CN114577243A - 提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，包括：对信号x1(t)和x2(t)合并，产生降采样后的时域信号x(t)，并对其进行分割处理；消除分割处理后的时域信号x(t)的振铃效应及边缘毛刺，设置剔除阈值参数kdelete，对时间间隔ΔT内xi(t)'的N个采样点在不同离散数组xi(t)'首端顺序剔除kdelete·N个采样点，在xi(t)'末端逆序剔除kdelete·N个采样点，将xi(t)'剩余的采样点数记为n0，处理后的信号xi(t)'记为xi(t)，并进行曲线平滑处理；对平滑后的采样信号Xi'(t)做单次线性插值，从采样信号Xi'(t)首端向末端遍历，通过线性插值得到插值后的采样信号Xi(t)，提取特征脉冲与特征噪声，设置动态阈值Tp对信号中有效脉冲成分进行提取；根据曲线特征参数Fi与状态判断参数Ki判断当前系统状态变化趋势；若当前脉冲发生频率fg在限制频率范围[fdown,fup]内，调节脉冲发生频率fg。

Description

提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法
技术领域
本发明涉及信号调理领域，尤其涉及一种提高光纤安全状态的
Figure BDA0003522744570000011
(相敏光时域反射仪)脉冲发生频率调节方法。
背景技术
近年来分布式光纤传感技术广泛运用于振动传感、入侵预警、管道断丝检测等领域，其中
Figure BDA0003522744570000012
成为具有代表性的技术手段之一。激光器输出窄线宽连续光，经脉冲调制器作用后转换为窄线宽光脉冲，光脉冲在信号作用点与光缆作用产生后向瑞利散射光，从而在输出端形成瑞利散射曲线，同时输出端时域曲线也是重要的信号承载方式。瑞利散射曲线、时域响应曲线共同构成了
Figure BDA0003522744570000013
的信号呈现方式。
当光缆沿线存在异常事件时，时域曲线上表现为相应的脉冲信号，脉冲的幅值与时间跨度共同反映了事件的物理特征。光脉冲的扫描频率则极大地影响了
Figure BDA0003522744570000014
的测量灵敏度与测量分辨力。目前的
Figure BDA0003522744570000015
通常以固定频率光脉冲作为测量光，若脉冲输出频率过高，在光线沿线无异常事件时则会加大无效功耗，同时产生的数据也大大浪费了存储空间；若频率过低，在异常事件存在时则造成测量分辨力不足，甚至会产生严重的经济损失与安全隐患。
发明内容
本发明提供了一种提高光纤安全状态的
Figure BDA0003522744570000016
脉冲发生频率调节方法，本发明对输出端采集信号做前端预处理，根据数学模型评估光纤所在环境的安全状态，根据评估结果动态调节系统脉冲发生频率，确保危险事件发生时产生足够高的脉冲频率以保证测量分辨力，降低了光纤所在环境安全状态下的无效功耗，详见下文描述：
一种提高光纤安全状态的
Figure BDA0003522744570000017
脉冲发生频率调节方法，所述方法包括：
1)自采集信号始端向末端遍历原始信号x0(t)，每隔k个点取一个采样点共同组成x1(t)；同时以k个采样点为移动间隔，在k个采样点内随机选取一个采样点共同组成x2(t)；
2)对信号x1(t)和x2(t)合并，产生降采样后的时域信号x(t)，并对其进行分割处理；
3)消除分割处理后的时域信号x(t)的振铃效应及边缘毛刺，设置剔除阈值参数kdelete，对时间间隔ΔT内xi(t)'的N个采样点在不同离散数组xi(t)'首端顺序剔除kdelete·N个采样点，在xi(t)'末端逆序剔除kdelete·N个采样点，将xi(t)'剩余的采样点数记为n0，处理后的信号xi(t)'记为xi(t)，并进行曲线平滑处理；
4)对平滑后的采样信号Xi'(t)做单次线性插值，从采样信号Xi'(t)首端向末端遍历，通过线性插值得到插值后的采样信号Xi(t)；
5)对曲线Xi(t)重复执行步骤3)一次，对数据预处理后的信号Xi(t)提取特征脉冲与特征噪声，设置动态阈值Tp对信号中有效脉冲成分进行提取；
6)根据曲线特征参数Fi与状态判断参数Ki判断当前系统状态变化趋势；若当前脉冲发生频率fg在限制频率范围[fdown,fup]内，调节脉冲发生频率fg。
其中，所述对信号x1(t)和x2(t)合并具体为：
Figure BDA0003522744570000021
式中，xi(t)表示合并后降采样信号x(t)的第i个采样点，x1i(t)、x2i(t)表示降采样信号的第i个采样点。
进一步地，所述进行曲线平滑处理为：
设置加权平滑算子
Figure BDA0003522744570000022
平滑算子中元素取值的计算式为
Figure BDA0003522744570000023
σ为(0,1)的实数。
其中，所述动态阈值Tp为：
Figure BDA0003522744570000024
对Xij上所有幅值超过Tp的采样点计算其均方根作为特征脉冲的典型值Xpulse；设置动态阈值Ts对信号中特征噪声进行提取，Ts的计算公式为：
Figure BDA0003522744570000025
其中，对所有幅值低于Ts的采样点计算其均值作为非特征信号典型值Xs。
进一步地，
所述曲线特征参数Fi的计算公式为：
Fi＝Xpulse/Xs
所述状态判断参数Ki的计算公式为：
Figure BDA0003522744570000031
其中，Fi-1、Fi-2、Fi-3分别为当前脉冲频率调节周期前ΔT、2ΔT、3ΔT个时间周期的曲线特征参数，用以判断光纤安全状态的变化趋势。
其中，所述调节脉冲发生频率fg为：
根据初始化的脉冲上限频率fup与下限频率fdown设置动态调频步长fstep，fstep的计算公式为
Figure BDA0003522744570000032
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明对输出端的采集信号做前端预处理，通过数据处理算法，充分利用采集信号对光纤所在环境的安全状态进行评估，并基于此对脉冲发生频率进行实时的动态调节，避免了光纤沿线入侵、管道断丝等危险状态下脉冲发生频率不足导致测量分辨力不足的问题；
2、本发明避免了光纤沿线安全状态下过高脉冲发生频率导致的功耗与存储空间占用过大的问题，实现了功耗与存储空间的动态调节。
附图说明
图1为信号初始化的流程图；
图2为脉冲输出频率动态调节的流程图；
图3为曲线平滑算子作用示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种提高光纤安全状态的
Figure BDA0003522744570000033
脉冲发生频率调节方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
101：自采集信号始端向末端遍历原始信号x0(t)，每隔k个点取一个采样点共同组成x1(t)；同时以k个采样点为移动间隔，在k个采样点内随机选取一个采样点共同组成x2(t)；
102：对信号x1(t)和x2(t)合并，产生降采样后的时域信号x(t)，并对其进行分割处理；
103：消除分割处理后的时域信号x(t)的振铃效应及边缘毛刺，设置剔除阈值参数kdelete，对时间间隔ΔT内xi(t)'的N个采样点在不同离散数组xi(t)'首端顺序剔除kdelete·N个采样点，在xi(t)'末端逆序剔除kdelete·N个采样点，将xi(t)'剩余的采样点数记为n0，处理后的信号xi(t)'记为xi(t)，并进行曲线平滑处理；
104：对平滑后的采样信号Xi'(t)做单次线性插值，从采样信号Xi'(t)首端向末端遍历，通过线性插值得到插值后的采样信号Xi(t)；
105：对曲线Xi(t)重复执行步骤103一次，对数据预处理后的信号Xi(t)提取特征脉冲与特征噪声，设置动态阈值Tp对信号中有效脉冲成分进行提取；
106：根据曲线特征参数Fi与状态判断参数Ki判断当前系统状态变化趋势；若当前脉冲发生频率fg在限制频率范围[fdown,fup]内，调节脉冲发生频率fg。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-106实现了对输出端的采集信号做前端预处理，通过数据处理算法，充分利用采集信号对光纤所在环境的安全状态进行评估，并基于此对脉冲发生频率进行实时的动态调节，避免了光纤沿线入侵、管道断丝等危险状态下脉冲发生频率不足导致测量分辨力不足的问题。
实施例2
下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
步骤201：对
Figure BDA0003522744570000041
系统进行参数初始化；
其中，该初始化的操作包括：设置信号采样频率fs，降采样频率阈值Tf_down，脉冲调制器输出频率fg、上限输出频率fup与下限输出频率fdown，上述参数的具体取值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。
步骤202：判断信号采样频率fs是否大于降采样频率阈值Tf_down，即fs＞Tf_down，如果是，执行步骤203，需要对原始采集信号做降采样处理；如果否，则fs≤Tf_down，执行步骤206；
步骤203：设置降采样系数k，开始第一次降采样，自采集信号始端向末端遍历原始信号x0(t)，每隔k个点取一个采样点共同组成x1(t)；
其中，采样系数k的取值通常选择10的整数倍，x1(t)为第一次降采样所得信号。
步骤204：根据步骤203中的降采样系数k，自采集信号始端向末端遍历原始信号x0(t)，以k个采样点为移动间隔，在k个采样点内随机选取一个采样点共同组成x2(t)；
其中，该步骤204作为对原始采集信号的第二次降采样，x2(t)为第二次降采样所得信号。
步骤205：对步骤203与步骤204中的两路信号合并，产生降采样后的时域信号x(t)；
其中，合并方式为对两路信号逐点求均值，即
Figure BDA0003522744570000051
式中xi(t)表示合并后降采样信号x(t)的第i个采样点，x1i(t)表示步骤203中所得降采样信号x1(t)的第i个采样点，x2i(t)表示步骤204中所得降采样信号x2(t)的第i个采样点。在同一数据处理周期内，所述x(t)、x1(t)、x2(t)应具有相同的采样点数。
步骤206：分割时域信号x(t)；
其中，设置分割时间间隔ΔT，将时域信号x(t)分割成时间跨度为ΔT的不同离散数组{xi(t)'}，获取分割后时域信号在时间间隔ΔT内的总采样点数N。
步骤207：消除步骤206中时域信号x(t)的振铃效应及边缘毛刺，设置剔除阈值参数kdelete，对时间间隔ΔT内xi(t)'的N个采样点在不同离散数组xi(t)'首端顺序剔除kdelete·N个采样点，在xi(t)'末端逆序剔除kdelete·N个采样点，共剔除kdelete·2N个采样点，将xi(t)'剩余的采样点数记为n0，处理后的信号xi(t)'记为xi(t)；
其中，n0＝N-kdelete·2N＝(1-2kdelete)N。
步骤208：曲线平滑处理；
设置加权平滑算子
Figure BDA0003522744570000052
平滑算子中元素取值的计算式为
Figure BDA0003522744570000053
σ为(0,1)的实数，由使用人员选择，本实例中选取σ的取值为0.85，平滑算子为
Figure BDA0003522744570000054
以σ算子的中心点σ0,0从步骤207中xi(t)的首端第5个采样点xi5(t)向末端移动平滑算子至
Figure BDA0003522744570000055
xij(t)表示xi(t)上第j个采样点，j∈[1,n0]。参见图3，平滑后平滑算子的模板中心σ0,0对应采样点xij(t)的平滑后信号幅值为
Figure BDA0003522744570000061
遍历整条曲线，得到平滑后的采样信号Xi'(t)。
步骤209：对步骤208中平滑后的采样信号Xi'(t)做单次线性插值，从采样信号Xi'(t)首端向末端遍历，通过线性插值得到插值后的采样信号Xi(t)；
其中，插值公式为Xij(t)＝(Xij-1'(t)+Xij+1'(t))/2，插值后信号的采样点数为n＝2n0-1。
步骤210：对步骤209中曲线Xi(t)重复执行步骤208一次，至此，数据预处理环节完成，执行步骤211；
步骤211：对数据预处理后的信号Xi(t)提取特征脉冲与特征噪声，设置动态阈值Tp对信号中有效脉冲成分进行提取；
其中，记待处理信号的最大幅值为Xmax，信号的最小非零幅值为Xmin，动态阈值Tp的计算公式为：
Figure BDA0003522744570000062
对Xij上所有幅值超过Tp的采样点计算其均方根作为特征脉冲的典型值Xpulse；设置动态阈值Ts对信号中特征噪声进行提取，Ts的计算公式为：
Figure BDA0003522744570000063
其中，对所有幅值低于Ts的采样点计算其均值作为非特征信号典型值Xs。
步骤212：计算曲线特征参数Fi与状态判断参数Ki表征当前状态，特征参数计算公式为Fi＝Xpulse/Xs，同时选取当前时间点前三个时间周期3ΔT内的信号计算其Fi-3、Fi-2、Fi-1，状态判断参数计算公式为
Figure BDA0003522744570000064
步骤213：根据步骤212中曲线特征参数Fi与状态判断参数Ki判断当前系统状态变化趋势；
其中，当前时间点特征参数
Figure BDA0003522744570000065
的变化满足量ω＞30％时，可认为光纤沿线状态趋于非稳态，即光纤沿线有入侵、管道断丝等危险事件发生，应提高脉冲发生频率fg，执行步骤214；当变化量ω∈[-30％,30％]时，可认为光纤沿线状态趋于稳定，即光线沿线处于安全状态，无危险事件存在，此时应保持脉冲发生频率fg不变，重复执行步骤201～步骤213；当变化量ω＜-30％时，可认为光纤沿线状态趋于静态，即光线沿线危险事件已消失，趋于安全状态，应减小脉冲发生频率fg，执行步骤214。
步骤214：判断当前脉冲发生频率fg是否在限制频率范围[fdown,fup]内，如果是，则执行步骤215；反之，则返回执行步骤201；
步骤215：调节脉冲发生频率fg；
根据初始化的脉冲上限频率fup与下限频率fdown设置动态调频步长fstep。fstep的计算公式为
Figure BDA0003522744570000071
判断ω的正负值，若ω＞0，则在一个频率调节周期内fg＝fg+fstep；若ω≤0，则在一个调节周期内fg＝fg-fstep。调节后的脉冲频率fg应低于上限频率fup且高于下限频率fdown。
步骤216：返回步骤201，从而实现脉冲输出频率调节功能。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-216实现了对脉冲输出频率的调节，在光纤沿线受到入侵或存在危险事件时，系统保证足够高的脉冲发生频率，以保障足够的测量分辨力；在光纤沿线处于安全状态时，系统保持较低的脉冲发生频率，在实现持续性动态监测的同时缓解了存储空间占用，降低了无效功耗。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，其特征在于，所述方法包括：
1)自采集信号始端向末端遍历原始信号x0(t)，每隔k个点取一个采样点共同组成x1(t)；同时以k个采样点为移动间隔，在k个采样点内随机选取一个采样点共同组成x2(t)；
2)对信号x1(t)和x2(t)合并，产生降采样后的时域信号x(t)，并对其进行分割处理；
3)消除分割处理后的时域信号x(t)的振铃效应及边缘毛刺，设置剔除阈值参数kdelete，对时间间隔ΔT内xi(t)'的N个采样点在不同离散数组xi(t)'首端顺序剔除kdelete·N个采样点，在xi(t)'末端逆序剔除kdelete·N个采样点，将xi(t)'剩余的采样点数记为n0，处理后的信号xi(t)'记为xi(t)，并进行曲线平滑处理；
4)对平滑后的采样信号Xi'(t)做单次线性插值，从采样信号Xi'(t)首端向末端遍历，通过线性插值得到插值后的采样信号Xi(t)；
5)对曲线Xi(t)重复执行步骤3)一次，对数据预处理后的信号Xi(t)提取特征脉冲与特征噪声，设置动态阈值Tp对信号中有效脉冲成分进行提取；
6)根据曲线特征参数Fi与状态判断参数Ki判断当前系统状态变化趋势；若当前脉冲发生频率fg在限制频率范围[fdown,fup]内，调节脉冲发生频率fg。
2.根据权利要求1所述的一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，其特征在于，所述对信号x1(t)和x2(t)合并具体为：
Figure FDA0003522744560000011
式中，xi(t)表示合并后降采样信号x(t)的第i个采样点，x1i(t)、x2i(t)表示降采样信号的第i个采样点。
3.根据权利要求1所述的一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，其特征在于，所述进行曲线平滑处理为：
设置加权平滑算子
Figure FDA0003522744560000012
平滑算子中元素取值的计算式为
Figure FDA0003522744560000013
σ为(0,1)的实数。
4.根据权利要求1所述的一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，其特征在于，所述动态阈值Tp为：
Figure FDA0003522744560000021
对Xij上所有幅值超过Tp的采样点计算其均方根作为特征脉冲的典型值Xpulse；设置动态阈值Ts对信号中特征噪声进行提取，Ts的计算公式为：
Figure FDA0003522744560000022
其中，对所有幅值低于Ts的采样点计算其均值作为非特征信号典型值Xs。
5.根据权利要求4所述的一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，其特征在于，
所述曲线特征参数Fi的计算公式为：
Fi＝Xpulse/Xs
所述状态判断参数Ki的计算公式为：
Figure FDA0003522744560000023
其中，Fi-1、Fi-2、Fi-3分别为当前脉冲频率调节周期前ΔT、2ΔT、3ΔT个时间周期的曲线特征参数，用以判断光纤安全状态的变化趋势。
6.根据权利要求1所述的一种提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法，其特征在于，所述调节脉冲发生频率fg为：
根据初始化的脉冲上限频率fup与下限频率fdown设置动态调频步长fstep，fstep的计算公式为
Figure FDA0003522744560000024
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