CN112033522B - 一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法 - Google Patents

一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112033522B
CN112033522B CN202010795028.4A CN202010795028A CN112033522B CN 112033522 B CN112033522 B CN 112033522B CN 202010795028 A CN202010795028 A CN 202010795028A CN 112033522 B CN112033522 B CN 112033522B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
circulator
sound signal
signal
port
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010795028.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112033522A (zh
Inventor
刘昕
王鹏飞
李培鸿
王清琳
李君婵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyuan University of Technology
Original Assignee
Taiyuan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyuan University of Technology filed Critical Taiyuan University of Technology
Priority to CN202010795028.4A priority Critical patent/CN112033522B/zh
Publication of CN112033522A publication Critical patent/CN112033522A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112033522B publication Critical patent/CN112033522B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤传感器的声音信号检测系统和方法，当光纤附近存在声音信号时，系统通过读入后向瑞利散射信号，利用队列缓存后向散射曲线，将后向散射曲线按照实际映射的位置进行对齐，然后进行累加和平均，将缓存在队列中的后向散射曲线按位置提取出时间‑幅值信息，对波形进行包络分析，提取出平缓区域，进行二次包络分析，得到其上下包络曲线，通过上下包络曲线得到表征时间‑幅值曲线的宏观特征模型，借助模型估算出振动信息中噪声参量，以此进行噪声参量消除，提取出声音特征信息。对上述结果进行快速傅里叶变换，得到声音信号的频域信息，通过光纤上各位置处的频域信息，得到声音信号的影响区域，从而最终实现声音源的定位。

Description

一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种分布式光纤传感器的声音信号检测系统和方法。
背景技术
光纤传感技术以光纤作为传感媒介，具有抗电磁干扰能力强、本质安全、铺设方便、隐蔽性好以及可以在恶劣情况下工作等众多优势，已被广泛应用于工业、市政交通、航空航天以及军事等诸多领域。而其中，基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)原理的分布式光纤传感具有定位精确、灵敏度高、实时性强、传感距离长等特点，可以有效检测针对周界安防、能源输送管道等情形的非法入侵。通过探测传感光纤周围因第三方入侵所产生的振动信号，来精确定位入侵事件，同时产生报警信号，防患于未然。然而，传感系统对于声音等极微弱振动信号反应不灵敏，在一些高要求场合应对不便。
发明内容
本发明提供了一种分布式光纤传感器的声音信号检测系统和方法，在原有的分布式振动传感器的基础上进行改进，提高对声音信号的检测效果，在准确定位声音信号的同时，对声音信号的相关信息进行辨别，以便监控人员采取不同措施。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分布式光纤传感器的声音信号检测系统，包括：
依序连接的激光源、声光调制器、光纤放大器、滤波器、环形器、光电探测器、信号采集模块、特征提取模块和位置检测模块；
其中，滤波器的输出端连接环行器a端口，环形器的c端口连接光电探测器的输入端，环形器的b端口注入到光纤中；
由激光源的输出端输出激光探测信号，经过声光调制器后，进入光纤放大器，光信号放大后输入滤波器，此后，输出到环形器的端口a，由环形器的端口b注入到光纤中，后向散射光由环形器的端口b输入，并最终由环形器的端口c输出到光电探测器中；信号采集模块对分布式光纤传感器的后向瑞利散射曲线进行采集与缓存处理，通过特征提取模块对振动信号进行特征提取，分离声音信号，并解调出其具体特征信息；由位置检测模块检测声音信号的特征信息，定位出声音信号的具体产生位置，并实现输出。
其中，在光纤所处区域布设声音增敏器，将声音增敏器串联于连接至环行器的端口b的光纤上，提升系统感知到的声音信号幅值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法，采用如前述技术方案所述的分布式光纤传感器的声音信号检测系统进行声音信号检测，包括：
