CN115471967A - 周界安防振动光纤异常状态实时监测方法和系统 - Google Patents

周界安防振动光纤异常状态实时监测方法和系统 Download PDF

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CN115471967A CN202210922958.0A CN202210922958A CN115471967A CN 115471967 A CN115471967 A CN 115471967A CN 202210922958 A CN202210922958 A CN 202210922958A CN 115471967 A CN115471967 A CN 115471967A
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侯泽宇
彭肃家
周航
王静
王晓东
曹德华
徐琪
李双
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Abstract

本发明提供了一种周界安防振动光纤异常状态实时监测方法和系统，包括：步骤1：将振动光纤接入探测器，得到瑞利散射光强度随位置变化的曲线；步骤2：计算每个位置点瑞利散射值的平均值，并作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值；步骤3：对瑞利散射值取对数；步骤4：用一条直线对瑞利散射曲线进行拟合，作为参考直线；步骤5：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，对比拟合直线和参考直线，判断振动光缆发生微弯现象的位置；步骤6：对比拟合直线与参考直线间的差值平均，判断光路是否发生全域衰减现象，并进行对应处理操作。本发明实现了设备在完成周界防护功能的同时对整个系统的实际工程运用及现场工程项目维护带来极大的便利。

Description

周界安防振动光纤异常状态实时监测方法和系统
技术领域
本发明涉及光纤振动传感技术领域，具体地，涉及一种周界安防振动光纤异常状态实时监测方法和系统。
背景技术
分布式振动光纤周界报警系统具有定位精度高、作用范围大、响应速度快、稳定性安全系数大等特点，在实际工程应用中，由于周界入侵线性告警设备需要长时间运行，设备在运行过程中可能发生各类问题，尤其对于国境线等大型基础设施的周界进行安防监测，通常此类场景的地域空间大、环境复杂，对安防系统的监测范围和可靠性等提出了更高的要求，但是当前的方法无法适用于判定振动光纤光路异常衰减及光路微弯位置点，当系统在工程运用当中遭遇到难以预料的原因导致整个光路或部分光路发生信号衰减时，将对后期信号处理产生极大影响，若此时在线性周界范围内发生了入侵事件，将导致系统发生漏报。因此如何在超长距离上，实时、远程、自动监测光缆的状态，保证系统的正常运行是本系统的一大关键。
专利文献CN111577386A(申请号：CN202010531743.7)公开了一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，属于领域，其包括对应隧道防护门设置的光纤探头、输出光纤、光纤主线、信号处理部件、语音判断数据库，利用各部件的匹配工作，可以实时反馈隧道防护门设置后的振动情况，并判断隧道防护门实时处于的状态，实现隧道防护门的实时监测。
基于光时域反射技术，通过监测光纤应变后光纤中传播的光脉冲产生的散射光信号变化，实现探测光纤形变位置，然而单纯将此设备接入整个振动光纤探测系统必将增加系统整体运行成本。为了充分利用本系统现有的设备特性，系统通过监测振动光纤应变后光纤中传播的光脉冲产生的散射光信号变化，实现探测光纤形变位置。充分利用振动传感光纤实时监测光纤中各位置点光信号的散射量变化，通过一系列信号处理算法实现对光纤损耗较大的位置点及整个光路衰减情况的判定，从而可以实现实时地长时间、大区域的光纤异常监测功能。当探测到光缆异常时，向系统发送光路异常信息，提示维护人员进行维护，同时快速切换备用通道，保证系统的不间断工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种周界安防振动光纤异常状态实时监测方法和系统。
根据本发明提供的周界安防振动光纤异常状态实时监测方法，包括：
