CN114046867A - 基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法 - Google Patents

基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法 Download PDF

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CN114046867A CN202111302151.9A CN202111302151A CN114046867A CN 114046867 A CN114046867 A CN 114046867A CN 202111302151 A CN202111302151 A CN 202111302151A CN 114046867 A CN114046867 A CN 114046867A
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Abstract

本发明公开了基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法，其涉及振动源横向距离测算技术领域，旨在解决整体代入相同的数值导致整体测算的过程中容易出现较大的误差等问题，其技术方案要点是数据采样，在光缆沿线划分多个样本采集的区段，需涵盖整个光缆探测范围，数据处理，对每组重锤激励振动信号样本进行处理，计算数值，单点多次取样计算，对于在同一区段采集的所有重锤激励振动信号样本，多点多次取样，对于光缆沿线每个区段，重复S2‑S4，即可得到光缆沿线各个区段的振动波速分布信息，对整体振动波速信息进行计算。达到了多点振动波速测算和增加预警的效果。

Description

基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法
技术领域
本发明涉及振动源横向距离测算技术领域，尤其是涉及基于分布 式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法。
背景技术
油气管道是国家的能源动脉，第三方施工导致的意外事故是造成 我国油气管道事故的主要原因，分布式光纤传感技术使用与油气管道 同沟敷设的通信光缆作为振动传感与信号传输元件，具有长距离、实 时性、耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧等优点，已经在油气管道安全监测 领域得到了成功应用，因此，对发生于离管道较近位置具有破坏性的 外界激励有效报警，同时减少对离管道位置较远的非破坏性激励振动 的报警率，是提升系统运行效果的关键。
如专利号为CN 201410207149.7公布的一种分布式光纤振动传感 系统的侧向定位方法，通过振动波到达光纤不同位置的时延差，以及 振动信号在土壤中的传播速度，来推算激励源距离光纤的距离，能够 准确的测量出振动源距离光纤的侧向距离，并且仅利用现有分布光纤 传感振动系统便可实现，方便整体进行定位。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：整体没有提供获取振动波 速信息的方法，且土壤中的振动波速受土质影响，在不同位置不宜采 用统一的波速数值，同时整体代入相同的数值导致整体测算的过程中 容易出现较大的误差，从而导致整体不能得出准确的数值，降低了整 体的测算效果。
发明内容
本发明的目的是提供不需依赖于额外的波速测量仪器，得到当地 的土壤中振动波速值的基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向 距离估测方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法，其步 骤如下：
S1：数据采样，在光缆沿线划分多个样本采集的区段，需涵盖整 个光缆探测范围，且在样本采集的每个区段中采集在光缆的正上方多 组重锤激励振动信号样本，每个样本包含一次激励信号，同时记录这 个位置对应的光缆埋深H；
S2：数据处理，对每组重锤激励振动信号样本进行处理，对一段 连续空间内振动波到达各个位置的时间点进行定位，并确定离振源最 近的位置
A1：设置信号激励阈值Th；
A2：对于每个位置的时序信号(记共有n个位置)，找到各自第 一个超过激励阈值Th的时间点，同时对应该位置信息，存储为数组 {[d1,t1],[d2,t2],[d3,t3],…,[dn,tn]}；
A3：查找[t1,t2,t3,…,tn]中的最小值，记为tcen，其对应的位置，记 为dcen，即激励最先到达的位置，[dcen,tcen]即离振源最近的光纤位置， 振动波到达的时间点；
S3：计算数值，根据振动波时延差模型H2+Δd2＝(H+v·Δt)2，则 有
Figure BDA0003338822010000031
将{[d1,t1],[d2,t2],[d3,t3],…,[dn,tn]}中的每个元素，分 别与[dcen,tcen]做差后取绝对值，则得到多组[Δd,Δt]，将其分别代入公 式
Figure BDA0003338822010000032
计算，得到多个v的估值，再进行筛选去掉超过理 论范围的数值；
S4：单点多次取样计算，对于在同一区段采集的所有重锤激励振 动信号样本，重复S2，继续得到多个v的估值，对于由同一区段采集 的所有重锤激励振动信号样本，计算得到的所有v的数值，进行加权 平均，即得到这个区段最终的振动波速估值；
S5：多点多次取样，对于光缆沿线每个区段，重复S2-S4，即可 得到光缆沿线各个区段的振动波速分布信息，存储光缆沿线各个区段 的振动波速分布记录，对于每个区段，当外界冲击激励发生时，得到 多组[Δd,Δt]，将其对应的振动波速v代入振动源横向距离计算
Figure BDA0003338822010000033
将所得结果取均值，即为振动源横向距离估测结果。
通过采用上述技术方案，通过对光纤振动信号的采集分析，结合 已有各个位置的光缆埋深信息，得到当地的土壤中振动波速估值，再 将振动波速估值代入振动源横向距离计算。
进一步的，所述S1中采集区段的光缆埋深H为2.3m。
通过采用上述技术方案，对采集区段的光缆埋深数据进行记录， 从而方便整体将数值代入公式中进行计算，以便于整体对土壤中振动 波速值进行计算。
进一步地，所述S1中共采集了八组重锤激励数据样本。
通过采用上述技术方案，八组重锤激励数据样本方便整体进行计 算，同时方便整体进行对比计算，降低整体计算过程中产生的误差， 增加了整体计算的精准性。
进一步地，所述A1中激励阈值Th为1.5×107。
通过采用上述技术方案，设定激励阈值，保证整体对激励数据进 行充分的对比计算，保证整体良好的计算效果。
进一步地，所述A2中时序信号设置有18组。
通过采用上述技术方案，时序信号方便整体在不同的时间点进行 信息的提取，从而方便整体对不同数值进行计算，保证整体计算的精 准性。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1、采用了分析光纤振动传感系统所采集的信号样本，不依赖于 额外的波速测量仪器，结合已有各个位置的光缆埋深信息，获得各监 测区段的土壤中振动波速信息，产生多点振动波速测算的效果；
2、采用了各监测区段土壤中振动波速信息，用于代入激励源距 离光纤横向距离计算，用以优化油气管道安全监测的预警效果，产生 增加预警的效果。
附图说明
图1为本发明振动波时延差模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。
参照图1，基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测 方法，其步骤如下：
采集区段的光缆埋深H为2.3m，共采集了8组重锤激励数据样 本。
对于其中1组重锤激励振动信号样本：对一段连续空间内振动波 到达各个位置的时间点进行定位，并确定离振源最近的位置，具体步 骤：
a)设置信号激励阈值Th为1.5×107；
b)对于每个位置的时序信号(共有18个位置，n＝18)，找到各自第 一个超过激励阈值Th的时间点，同时对应该位置信息，存储为数组 {[d1,t1],[d2,t2],[d3,t3],…,[dn,tn]}；
c)查找[t1,t2,t3,…,tn]中的最小值，记为tcen，其对应的位置，记为dcen， 即激励最先到达的位置，[dcen,tcen]即离振源最近的光纤位置，振动波 到达的时间点；
对各个位置的激励时间点定位，其中，中心定位[dcen,tcen]由三角 符号▽标记出，
其中一个位置的时序信号激励时间点定位
根据振动波时延差模型H2+Δd2＝(H+v·Δt)2，则有
Figure BDA0003338822010000051
将{[d1,t1],[d2,t2],[d3,t3],…,[dn,tn]}中的每个元素，分别 与[dcen,tcen]做差后取绝对值，则得到多组[Δd,Δt]，将其分别代入公式
Figure BDA0003338822010000052
计算，得到多个v的估值，再进行筛选去掉超过理论 范围的数值。
对于其余所有重锤激励振动信号样本，重复步骤3和步骤4，继 续得到多个v的估值。由于土壤中振动波的主要成分为瑞利波，因此， 设置其理论范围为[100,290]m/s，将不在此范围内的v的估值删除。
对由同一区段采集的所有重锤激励振动信号样本计算得到的所 有v的数值，进行加权平均，即得到这个区段最终的振动波速估值。
本次所得v的估值，数据占比和均值统计如下表：
波速估值数据占比和均值统计
区间 数据占比 均值
[140,150) 5.3％ 144.4
[150,160) 10.5％ 157.1
[160,170) 10.5％ 165.2
[170,180) 12.6％ 175.1
[180,190) 9.5％ 185.5
[190,200) 6.3％ 194.8
[200,210) 10.5％ 204.7
[210,220) 10.5％ 214.5
[220,230) 8.4％ 225.0
[230,240) 4.2％ 233.4
[240,250) 6.3％ 243.7
[250,260) 5.3％ 256.5
对上表中的数据进行加权平均，得到该处土壤中振动波速估值为 195.3m/s。
在这个区段，距离光纤横向50米、40米、30米、20米、10米 的位置依次进行机械挖掘激励，每次激励得到多组[Δd,Δt]，将此处振 动波速195.3m/s代入振动源横向距离计算
Figure BDA0003338822010000061
将所得 结果取均值，即为振动源横向距离估测结果。在5个位置的振动源横 向距离估测结果如下表所示：
Figure BDA0003338822010000071
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限 制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等 效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法，其特征在于：其步骤如下：
S1：数据采样，在光缆沿线划分多个样本采集的区段，需涵盖整个光缆探测范围，且在样本采集的每个区段中采集在光缆的正上方多组重锤激励振动信号样本，每个样本包含一次激励信号，同时记录这个位置对应的光缆埋深H；
S2：数据处理，对每组重锤激励振动信号样本进行处理，对一段连续空间内振动波到达各个位置的时间点进行定位，并确定离振源最近的位置
A1：设置信号激励阈值
Figure 309629DEST_PATH_IMAGE001
；
A2：对于每个位置的时序信号（记共有n个位置），找到各自第一个超过激励阈值
Figure 799517DEST_PATH_IMAGE001
的时 间点，同时对应该位置信息，存储为数组
Figure 392172DEST_PATH_IMAGE002
；
A3：查找
Figure 66736DEST_PATH_IMAGE003
中的最小值，记为
Figure 10421DEST_PATH_IMAGE004
，其对应的位置，记为
Figure 303999DEST_PATH_IMAGE005
，即激励最先到达 的位置，
Figure 892106DEST_PATH_IMAGE006
即离振源最近的光纤位置，振动波到达的时间点；
S3：计算数值，根据振动波时延差模型
Figure 347359DEST_PATH_IMAGE007
，则有
Figure 902974DEST_PATH_IMAGE008
，将
Figure 734663DEST_PATH_IMAGE002
中的每个元素，分别与
Figure 567490DEST_PATH_IMAGE006
做差后取绝对值，则得 到多组
Figure 69010DEST_PATH_IMAGE009
，将其分别代入公式
Figure 987287DEST_PATH_IMAGE010
计算，得到多个
Figure 622668DEST_PATH_IMAGE011
的估值，再进行筛 选去掉超过理论范围的数值；
S4：单点多次取样计算，对于在同一区段采集的所有重锤激励振动信号样本，重复S2， 继续得到多个
Figure 169056DEST_PATH_IMAGE012
的估值，对于由同一区段采集的所有重锤激励振动信号样本，计算得到的 所有
Figure 231690DEST_PATH_IMAGE012
的数值，进行加权平均，即得到这个区段最终的振动波速估值；
S5：多点多次取样，对于光缆沿线每个区段，重复S2-S4，即可得到光缆沿线各个区段的 振动波速分布信息，存储光缆沿线各个区段的振动波速分布记录，对于每个区段，当外界冲 击激励发生时，得到多组
Figure 247050DEST_PATH_IMAGE009
，将其对应的振动波速
Figure 951701DEST_PATH_IMAGE012
代入振动源横向距离计算
Figure 227962DEST_PATH_IMAGE013
，将所得结果取均值，即为振动源横向距离估测结果。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法，其特征在于：所述S1中采集区段的光缆埋深H为2.3m。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法，其特征在于：所述S1中共采集了八组重锤激励数据样本。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法， 其特征在于：所述A1中激励阈值
Figure 586131DEST_PATH_IMAGE001
为1.5×107。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤振动传感系统的振动源横向距离估测方法，其特征在于：所述A2中时序信号设置有18组。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116577418A (zh) * 2023-07-14 2023-08-11 山东省科学院激光研究所 一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法
WO2024055345A1 (zh) * 2022-09-13 2024-03-21 武汉理工光科股份有限公司 基于分布式光纤的激励源运动状态分析方法、系统和设备

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