CN112033446B - 一种分布式光纤传感系统的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤传感系统的监测方法，包括：S1、根据待测物对检测光纤划分出重点监测区域和非重点监测区域；S2、在监测光纤部署过程中，测量并记录各个区间分布的长度；S3、将各个所述区间分布的长度作为输入参数输入所述解算系统；S4、向解算系统输入各个所述区间分布的扫描频率，所述重点监测区域的扫描频率远大于所述非重点监测区域的扫描频率；S5、所述解算系统测算出光经过各个监测区域的时间，根据所述时间切换扫描频率；S6、所述解算系统输出峰值变化量，从而测得待测物的应变及温度变化量。本发明合理调整分布式光纤传感系统的数据采集范围和数据扫描频率，提高了数据解算效率。
Description
技术领域
本发明涉及智能监测技术领域，尤其涉及一种分布式光纤传感系统的监测方法。
背景技术
分布式光纤传感器主要应用于对特大桥隧、远距离传输管线、工程结构、工业生产线的温度或变形进行监测，分布式光纤传感器具有远距离测量的优点，但是过长的监测距离及精度要求必然增加分布式光纤传感系统数据解算的计算量，降低测算效率。同时在分布式光纤监测线路上，各监测点处监测量变化范围不一，并且所要求的监测分辨率也各有差异，例如，对于要求比较严苛的关键部位，如桥梁结构的桥体中部，输油管线承受压力部位，工业生产中温度要求精确控制的部位等。然而，目前分布式光纤传感系统多采用均匀采集方式，即分布式光纤传感系统根据其最小分辨率对监测线路进行全程数据采集，计算处理；对于不需要重点监测的部位做细微数据采集，造成了分布式光纤传感系统计算资源的浪费，同时延长了监测时间，降低了分布式光纤传感系统在智能监测中实时性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种分布式光纤传感系统的监测方法，通过合理调节分布式光纤传感系统的数据采集范围，和有针对性地调整监测沿线数据扫描频率，提高分布式光纤传感系统的数据解算效率。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，所述分布式光纤传感系统包括监测光纤和解算系统，所述监测方法包括以下步骤：
S1、根据待测物对监测光纤划分出重点监测区域和非重点监测区域；
S2、在监测光纤部署过程中，测量并记录各个区间分布的长度；
S3、将各个所述区间分布的长度作为输入参数输入所述解算系统；
S4、向所述解算系统输入各个所述区间分布的扫描频率，所述重点监测区域的扫描频率远大于所述非重点监测区域的扫描频率；
S5、所述解算系统根据各个所述区间分布的长度和光在光纤介质内的传播速度，测算出光经过各个监测区域的时间，根据所述时间切换扫描频率，对待测物进行监测；
S6、所述解算系统采集所述监测光纤内的布里渊散射峰值，跟踪峰值变化，输出峰值变化量，而峰值变化量与所述监测光纤受到的应变或温度变化呈线性关系，从而间接测量待测物的应变及温度变化量。
进一步的，所述监测方法还包括：S7、所述分布式光纤传感系统定期对待测物进行全面高频扫描，重新确定监测危险区域的位置，返回步骤S2。
进一步的，所述重点监测区域为监测危险区域及其附近区域，非重点监测区域为除所述重点监测区域外的剩余区域。
进一步的，步骤S1中所述监测危险区域通过模型测算确定。
进一步的，步骤S1中所述监测危险区域及其附近区域为所述监测危险区域前后3倍分布式光纤空间分辨率范围内的区域。
进一步的，步骤S1中所述重点监测区域通过所述分布式光纤传感系统按极限扫描频率进行数据采集，再通过内置算法进行区分得到。
进一步的，步骤S2中所述各个区间分布的长度包括所述重点监测区域的监测光纤长度Ti，i＝1,2,···,n，解算系统至离解算系统最近的重点监测区域一的监测光纤长度L1，以及除离解算系统最近的非重点监测区域一的各段非重点监测区域的监测光纤长度Lj，j＝2,···,n+1。
进一步的，步骤S4中所述重点监测区域的扫描频率的步进频率为Δn1＝1～10Hz。
进一步的，步骤S4中所述非重点监测区域的扫描频率的步进频率为Δn2＝10～50Hz。
进一步的，所述步骤S6包括以下步骤：
S6.1通过解算系统采集监测光纤内部的布里渊散射光光谱，根据散射光自发射到采集到的时间差Ts，计算散射位置距解算系统距离s＝Ts·c/2，确定每个布里渊散射光光谱对应的发生散射的的最小分辨空间距解算系统的距离，其中，c为光在光纤中传播速度；
S6.2、对各处的散射光谱峰值进行高斯拟合，确定拟合后的光谱曲线的峰值；
