估计法结合最小二乘法，具体的，步骤可以如下：

步骤21、根据获得的多个点的振动信号，分别提取其他点与第一个点接收到振动信号的时间差；

步骤22、根据各个测量点与第一个点之间的距离，提取的接收到振动信号的时间差，以及振动在介质中的传播速度，采用极大似然估计法建立线性方程组，采用最小二乘法求解第一个点与振源的距离即为振源与光纤测量点的之间的径向距离。

其中，振动的传播介质为电缆敷设的周围环境，一般为土壤。

振动在系统中的传播可以如图2所示，采用极大似然估计法建立方程的方法为：已知光纤上n+1个点的坐标分别为x₀-x_n；其中x₀点首先接收到振动信号，可表明振源在x₀的径向上；t₁至t_n秒后x₁至x_n点也相继感应到振动信号；v为土壤中的声速；待测量d为振源距光纤的径向距离。则有如下关于距离d的n个方程式：

将上述公式变换后为：

将公式(2)写成线性方程的形式Ax＝B，具体如下：

由于光纤振动传感系统实际得到的时间t和位置x信息本身存在一定误差，故Ax＝B实际为矛盾方程组，d无精确解。可采用最小二乘法求得d的近似解，使得||Ax-B||₂＝min。Ax＝B的最小二乘解为x＝A^-1B，即

本实施例采用最小二乘对振源和光纤的径向距离进行计算，计算方法简单，可以有效提高处理器的处理效率，通过多次估算值的差判断振动类型，其中的系统误差和测量误差可以被消除，振动类型的判断准确度高，同时避免了采用精度较高的算法对系统的占用，简化算法的同时简化系统，降低系统设置成本。

实施例2

本实施例提供基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，包括：

实施例3

本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

应理解，在本公开中，该处理器可以是中央处理单元CPU，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本公开所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或者直接耦合或者通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，其特征是，包括以下步骤：

获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号；

根据获取的振动信号，计算振源与光纤之间的径向距离；

2.如权利要求1所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，其特征是：获取分布式振动传感光纤上多个测量点的振动信号的方法，具体为；

获取第一个接收到振动信号的光纤上第一个点位置及其振动信号；

分别获取光纤上第一个点两侧设定距离的多个点的振动信号；

提取各个测量点第一次分别从光纤的敷设介质中直接传播的同一振动引发的振动信号。

3.如权利要求1所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，其特征是：根据获取的振动信号，计算振源与光纤测量点的之间的径向距离，采用极大似然估计法结合最小二乘法。

4.如权利要求3所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，其特征是：根据获取的振动信号，计算振源与光纤测量点的之间的径向距离，采用极大似然估计法结合最小二乘法，步骤如下：

根据获得的多个点的振动信号，分别提取其他点与第一个点接收到振动信号的时间差；

根据各个测量点与第一个点之间的距离，提取的接收到振动信号的时间差，以及振动在介质中的传播速度，采用极大似然估计法建立线性方程组；

采用最小二乘法求解第一个点与振源的距离即为振源与光纤测量点的之间的径向距离。

5.如权利要求1所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，其特征是：光纤上第一个接收到振动信号的测量点与振源的距离为振源与光纤的径向距离。

6.如权利要求1所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法，其特征是：所述破环性振动是指该振动引起电缆敷设的地面遭到破坏的振动，非破环性振动为该振动并没有对电缆敷设的地面造成破坏。

7.基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，其特征是：包括电缆附近铺设的分布式振动传感光纤，与分布式振动传感光纤连接的光脉冲发射装置、接收散射光的光电探测器以及处理器，处理器执行权利要求1-6任一项所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破方法。

8.如权利要求7所述的基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，其特征是：还包括预警装置，所述预警装置与处理器连接，所述预警装置包括显示屏或/和声光报警器。

9.基于光纤径向振源测距振动识别的电缆防外破系统，其特征是，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-6任一项方法所述的步骤。