CN111864688A - 一种特高压直流控制保护系统otdr分层多级事件精准提取定位方法 - Google Patents

一种特高压直流控制保护系统otdr分层多级事件精准提取定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法。首先，根据特高压直流控制保护系统的分布式光纤振动传感系统结构，将其分为底层与上层；其次，将数据采集卡连续采集到的经均值滤波处理的背向散射曲线进行差值处理，得到对称的信号曲线；然后，在底层上对处理得到的对称信号曲线做短时过双电平处理，将短时过双电平率与设定的阈值参数进行比较，得到曲线上短时过双电平率大于阈值的信号，获取该信号脉冲信息并上传给上位机；最后，在上位机上对信号做上层精准定位处理，通过平均处理得到定位结果。本发明无需对原始数据进行复杂处理，可快速提取振动信号并精准确定振动位置，在降低误报率的同时提高定位精准度。

Description

一种特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准提取定 位方法
技术领域
本发明属于特高压直流控制保护系统光纤振动传感技术领域，特别涉及了一种分层多级精准提取定位方法。
背景技术
特高压直流控制保护系统光纤种类繁多，但缺乏有些的检测手段，传统的
Figure BDA0002572729550000011
具有低成本、小型化、性能优越、功能完善等优势。针对需求，采用660nm、808nm和940nm等特殊波长光源和接收机，搭配特高压直流保护用光纤，可以对线路故障做精准定位。但传统OTDR大部分均采用入射光的背向散射信号进行外界扰动的探测，但是入射光的背向散射信号却又极其微弱，加上特高压直流保护系统用光纤衰减大，信号极其容易淹没在背景噪声中。此外，随着传感距离的增长，传感信号更是急剧减弱。同时，外界环境的变化也会对信号的信噪比产生难以预测的影响，导致大量误报的产生。
目前分布式光纤振动传感系统的信号处理大都采用小波降噪法、阈值对比法、频谱分析法。虽然阈值对比法、小波降噪等方法可以提高信号的信噪比，但是设计者往往需要根据理论与经验选择阈值参数，然后通过对阈值参数进行大量实验，从而获得微调后的阈值参数，这些阈值参数具有局限性。如果设备或者环境发生变化，需要对阈值参数进行调整，否则就会产生误报或者漏报。此外，频谱分析方法会产生时延，无法满足系统实时性的要求。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，能够快速提取振动信号并精准确定振动位置，在降低误报率的同时提高定位精准度。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，包括以下步骤：
(1)根据特高压直流控制保护系统的分布式光纤振动传感系统结构，将其分为底层与上层；所述特高压直流控制保护系统采用特殊波长的光源和接收机，并搭配特高压直流保护用光纤，所述特殊波长为660nm、808nm和940nm的波长；
(2)在一定脉冲周期T内，采集经均值滤波处理的多条背向散射曲线，对其进行做差处理，从而将振动引起的散射信号变化转变为易于处理的对称信号，并在系统底层对对称信号进行短时过双电平处理，获取振动信号脉冲，并将振动信号脉冲的上升沿位置、峰值位置、下降沿位置和峰值上传至系统上层；
(3)在系统上层对振动信号脉冲进行定位处理，计算出每个脉冲对应的初步振动位置，并将所有初步振动位置做平均处理，得到实际振动位置。
进一步地，在步骤(1)中，系统底层包括光发送模块、光纤干涉仪、传感光纤、光接收模块和信号处理模块；系统上层包括上位机。
进一步地，在步骤(2)中，将采集到的多条原始背向散射曲线做差处理，得到对称信号
Figure BDA0002572729550000021
其中，上标l表示信号所在传感光纤的位置，i,j为周期，i∈(0,T)，j∈(1,T)，
Figure BDA0002572729550000022
和
Figure BDA0002572729550000023
为数据采集卡采集到的背向散射信号。
进一步地，在步骤(2)中，分别计算T周期内传感光纤各个位置处的短时过上电平率
Figure BDA0002572729550000024
与短时过下电平率
Figure BDA0002572729550000025
再将短时过上电平率与短时过下电平率相乘，得到短时过双电平率
Figure BDA0002572729550000026
其中V1和V2分别为上、下阈值电平。
进一步地，V2＝-V1。
进一步地，在步骤(2)中，将得到的各个位置处的短时过双电平率与阈值threshold比较，当
Figure BDA0002572729550000027
获取位置l处的振动信号脉冲的上升沿位置、峰值位置、下降沿位置和峰值，并将振动信号脉冲上传给上位机。
进一步地，在步骤(3)中，通过下式得到初步振动位置：
Figure BDA0002572729550000031
上式中，location为初步振动位置，Lr、Lp、Lf为步骤(2)得到的振动信号脉冲的上升沿位置、峰值位置和下降沿位置。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明采用分层滤波定位处理，将系统分为底层和上层。在底层滤波处理的同时在上层进行定位，将滤波与定位分隔开来，在上层定位时不影响终端设备对底层信号的读取，具有一定的容错能力；
(2)为了减弱背景噪声引起的振动信号的波动，传统方法通常通过滤波来减小上述波动，但本发明提出的定位方法将底层的滤波与上层的定位结合，在滤波降噪的同时还可以保证定位的精准度；
(3)本发明提出的定位方法最少仅需20个扰动脉冲即可提取出振动信号，数据处理量远小于传统方法。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例提供的扰动施加在2.1km处原始曲线图；
图3为实施例提供的扰动施加在2.1km处底层滤波处理图；
图4为实施例提供的扰动施加在2.1km处原始振动脉冲图；
图5为实施例提供的扰动施加在2.1km处上层定位算法结果图。
图6为实施例提供的定位精度和扰动位置关系图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，如图1所示，其步骤如下：
(1)根据特高压直流控制保护系统的分布式光纤振动传感系统结构，将其系统分为底层和上层，系统的分层处理如下：
底层：光发送模块、光纤干涉仪、传感光纤、光接收模块、信号处理模块；
上层：上位机。