S6.3、实时监测所述峰值变化量，根据所述峰值变化量与待测物的应变、温度变化线性关系，获知待测物的应变及温度变化量。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明根据不同监测部位的不同监测分辨率要求和监测项目需求的差异，合理划分出各段重点监测区域和非重点监测区域，并对重点监测区域采用高频数据采集，对非重点监测区域采用低频数据采集，有针对性地数据采集使得对重点监测区域的监测更灵敏，监测更精确，减少非重点监测区域对系统解算资源和时间的浪费，从而减少解算工作量，提高分布式光纤传感系统的运算效率，提高实时性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例的分布式光纤传感系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的分布式光纤传感系统的监测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所述的分布式光纤传感系统包括用于数据采集与传输的监测光纤，和用于数据处理的解算系统，如图1所示。对于监测光纤的待测物，有至少一个监测危险区域以及其周边区域需要重点监测，在重点监测区域的监测分辨率、监测频率的要求均相对其它区域更高，则该分布式光纤传感系统的监测方法如图2所示，包括以下步骤：
S1、将根据待测物对监测光纤划分出重点监测区域和非重点监测区域；
明确待测物的监测危险区域的位置，将所述监测危险区域及其附近区域确定为重点监测区域，剩余各段监测光纤为非重点监测区域；
在所述分布式光纤传感系统部署前，根据对所述待测物的模型测算，简单分析待测物发生变形或温度变化严重部位，如在对特大桥应变进行监测时，特大桥的中跨部位变形严重，而在工业生产线中，转轴或加热区域温度相对较高，作为监测危险区域；
将所述监测危险区域前后3倍分布式光纤空间分辨率范围内的区域确定为重点监测区域。
但有的待测物无法确定监测危险区域，则所述分布式光纤传感系统通过利用自身的极限扫描频率对待测物的应变或温度进行首次数据采集，然后，通过所述分布式光纤传感系统内置的算法，自动区分重点监测区域，如将待监测物内部应变或温度数据变化明显的区域作为初步监测危险区域，然后对初步监测危险区域内的应变或温度数据提高扫描频率进行重点分析，最终确定重点监测区域。
S2、在监测光纤部署过程中，测量并记录各个区间分布的长度，包括所述重点监测区域的监测光纤长度Ti，i＝1,2,···,n，解算系统至离解算系统最近的重点监测区域一的监测光纤长度L1，以及除离解算系统最近的非重点监测区域一的各段非重点监测区域的监测光纤长度Lj，j＝2,···,n+1；
本实施例以两处监测危险点为例，包括但不限于多处监测危险点的情况，如图1中所述，根据危险监测区域一和危险监测区域二确定的重点监测区域一和重点监测区域二，则有非重点监测区域一、非重点监测区域二、非重点监测区域三，其中，离解算系统最近的为非重点监测区域一和重点监测区域一，测量重点监测区域一和重点监测区域二的监测光纤长度为T1、T2，测量分布光纤解算系统至重点监测区域处的光纤长度即解算系统离监测光纤最近端的距离加上非重点监测区域一的监测光纤长度的和为L1，除离解算系统最近的非重点监测区域一的各段非重点监测区域即非重点监测区域二、非重点监测区域三的监测光纤长度分别为L2、L3。
S3、将各个所述区间分布的长度作为输入参数输入所述解算系统；
S4、向所述解算系统输入各个所述区间分布的扫描频率，所述重点监测区域的扫描频率远大于所述非重点监测区域的扫描频率；
T1、T2对应的重点监测区域内按照对应的空间分辨率选择高扫描频率f01、f02，L1、L2、L3对应的非重点监测区域分别选择低扫描频率f1、f2、f3，其中，f01、f02可以相同，也可以不同，可以根据用户需求自行设置，f1、f2、f3可以相同，也可以不同，可以根据用户需求自行设置，但f01、f02必定远大于f1、f2、f3，该扫描频率即为数据采集频率，扫描频率越高，数据采集密度越大，对待测物变形或温度的变化监测越加灵敏。重点监测区域的扫描频率的步进频率为Δn1＝1～10Hz，非重点监测区域的扫描频率的步进频率为Δn2＝10～50Hz。
因此，对重点监测区域的扫描频率较高，对非重点监测区域的扫描频率较低，选择性有针对性地调节扫描频率，从而降低整体数据采集次数，减小系统解算工作量，但对重点监测区域的数据采集更频繁，监测更加灵敏。