激光源产生的窄线宽光信号经过声光调制器调制后，由光纤放大器进行放大，经滤波器的滤波作用后通过环形器的端口b注入到光纤中，生成后向瑞利散射信号从环形器的端口b返回环形器，并通过环形器的端口c进入光电探测器中；
通过信号采集模块采集后向瑞利散射信号生成的后向散射曲线，并进行多次累加平均，降低噪声干扰；
通过特征提取模块提取光纤上各位置关于振动的时间-幅值信号，利用滤波及小波去噪算法对信号进行处理，通过计算曲线包络线分析波形各位置的平缓度，并截取满足算法要求的平坦区域；
对截取的平坦区域进行二次包络计算，得到其上下两条包络线，通过上下包络曲线得到表征时间-幅值曲线的宏观特征模型，估算出振动信息中噪声参量，以此进行噪声参量消除，提取出声音特征信息；
位置检测模块通过快速傅里叶变换，得到信号的频域信息，以此进行解调，并最终实现声音信号定位。
区别于现有技术，本发明的分布式光纤传感器的声音信号检测系统和方法，提出了二次包络解调算法，首先利用滤波及小波去噪算法对各位置的时间-幅值信号进行处理，通过计算曲线包络线分析波形各位置的平缓度，并截取满足算法要求的平坦区域。然后，对截取的平坦区域进行二次包络计算，得到其上下两条包络线，通过上下包络曲线得到表征时间-幅值曲线的宏观特征模型，估算出振动信息中噪声参量，以此进行噪声参量消除，提取出声音特征信息。最后，过快速傅里叶变换，得到信号的频域信息，以此进行解调，并最终实现声音信号定位。
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是本发明提供的一种分布式光纤传感器的声音信号检测系统的结构示意图。
图2是本发明提供的一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法的逻辑示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种分布式光纤传感器的声音信号检测系统，包括：依序连接的激光源1、声光调制器2、光纤放大器3、滤波器4、环形器5、光电探测器6、信号采集模块8、特征提取模块9和位置检测模块10；
其中，滤波器4的输出端连接环行器5a端口，环形器5的c端口连接光电探测器6的输入端，环形器5的b端口注入到光纤11中；
由激光源1的输出端输出激光探测信号，经过声光调制器2后，进入光纤放大器3，光信号放大后输入滤波器4，此后，输出到环形器5的端口a，由环形器5的端口b注入到光纤11中，后向散射光由环形器5的端口b输入，并最终由环形器5的端口c输出到光电探测器6中；信号采集模块8对分布式光纤传感器的后向瑞利散射曲线进行采集与缓存处理，通过特征提取模块9对振动信号进行特征提取，分离声音信号，并解调出其具体特征信息；由位置检测模块10检测声音信号的特征信息，定位出声音信号的具体产生位置，并实现输出。
其中，在光纤11所处区域布设声音增敏器7，将声音增敏器7串联于连接至环行器5的端口b的光纤11上，提升系统感知到的声音信号幅值。
激光源1、声光调制器2、光纤放大器3、滤波器4、环形器5、光电探测器6、信号采集模块8、特征提取模块9和位置检测模块10；
具体的，激光源1产生超窄线宽，低频率频移的高质量光信号，连续的光信号注入声光调制器2后，被调制为脉冲光信号，由于调制信号损失了大量的光功率，光信号通过脉冲光纤放大器3以保证光纤内的光信号具有较高的强度，同时，脉冲光信号的形貌不发生变化。光信号中含有包括自发辐射噪声在内的一些底噪，经由滤波器4过滤调理后，通过环形器5注入到光纤11内；环形器5共有3个端口，从第一个端口a输入的光会在第二个端口b输出，从第二个端口b输入的光会在第三个端口c输出。依据这个特性，光信号在光纤11内产生干涉的后向散射信号，并经由环形器5输出到光电探测器6中，将光信号的光强信息转化为电信号的幅值信息，同时，在光纤11对应区域布设声音增敏器7，以此提高附近位置光纤11对声音信号的灵敏程度，提升系统感知到的声音信号幅值；通过特征提取模块9对振动信号进行特征提取，利用声音信号检测算法实现声音信号的分离，以此进一步解调出其具体特征信息；由位置检测模块10检测声音信号的特征信息，定位出声音信号的具体产生位置，并实现输出。
如图2所示，本发明提供一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法，采用如前述技术方案所述的分布式光纤传感器的声音信号检测系统进行声音信号检测，包括：
激光源1产生的窄线宽光信号经过声光调制器2调制后，由光纤放大器3进行放大，经滤波器4的滤波作用后通过环形器5的端口b注入到光纤11中，生成后向瑞利散射信号从环形器5的端口b返回环形器5，并通过环形器5的端口c进入光电探测器6中；
通过信号采集模块8采集后向瑞利散射信号生成的后向散射曲线，并进行多次累加平均，降低噪声干扰；
通过特征提取模块9提取光纤11上各位置关于振动的时间-幅值信号，利用滤波及小波去噪算法对信号进行处理，通过计算曲线包络线分析波形各位置的平缓度，并截取满足算法要求的平坦区域；
对截取的平坦区域进行二次包络计算，得到其上下两条包络线，通过上下包络曲线得到表征时间-幅值曲线的宏观特征模型，估算出振动信息中噪声参量，以此进行噪声参量消除，提取出声音特征信息；
位置检测模块10通过快速傅里叶变换，得到信号的频域信息，以此进行解调，并最终实现声音信号定位。