其中，信号处理模块为数据采集卡，底层的信号滤波处理在数据采集卡上完成。
(2)底层振动信号提取处理：分布式光纤振动传感系统将以ΔT为周期发出巡检光脉冲，传感光纤感知外界扰动，数据采集卡采连续集T个周期传感光纤上的信号，将采集的T个周期的信号进行短时过双电平方法处理。
首先，将各个位置T个周期的信号做差处理，各个位置上每个周期的信号都减去该位置处T个周期信号的平均值，即
Figure BDA0002572729550000041
其中，上标l表示信号所在传感光纤的位置，i,j为周期，i∈(0,T)，j∈(1,T)，
Figure BDA0002572729550000042
和
Figure BDA0002572729550000043
为数据采集卡采集到的背向散射信号。
然后，计算T周期内传感光纤各个位置处的短时过上电平率
Figure BDA0002572729550000044
与短时过下电平阈值率
Figure BDA0002572729550000045
再将短时过上电平率与短时过下电平率相乘，得到短时过双电平率
Figure BDA0002572729550000046
最后，将得到的各个位置处的过双电平率与阈值threshold比较，当
Figure BDA0002572729550000047
获取该传感信号脉冲的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf、峰值zp，并将信号脉冲的信息上传给上位机。在本实施样例中，T＝20，V2＝-V1＝-0.2v，threshold＝0.1。
(3)上层振动脉冲定位处理：将从数据采集卡直接传输到上位机中的扰动脉冲的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf做加权平均处理，计算出每个脉冲对应的location：
Figure BDA0002572729550000048
即：
Figure BDA0002572729550000051
然后将M个location做平均处理得到实际振动位置Location，即
Figure BDA0002572729550000052
在本实施样例中M＝20，采集时间t＝0.6ms。
在本实施例中，在脉宽为1us，采样频率为250MHz的条件下，在2.1km处持续施加振动，并采集其未处理的原始信号，然后通过系统底层对信号进行过双电平率滤波处理，并将其得到的振动脉冲的上升沿与下降沿上传给上位机，在上位机上进行上层定位处理，图2为振动施加在2.1km处数据采集卡采集20个周期经均值滤波处理后的信号图，图3为经过短时过双电平处理图，从图2、3可以看出，使用短时过双电平方法可以提高系统的信噪比，滤除干扰。图4为未经过上层定位处理的扰动脉冲分布图，可以看出定位结果比较离散及离散度较大，图5为通过上层定位处理得到定位结果图，从图中可以明显看出定位结果非常集中。图6为使用本发明方法，扰动点分别在2.1km、2.3km、4.3km、7.3km、9.4km处的定位离散度图，从图中可以明显看出，利用本发明实现±3.5m左右的定位离散度，完全达到了实际工程实践的要求。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据特高压直流控制保护系统的分布式光纤振动传感系统结构，将其分为底层与上层；所述特高压直流控制保护系统采用特殊波长的光源和接收机，并搭配特高压直流保护用光纤，所述特殊波长为660nm、808nm和940nm的波长；
(2)在一定脉冲周期T内，采集经均值滤波处理的多条背向散射曲线，对其进行做差处理，从而将振动引起的散射信号变化转变为易于处理的对称信号，并在系统底层对对称信号进行短时过双电平处理，获取振动信号脉冲，并将振动信号脉冲的上升沿位置、峰值位置、下降沿位置和峰值上传至系统上层；
(3)在系统上层对振动信号脉冲进行定位处理，计算出每个脉冲对应的初步振动位置，并将所有初步振动位置做平均处理，得到实际振动位置。
2.根据权利要求1所述特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，在步骤(1)中，系统底层包括光发送模块、光纤干涉仪、传感光纤、光接收模块和信号处理模块；系统上层包括上位机。
3.根据权利要求1所述特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，在步骤(2)中，将采集到的多条原始背向散射曲线做差处理，得到对称信号
Figure FDA0002572729540000011
其中，上标l表示信号所在传感光纤的位置，i,j为周期，i∈(0,T)，j∈(1,T)，
Figure FDA0002572729540000012
和
Figure FDA0002572729540000013
为数据采集卡采集到的背向散射信号。
4.根据权利要求2所述特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，在步骤(2)中，分别计算T周期内传感光纤各个位置处的短时过上电平率
Figure FDA0002572729540000014
与短时过下电平率
Figure FDA0002572729540000015
再将短时过上电平率与短时过下电平率相乘，得到短时过双电平率
Figure FDA0002572729540000016
其中V1和V2分别为上、下阈值电平。
5.根据权利要求4所述特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，V2＝-V1。
6.根据权利要求4所述特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，在步骤(2)中，将得到的各个位置处的短时过双电平率与阈值threshold比较，当
Figure FDA0002572729540000021
获取位置l处的振动信号脉冲的上升沿位置、峰值位置、下降沿位置和峰值，并将振动信号脉冲上传给上位机。
7.根据权利要求1所述特高压直流控制保护系统OTDR分层多级事件精准定位方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过下式得到初步振动位置：
Figure FDA0002572729540000022
上式中，location为初步振动位置，Lr、Lp、Lf为步骤(2)得到的振动信号脉冲的上升沿位置、峰值位置和下降沿位置。
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