S5、所述解算系统根据各个所述区间分布的长度和光在光纤介质内的传播速度，测算出光经过各个监测区域的时间，根据所述时间切换扫描频率，对待测物进行监测；
S6、所述解算系统采集所述监测光纤内的布里渊散射峰值，跟踪峰值变化，输出峰值变化量，而峰值变化量与所述监测光纤受到的应变或温度变化呈线性关系，从而间接测量待测物的应变及温度变化量；
解算系统的监测方法具体为：
S6.1通过解算系统采集监测光纤内部的布里渊散射光光谱，根据散射光自脉冲激光器中发射到采集到的时间差Ts，计算A处散射位置距解算系统距离s＝Ts·c/2，确定每个散射光光谱对应的发生散射的最小分辨空间距解算系统的距离，即A处的位置，其中，c为光在光纤中传播速度，Ts为脉冲激光器自发射到接收A处散射光之间的时间，解算系统采集到的散射光光谱散射光光强为p(n)，其中，n为光频率；
S6.2、对各处的散射光谱峰值进行高斯拟合，根据所述散射光光强确定拟合后的光谱曲线峰值，而根据划分的重点监测区域，在不同区域内采用不同扫描频率；
S6.3、实时监测峰值变化量，根据峰值变化量与待测物的应变、温度变化线性关系，获知待测物的应变及温度变化量。
S7、所述分布式光纤传感系统定期对待测物采用解算系统的极限扫描频率进行扫描，重新确定重点监测区域的位置，返回步骤S2。
为了避免其他监测部位数据变化异常，分布式光纤传感系统会定期对待测物进行全面扫描，重新确定监测危险区域。
综上可知，通过上述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，具有以下优点：
(1)本发明根据不同监测部位的不同监测分辨率要求和监测项目需求的差异，合理划分出各段重点监测区域和非重点监测区域，并对重点监测区域采用高频数据采集，对非重点监测区域采用低频数据采集，有针对性地数据采集使得对重点监测区域的监测更灵敏，监测更精确，减少非重点监测区域对系统解算资源和时间的浪费，从而减少解算工作量，提高分布式光纤传感系统的运算效率，提高实时性；
(2)本发明所述方法定期对待测物采用解算系统自身的极限扫描频率进行全面扫描，重新确定重点监测区域的位置，避免非重点监测区域的数据发生异常不能及时发现，提高了数据监测可靠性；
(3)本发明所述方法在无法通过简单的模型测算确定待测物的监测危险区域时，通过自身极限频率进行数据采集和内置算法分析，有利于科学、准确地确定待测物的监测危险区域，监测危险区域的准确确定有利于系统的监测准确性。
通过上述有选择性的调节分布式光纤传感系统的数据扫描范围与扫描频率，避免了冗余数据的解算，从而降低了分布式光纤传感系统的数据计算量，进而提高了运算效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，所述分布式光纤传感系统包括监测光纤和解算系统，所述监测方法包括以下步骤：
S1、根据待测物对监测光纤划分出重点监测区域和非重点监测区域；
S2、在监测光纤部署过程中，测量并记录各个区间分布的长度；
S3、将各个所述区间分布的长度作为输入参数输入所述解算系统；
S4、向所述解算系统输入各个所述区间分布的扫描频率，所述重点监测区域的扫描频率远大于所述非重点监测区域的扫描频率；
S5、所述解算系统根据各个所述区间分布的长度和光在光纤介质内的传播速度，测算出光经过各个监测区域的时间，根据所述时间切换扫描频率，对待测物进行监测；
S6、所述解算系统采集所述监测光纤内的布里渊散射峰值，跟踪峰值变化，输出峰值变化量，而峰值变化量与所述监测光纤受到的应变或温度变化呈线性关系，从而间接测量待测物的应变及温度变化量；所述步骤S6包括以下步骤：
S6.1通过解算系统采集监测光纤内部的布里渊散射光光谱，根据散射光自发射到采集到的时间差Ts，计算散射位置距解算系统距离s＝Ts·c/2，确定每个布里渊散射光光谱对应的发生散射的最小分辨空间距解算系统的距离，其中，c为光在光纤中传播速度；
S6.2、对各处的散射光谱峰值进行高斯拟合，确定拟合后的光谱曲线的峰值；
S6.3、实时监测所述峰值变化量，根据所述峰值变化量与待测物的应变、温度变化线性关系，获知待测物的应变及温度变化量。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括：S7、所述分布式光纤传感系统定期对待测物进行全面高频扫描，重新确定监测危险区域的位置，返回步骤S2。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，所述重点监测区域为监测危险区域及其附近区域，非重点监测区域为除所述重点监测区域外的剩余区域。