当光纤附近存在声音信号时，系统通过读入后向瑞利散射信号，利用队列缓存后向散射曲线，将后向散射曲线按照实际映射的位置进行对齐，然后进行累加和平均，以此降低系统热噪声的干扰。此后，将缓存在队列中的后向散射曲线按位置提取出时间-幅值信息，利用滤波及小波去噪等算法进行多重平均噪声消除，实现信号波形的平滑化。然后对波形进行包络分析，提取曲线波动轨迹，并判断平缓度是否符合要求，若平缓度不符合要求需再次求平均值后重新进行包络分析，若平缓度符合要求则将这一段区域截取出来进行下一步处理。将所得的平缓区域曲线进行曲线轮廓分析及包络分析，得到其上下包络曲线进行二次包络估值分析，通过上下包络曲线得到表征时间-幅值曲线的宏观特征模型，借助模型估算出振动信息中噪声参量，以此进行噪声参量消除，提取出声音特征信息。对上述结果进行分析，若结果中不包含异常值，通过快速傅里叶变换得到声音信号的频域信息，通过光纤上各位置处的频域信息，得到声音信号的影响区域，从而最终实现声音源的定位。若结果中包含异常值，在异常值不大的情况下重新进行二次估值，调整异常值。在异常值大的情况下需重新截取曲线波动平缓部分后进行二次包络估值分析。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法，采用分布式光纤传感器的声音信号检测系统进行声音信号检测，其特征在于，所述分布式光纤传感器的声音信号检测系统包括：
依序连接的激光源(1)、声光调制器(2)、光纤放大器(3)、滤波器(4)、环形器(5)、光电探测器(6)、信号采集模块(8)、特征提取模块(9)和位置检测模块(10)；
其中，滤波器(4)的输出端连接环行器(5)a端口，环形器(5)的c端口连接光电探测器(6)的输入端，环形器(5)的b端口注入到光纤(11)中；
由激光源(1)的输出端输出激光探测信号，经过声光调制器(2)后，进入光纤放大器(3)，光信号放大后输入滤波器(4)，此后，输出到环形器(5)的端口a，由环形器(5)的端口b注入到光纤(11)中，后向散射光由环形器(5)的端口b输入，并最终由环形器(5)的端口c输出到光电探测器(6)中；信号采集模块(8)对分布式光纤传感器的后向瑞利散射曲线进行采集与缓存处理，通过特征提取模块(9)对振动信号进行特征提取，分离声音信号，并解调出其具体特征信息；由位置检测模块(10)检测声音信号的特征信息，定位出声音信号的具体产生位置，并实现输出；
所述分布式光纤传感器的声音信号检测方法具体包括：
激光源(1)产生的窄线宽光信号经过声光调制器(2)调制后，由光纤放大器(3)进行放大，经滤波器(4)的滤波作用后通过环形器(5)的端口b注入到光纤(11)中，生成后向瑞利散射信号从环形器(5)的端口b返回环形器(5)，并通过环形器(5)的端口c进入光电探测器(6)中；
通过信号采集模块(8)采集后向瑞利散射信号生成的后向散射曲线，并进行多次累加平均，降低噪声干扰；
通过特征提取模块(9)提取光纤(11)上各位置关于振动的时间-幅值信号，利用滤波及小波去噪算法对信号进行处理，通过计算曲线包络线分析波形各位置的平缓度，并截取满足算法要求的平坦区域；
对截取的平坦区域进行二次包络计算，得到其上下两条包络线，通过上下包络曲线得到表征时间-幅值曲线的宏观特征模型，估算出振动信息中噪声参量，以此进行噪声参量消除，提取出声音特征信息；
位置检测模块(10)通过快速傅里叶变换，得到信号的频域信息，以此进行解调，并最终实现声音信号定位。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器的声音信号检测方法，其特征在于，在光纤(11)所处区域布设声音增敏器(7)，将声音增敏器(7)串联于连接至环行器(5)的端口b的光纤(11)上，提升系统感知到的声音信号幅值。
CN202010795028.4A 2020-08-10 2020-08-10 一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法 Active CN112033522B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010795028.4A CN112033522B (zh) 2020-08-10 2020-08-10 一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010795028.4A CN112033522B (zh) 2020-08-10 2020-08-10 一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112033522A CN112033522A (zh) 2020-12-04
CN112033522B true CN112033522B (zh) 2023-02-10

Family

ID=73576937

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010795028.4A Active CN112033522B (zh) 2020-08-10 2020-08-10 一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112033522B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114554595A (zh) * 2022-04-27 2022-05-27 高勘(广州)技术有限公司 煤矿场景定位方法、装置、设备及存储介质
CN114898766A (zh) * 2022-07-12 2022-08-12 四川高速公路建设开发集团有限公司 基于gan网络的分布式光纤语音增强方法及隧道救援系统
CN116380140B (zh) * 2023-06-07 2023-11-03 山东省科学院激光研究所 基于均值滤波技术的分布式声波传感系统及其测量方法
CN116399379B (zh) * 2023-06-07 2023-11-03 山东省科学院激光研究所 分布式光纤声波传感系统及其测量方法