步骤1：将振动光纤接入探测器，得到瑞利散射光强度随位置变化的曲线；
步骤2：选取每个位置点瑞利散射值将其和前后相邻预设个数位置点的瑞利散射值求平均，并将得到的平均值作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值；
步骤3：对平滑处理后的曲线在每个位置点对瑞利散射值取对数；
步骤4：对探测器通电后得到的瑞利散射曲线用一条直线进行拟合，并将得到的这条直线作为参考直线；
步骤5：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，对比拟合直线和参考直线，判断振动光缆发生微弯现象的位置，并确定最终的微弯位置点；
步骤6：对比拟合直线与参考直线间的差值平均，判断光路是否发生全域衰减现象，并进行对应处理操作。
优选的，以S1(n)为平滑后的曲线，n表示具体位置点，对瑞利散射值取对数，得到：S′1(n)＝log10(S1(n))。
优选的，直线拟合方式为最小二乘法拟合，具体过程如下：
待拟合的直线方程表示为：S2(n)＝a*n+b，a与b为待求解的参数，根据实时数据(1，S2(1))，(2，S2(2))，(3，S2(3))，…(N，S2(N))，N表示实时位置点数，求直线方程a、b使得该直线最符合实验数据结果，及等价于问题：
Figure BDA0003778480370000021
记：sum＝∑[S2(n)-(a*n+b)]2，对a、b求导：
Figure BDA0003778480370000022
Figure BDA0003778480370000023
从而解得：
Figure BDA0003778480370000024
Figure BDA0003778480370000031
由此即可求得待拟合直线的系数a和b的值。
优选的，将实时得到的拟合直线与参考直线进行比较，若实时拟合直线相比参考直线同水平方向的夹角增大，并且和参考直线之间的夹角大于预设阈值，则视为振动光缆发生了微弯现象；
实时遍历瑞利散射曲线，从任一位置点开始其后的所有位置点的瑞利散射值都小于参考直线上的值，则将该位置点进行提取，在提取位置点领域范围确定瑞利散射值下降最快的位置段，为最终的微弯位置点。
优选的，设定固定阈值，通过实时对比拟合直线与参考直线间的差值平均，若两直线间的差值平均大于固定阈值，则判断光路发生全域衰减现象，然后上报平台并进行相关现象的维护操作。
根据本发明提供的周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，包括：
模块M1：将振动光纤接入探测器，得到瑞利散射光强度随位置变化的曲线；
模块M2：选取每个位置点瑞利散射值将其和前后相邻预设个数位置点的瑞利散射值求平均，并将得到的平均值作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值；
模块M3：对平滑处理后的曲线在每个位置点对瑞利散射值取对数；
模块M4：对探测器通电后得到的瑞利散射曲线用一条直线进行拟合，并将得到的这条直线作为参考直线；
模块M5：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，对比拟合直线和参考直线，判断振动光缆发生微弯现象的位置，并确定最终的微弯位置点；
模块M6：对比拟合直线与参考直线间的差值平均，判断光路是否发生全域衰减现象，并进行对应处理操作。
优选的，以S1(n)为平滑后的曲线，n表示具体位置点，对瑞利散射值取对数，得到：S′1(n)＝log10(S1(n))。
优选的，直线拟合方式为最小二乘法拟合，具体过程如下：
待拟合的直线方程表示为：S2(n)＝a*n+b，a与b为待求解的参数，根据实时数据(1，S2(1))，(2，S2(2))，(3，S2(3))，…(N，S2(N))，N表示实时位置点数，求直线方程a、b使得该直线最符合实验数据结果，及等价于问题：
Figure BDA0003778480370000032
记：sum＝∑[S2(n)-(a*n+b)]2，对a、b求导：
Figure BDA0003778480370000041
Figure BDA0003778480370000042
从而解得：
Figure BDA0003778480370000043
Figure BDA0003778480370000044
由此即可求得待拟合直线的系数a和b的值。
优选的，将实时得到的拟合直线与参考直线进行比较，若实时拟合直线相比参考直线同水平方向的夹角增大，并且和参考直线之间的夹角大于预设阈值，则视为振动光缆发生了微弯现象；
实时遍历瑞利散射曲线，从任一位置点开始其后的所有位置点的瑞利散射值都小于参考直线上的值，则将该位置点进行提取，在提取位置点领域范围确定瑞利散射值下降最快的位置段，为最终的微弯位置点。
优选的，设定固定阈值，通过实时对比拟合直线与参考直线间的差值平均，若两直线间的差值平均大于固定阈值，则判断光路发生全域衰减现象，然后上报平台并进行相关现象的维护操作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)通过本发明中提供的振动光纤报警光路异常探测功能可完成对整个光路系统的正常检测，避免因光路异常导致的虚报现象；
(2)本发明可对光纤微弯现象及微弯位置点的实时监测将保证在光纤出现此种异常现象时及时派出现场维护人员到对应具体地点进行检查，并修复报警设备；
(3)本发明通过设计特定的信号处理算法判定光纤损耗较大的位置点及光路异常，实现了设备在完成周界防护功能的同时对整个系统的实际工程运用及现场工程项目维护带来极大的便利。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为整体光纤系统异常检测算法流程图；
图2为瑞利散射曲线图；
图3为发生微弯前平滑散射曲线及拟合直线图；图3a为平滑瑞利散射曲线图，图3b为多次平滑求取对数瑞利散射曲线及线性回归图；
图4为发生轻度微弯后曲线图；图4a为瑞利散射图，图4b为连续四帧单次平滑瑞利散射曲线图，图4c为多次平滑求取对数瑞利散射曲线及线性回归图；
图5为发生重度微弯后瑞曲线图；图5a为瑞利散射曲线图，图5b为连续四帧单次平滑瑞利散射曲线图，图5c为多次平滑求取对数瑞利散射曲线及线性回归图；
图6为正常情况下曲线图；图6a为正常情况下瑞利散射曲线图，图6b为多次平滑求取对数瑞利散射曲线及线性回归图；
图7为光路衰减异常情况下曲线图；图7a为整个光路发生信号衰减瑞利散射曲线图。图7b为整个光路发生信号衰减情况下瑞利散射曲线及线性回归图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本系统详细流程如图1所示，整个光纤异常探测系统算法包含以下步骤：
步骤1：将振动光纤接入探测器后，探测器接收到瑞利散射光强度随位置变化曲线，为了增加瑞利散射曲线的平滑性，需要对瑞利散射曲线进行平滑处理，选取每个位置点瑞利散射值将其和前后相邻M个位置点的瑞利散射值求平均，并将得到的平均值作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值，图2为瑞利散射曲线图，图3a显示了平滑后的瑞利散射曲线图；
步骤2：由于瑞利散射值随位置点变化近似呈指数关系变化，为了增加瑞利散射曲线的直线趋势便于后续处理，针对平滑处理后的曲线在每个位置点对瑞利散射值取对数，并对探测器通电后按照以上算法得到的初始瑞利散射曲线用一条直线进行拟合，并将得到的这条直线作为参考直线，以此为标准判断后续振动光纤的实时状态；
步骤3：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，并将实时得到的拟合直线和之前得到的参考直线进行比较。图3b为发生微弯前的拟合直线及实时拟合直线图，其中，黄线表示微弯发生前的正常曲线线性拟合的参考直线图，红线代表实时曲线拟合直线。如果，实时拟合直线和参考直线相比，同水平方向的夹角增大，并且和参考直线之间的夹角α大于某一定值β，则可以视为振动光缆发生了微弯现象，图4和图5分别为光纤在625 位置点处发生轻度及重度微弯的各曲线图；
步骤4：为了能确定微弯位置点，如果实时瑞利散射曲线中，从某一位置点开始其后的所有位置点的瑞利散射值都小于参考直线上的值，则将该位置点提取出来进行进一步的处理，在提取位置点领域范围确定瑞利散射值下降最快的位置段即为微弯位置点；
步骤5：为了避免因整个光路发生信号衰减导致整个系统发生漏报的现象，在此设定一固定阈值Th，通过实时对比平滑拟合直线初始参考直线间的差值平均，若回归曲线间的距离超过这一阈值则判断光路发生全域衰减现象，并上报平台，图6为正常情况下曲线图，图7为光路衰减异常情况下曲线图。
根据本发明提供的周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，包括：模块M1：将振动光纤接入探测器，得到瑞利散射光强度随位置变化的曲线；模块M2：选取每个位置点瑞利散射值将其和前后相邻预设个数位置点的瑞利散射值求平均，并将得到的平均值作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值；模块M3：对平滑处理后的曲线在每个位置点对瑞利散射值取对数；模块M4：对探测器通电后得到的瑞利散射曲线用一条直线进行拟合，并将得到的这条直线作为参考直线；模块M5：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，对比拟合直线和参考直线，判断振动光缆发生微弯现象的位置，并确定最终的微弯位置点；模块M6：对比拟合直线与参考直线间的差值平均，判断光路是否发生全域衰减现象，并进行对应处理操作。
以S1(n)为平滑后的曲线，n表示具体位置点，对瑞利散射值取对数，得到： S′1(n)＝log10(S1(n))。
直线拟合方式为最小二乘法拟合，具体过程如下：
待拟合的直线方程表示为：S2(n)＝a*n+b，a与b为待求解的参数，根据实时数据(1，S2(1))，(2，S2(2))，(3，S2(3))，…(N，S2(N))，N表示实时位置点数，求直线方程a、b使得该直线最符合实验数据结果，及等价于问题：
Figure BDA0003778480370000061
记：sum＝∑[S2(n)-(a*n+b)]2，对a、b求导：
Figure BDA0003778480370000062
Figure BDA0003778480370000071
从而解得：
Figure BDA0003778480370000072
由此即可求得待拟合直线的系数a和b的值。
将实时得到的拟合直线与参考直线进行比较，若实时拟合直线相比参考直线同水平方向的夹角增大，并且和参考直线之间的夹角大于预设阈值，则视为振动光缆发生了微弯现象；实时遍历瑞利散射曲线，从任一位置点开始其后的所有位置点的瑞利散射值都小于参考直线上的值，则将该位置点进行提取，在提取位置点领域范围确定瑞利散射值下降最快的位置段，为最终的微弯位置点。设定固定阈值，通过实时对比拟合直线与参考直线间的差值平均，若两直线间的差值平均大于固定阈值，则判断光路发生全域衰减现象，然后上报平台并进行相关现象的维护操作。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种周界安防振动光纤异常状态实时监测方法，其特征在于，包括：
步骤1：将振动光纤接入探测器，得到瑞利散射光强度随位置变化的曲线；
步骤2：选取每个位置点瑞利散射值将其和前后相邻预设个数位置点的瑞利散射值求平均，并将得到的平均值作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值；
步骤3：对平滑处理后的曲线在每个位置点对瑞利散射值取对数；
步骤4：对探测器通电后得到的瑞利散射曲线用一条直线进行拟合，并将得到的这条直线作为参考直线；
步骤5：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，对比拟合直线和参考直线，判断振动光缆发生微弯现象的位置，并确定最终的微弯位置点；
步骤6：对比拟合直线与参考直线间的差值平均，判断光路是否发生全域衰减现象，并进行对应处理操作。
2.根据权利要求1所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测方法，其特征在于，以S1(n)为平滑后的曲线，n表示具体位置点，对瑞利散射值取对数，得到：S′1(n)＝log10(S1(n))。
3.根据权利要求1所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测方法，其特征在于，直线拟合方式为最小二乘法拟合，具体过程如下：
待拟合的直线方程表示为：S2(n)＝a*n+b，a与b为待求解的参数，根据实时数据(1，S2(1))，(2，S2(2))，(3，S2(3))，…(N，S2(N))，N表示实时位置点数，求直线方程a、b使得该直线最符合实验数据结果，及等价于问题：
Figure FDA0003778480360000011
记：sum＝∑[s2(n)-(a*n+b)]2，对a、b求导：
Figure FDA0003778480360000012
Figure FDA0003778480360000013
从而解得：
Figure FDA0003778480360000014
Figure FDA0003778480360000015
由此即可求得待拟合直线的系数a和b的值。
4.根据权利要求1所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测方法，其特征在于，将实时得到的拟合直线与参考直线进行比较，若实时拟合直线相比参考直线同水平方向的夹角增大，并且和参考直线之间的夹角大于预设阈值，则视为振动光缆发生了微弯现象；
实时遍历瑞利散射曲线，从任一位置点开始其后的所有位置点的瑞利散射值都小于参考直线上的值，则将该位置点进行提取，在提取位置点领域范围确定瑞利散射值下降最快的位置段，为最终的微弯位置点。
5.根据权利要求1所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测方法，其特征在于，设定固定阈值，通过实时对比拟合直线与参考直线间的差值平均，若两直线间的差值平均大于固定阈值，则判断光路发生全域衰减现象，然后上报平台并进行相关现象的维护操作。
6.一种周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，其特征在于，包括：
模块M1：将振动光纤接入探测器，得到瑞利散射光强度随位置变化的曲线；
模块M2：选取每个位置点瑞利散射值将其和前后相邻预设个数位置点的瑞利散射值求平均，并将得到的平均值作为平滑处理后该位置点的瑞利散射值；
模块M3：对平滑处理后的曲线在每个位置点对瑞利散射值取对数；
模块M4：对探测器通电后得到的瑞利散射曲线用一条直线进行拟合，并将得到的这条直线作为参考直线；
模块M5：实时对瑞利散射曲线进行直线拟合，对比拟合直线和参考直线，判断振动光缆发生微弯现象的位置，并确定最终的微弯位置点；
模块M6：对比拟合直线与参考直线间的差值平均，判断光路是否发生全域衰减现象，并进行对应处理操作。
7.根据权利要求6所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，其特征在于，以S1(n)为平滑后的曲线，n表示具体位置点，对瑞利散射值取对数，得到：S′1(n)＝log10(S1(n))。
8.根据权利要求6所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，其特征在于，直线拟合方式为最小二乘法拟合，具体过程如下：
待拟合的直线方程表示为：S2(n)＝a*n+b，a与b为待求解的参数，根据实时数据(1，S2(1))，(2，S2(2))，(3，S2(3))，…(N，S2(N))，N表示实时位置点数，求直线方程a、b使得该直线最符合实验数据结果，及等价于问题：
Figure FDA0003778480360000031
记：sum＝∑[s2(n)-(a*n+b)]2，对a、b求导：
Figure FDA0003778480360000032
Figure FDA0003778480360000033
从而解得：
Figure FDA0003778480360000034
Figure FDA0003778480360000035
由此即可求得待拟合直线的系数a和b的值。
9.根据权利要求6所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，其特征在于，将实时得到的拟合直线与参考直线进行比较，若实时拟合直线相比参考直线同水平方向的夹角增大，并且和参考直线之间的夹角大于预设阈值，则视为振动光缆发生了微弯现象；
实时遍历瑞利散射曲线，从任一位置点开始其后的所有位置点的瑞利散射值都小于参考直线上的值，则将该位置点进行提取，在提取位置点领域范围确定瑞利散射值下降最快的位置段，为最终的微弯位置点。
10.根据权利要求6所述的周界安防振动光纤异常状态实时监测系统，其特征在于，设定固定阈值，通过实时对比拟合直线与参考直线间的差值平均，若两直线间的差值平均大于固定阈值，则判断光路发生全域衰减现象，然后上报平台并进行相关现象的维护操作。
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