4.根据权利要求3所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，步骤S1中所述监测危险区域通过模型测算确定。
5.根据权利要求3所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，步骤S1中所述监测危险区域及其附近区域为所述监测危险区域前后3倍分布式光纤空间分辨率范围内的区域。
6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，步骤S1中所述重点监测区域通过所述分布式光纤传感系统按极限扫描频率进行数据采集，再通过内置算法进行区分得到。
7.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，步骤S2中所述各个区间分布的长度包括所述重点监测区域的监测光纤长度Ti，i＝1,2,···,n，解算系统至离解算系统最近的重点监测区域一的监测光纤长度L1，以及除离解算系统最近的非重点监测区域一的各段非重点监测区域的监测光纤长度Lj，j＝2,···,n+1。
8.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，步骤S4中所述重点监测区域的扫描频率的步进频率为Δn1＝1～10Hz。
9.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的监测方法，其特征在于，步骤S4中所述非重点监测区域的扫描频率的步进频率为Δn2＝10～50Hz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.755, bachelor Road, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 410205 Applicant after: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. Address before: No.755, Xueshi street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 410205 Applicant before: HUNAN ZHONGDA TESTING Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220406 Address after: 410000 Bachelor's Street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 755 Bachelor's Road Patentee after: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. Patentee after: Hainan Kunyuan Testing Technology Co.,Ltd. Address before: No.755, bachelor Road, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 410205 Patentee before: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No.755, Xueshi street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 410205 Patentee after: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd. Patentee after: Hainan Kunyuan Testing Technology Co.,Ltd. Address before: 410000 Bachelor's Street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 755 Bachelor's Road Patentee before: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. Patentee before: Hainan Kunyuan Testing Technology Co.,Ltd. |