CN117421644B (zh) * 2023-12-19 2024-05-31 商飞智能技术有限公司 无线设备入侵检测方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103411660A (zh) * 2013-08-29 2013-11-27 山东省科学院激光研究所 光纤分布式声波监测系统
CN106225907A (zh) * 2016-06-28 2016-12-14 浙江大学 一种基于φ‑otdr技术的光纤振动识别系统及方法
CN107831528A (zh) * 2017-09-28 2018-03-23 光子瑞利科技（北京）有限公司 基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130113629A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-09 Schlumberger Technology Corporation Phase sensitive coherent otdr with multi-frequency interrogation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103411660A (zh) * 2013-08-29 2013-11-27 山东省科学院激光研究所 光纤分布式声波监测系统
CN106225907A (zh) * 2016-06-28 2016-12-14 浙江大学 一种基于φ‑otdr技术的光纤振动识别系统及方法
CN107831528A (zh) * 2017-09-28 2018-03-23 光子瑞利科技（北京）有限公司 基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Φ-OTDR型分布式光纤声波传感器研究进展;马皓钰 等;《激光与光电子学》;20200731;第57卷(第13期);正文第2页右栏、第3页，图1、图4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112033522A (zh) 2020-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112033522B (zh) 一种分布式光纤传感器的声音信号检测方法
CN102360519B (zh) 一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法
CN113447110B (zh) 一种分布式光纤振动传感系统及其相位载波解调方法
CN103196465A (zh) 一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法
KR101526688B1 (ko) 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법
CN110207804B (zh) 一种基于单模光纤分布式声学传感的离散化处理方法
CN109084905A (zh) 相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法
CN105157874A (zh) 一种分布式边界安防监测系统及方法
Liang et al. Combination of phase-sensitive OTDR and michelson interferometer for nuisance alarm rate reducing and event identification
CN110702149A (zh) 光纤分布式扰动传感系统扰动信号的定位方法和系统
CN111598039A (zh) 用于石油管道监控的异常声音监测方法及监测装置
CN108288999A (zh) 基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听的应用
US12072244B2 (en) Joint wavelet denoising for distributed temperature sensing
CN112833929A (zh) 基于本地光移频的外差型φ-otdr技术的扰动监测系统
CN108240557A (zh) 天然气传输管道泄漏检测系统
CN115165071A (zh) 一种基于机器学习与相位分段差分实现振动精确定位的方法和系统
CN104346528A (zh) 一种基于波形特征统计的有效振动数据截取方法
CN103727969A (zh) 基于延时脉冲拉曼放大分布式传感系统
CN116973043A (zh) 基于分布式光纤的管道智能监测预警方法及系统
CN105553619B (zh) 基于调制识别辅助的突发信号检测方法
Wang et al. Distributed acoustic sensor based on improved minimum control recursive average algorithm
CN103956013A (zh) 一种风雨扰动信号实时判定方法
CN216899218U (zh) 一种超长距离分布式声波传感系统
CN105843779A (zh) 一种面向potdr背向散射光信号的实时去噪方法
CN113790860B (zh) 一种地下有限空间燃气设备甲烷泄漏探测方法和装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant