DE112022002147T5

DE112022002147T5 - Kartierung mittels optischer fasern

Info

Publication number: DE112022002147T5
Application number: DE112022002147.0T
Authority: DE
Inventors: Shaobo HAN; Ming-Fang Huang; Yuheng Chen; Philip JI; Ting Wang
Original assignee: NEC Laboratories America Inc
Current assignee: NEC Laboratories America Inc
Priority date: 2021-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2022221596A1; US20220333956A1; JP2024516568A

Abstract

Systeme und Verfahren zur verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS), die automatisch Vibrationssignalmuster aus Wasserfalldaten erkennen, die von DFOS-Systemen in Echtzeit aufgezeichnet werden, und die erkannten Vibrationssignalmuster ohne menschliches Eingreifen oder Interpretation mit GPS-Standortkoordinaten verknüpfen. Wenn unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren als Computer-Vision-basierte Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung ausgeführt werden, ermöglichen sie eine genaue, kosteneffiziente und objektive Bestimmung, ohne sich auf Menschen und die daraus resultierenden Verzerrungen und Unstimmigkeiten zu verlassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenlegung bezieht sich im Allgemeinen auf DFOS (Distributed Fiber Optic Sensing)-Systeme, -Verfahren und -Strukturen. Insbesondere werden DFOS-Systeme und -Verfahren beschrieben, die automatisch Schwingungssignalmuster aus DFOS-Wasserfalldaten erkennen, die von DFOS-Systemen in Echtzeit aufgezeichnet werden, und diese Muster GPS-Koordinaten zuordnen.
HINTERGRUND
Wie Fachleute wissen, haben sich verteilte faseroptische Messsysteme und -verfahren als sehr nützlich erwiesen und bieten eine Reihe nützlicher Dienste, wie z. B. die Messung verschiedener physikalischer Parameter wie Temperatur, Vibration, Dehnung usw., wodurch eine neue Ära der Infrastrukturüberwachung ermöglicht wird.
Wenn DFOS-Systeme mit einer vergrabenen optischen Sensorfaser eingesetzt werden, können sie akustische Schwingungen entlang von Dutzenden Kilometern von Glasfaserkabeln mit einer räumlichen Auflösung im Meterbereich in Echtzeit für verschiedene akustische Ereignisse, wie Verkehrsunfälle oder Bauarbeiten, überwachen.
Wie Fachleute wissen und zu schätzen wissen, ist die verteilte Akustik-/Vibrationsabtastung (DAS/DVS) eine lineare Abtastmethode, die den Ort von Ereignissen entlang des Fasersensors relativ zum Standort des DFOS-Abfragesystems genau bestimmen kann. Um jeden Punkt entlang des Fasersensors präzise auf reale geografische Orte abzubilden, kann eine externe Vibrationsquelle verwendet werden, die Anregungssignale liefert. So wird beispielsweise ein mechanischer Vibrator in der Nähe des Fasersensorkabels (z. B. auf einem Schachtdeckel) angebracht, um ein Ziel- oder Basisvibrationsmuster zu erzeugen, das vom DFOS-System in Echtzeit aufgezeichnet und anschließend mit den GPS-Koordinaten des Ortes in Beziehung gesetzt wird, an dem das Anregungssignal des Vibrators erzeugt wurde.
Die Erkennung und Lokalisierung von Vibrationsmustern auf DFOS-Wasserfallspuren, die aus dem DFOS-Betrieb resultieren, wird derzeit von menschlichen Experten durchgeführt, die Standorte manuell kennzeichnen, indem sie aufgezeichnete DFOS-Daten untersuchen und sie mit GPS-Daten abgleichen/verknüpfen.
Dieses manuelle Verfahren ist ineffizient, fehleranfällig und arbeitsintensiv.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fortschritt in der Technik wird gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung erzielt, die sich mit DFOS-Systemen und -Verfahren befassen, die automatisch Vibrationssignalmuster aus Wasserfalldaten erkennen, die von DFOS-Systemoperationen in Echtzeit aufgezeichnet werden, und die erkannten Vibrationssignalmuster mit GPS-Standortkoordinaten in Verbindung bringen.
In scharfem Gegensatz zum Stand der Technik identifizieren unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung vorteilhaft die DFOS-Vibrationssignalmuster aus Wasserfalldaten ohne menschliches Eingreifen oder Interpretation.
Ein DFOS-Abfragesystem wird an ein feldgestütztes faseroptisches Sensorkabel angeschlossen und erfasst Vibrationen in der Nähe des faseroptischen Sensorkabels, wodurch raum-zeitliche Daten erzeugt werden. Unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren verwenden eine Merkmalsextraktionsoperation/-methode, die ein gezieltes Schwingungsanregungssignal auf der Grundlage seiner Eigenschaften erkennt. Vorteilhafterweise erzeugen unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren Schätzungen sowohl des Mittelpunkts als auch der Breite der Vibrationssignale in Bezug auf eine betroffene Länge des faseroptischen Sensorkabels, die in einer anschaulichen Umgebung einen Schachtstandort bzw. eine innere Spulenlänge darstellen können. Wenn unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren als Computer-Vision-basiertes Verfahren eingesetzt werden, ermöglichen sie eine genaue, kosteneffiziente und objektive Bestimmung, ohne sich auf Menschen und die daraus resultierenden Verzerrungen und Unstimmigkeiten zu verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erreicht werden, in der:

1 ist ein schematisches Diagramm eines verteilten faseroptischen Erfassungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein intelligentes Kabelabbildungssystem gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ist ein schematisches Flussdiagramm, das unser automatisches Detektionsverfahren im Vergleich zu einem manuellen Verfahren nach dem Stand der Technik gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm mit illustrativen Verfahrensschritten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
5 ist ein schematisches Diagramm, das ein gleitendes Erkennungsfenster auf ganzen Faserstrecken gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 ist ein schematisches Funktionsdiagramm eines intelligenten DFOS-Kabelbildungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines illustrativen Computersystems, das so programmiert werden kann, dass es Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausführt.

Die illustrativen Ausführungsformen werden in den Abbildungen und der ausführlichen Beschreibung ausführlicher beschrieben. Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung können jedoch in verschiedenen Formen verkörpert werden und sind nicht auf die in der Zeichnung und der detaillierten Beschreibung beschriebenen spezifischen oder illustrativen Ausführungsformen beschränkt.
BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden lediglich die Grundsätze der Offenbarung erläutert. Es wird daher anerkannt, dass Fachleute in der Lage sind, verschiedene Anordnungen zu entwickeln, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt werden, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in deren Geist und Umfang enthalten sind.
Darüber hinaus sind alle hier angeführten Beispiele und bedingten Ausdrücke nur zu pädagogischen Zwecken gedacht, um dem Leser das Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der von dem/den Erfinder(n) zur Förderung des Standes der Technik beigetragenen Konzepte zu erleichtern, und sind so auszulegen, dass sie keine Beschränkung auf diese speziell angeführten Beispiele und Bedingungen darstellen.
Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die sich auf Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Offenlegung sowie auf spezifische Beispiele davon beziehen, sowohl strukturelle als auch funktionale Äquivalente davon einschließen. Darüber hinaus sollen solche Äquivalente sowohl derzeit bekannte Äquivalente als auch in der Zukunft entwickelte Äquivalente umfassen, d. h. alle entwickelten Elemente, die unabhängig von ihrer Struktur die gleiche Funktion erfüllen.
So werden beispielsweise Fachleute erkennen, dass alle hierin enthaltenen Blockdiagramme konzeptionelle Ansichten von Schaltkreisen darstellen, die die Prinzipien der Offenlegung verkörpern.
Sofern hier nicht ausdrücklich anders angegeben, sind die FIGs der Zeichnung nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Als zusätzlichen Hintergrund möchten wir anmerken, dass verteilte faseroptische Sensorsysteme opto-elektronische Integratoren mit einer optischen Faser (oder einem Kabel) verbinden und die Faser in eine Anordnung von Sensoren umwandeln, die entlang der Länge der Faser verteilt sind. In der Tat wird die Faser zum Sensor, während der Abfragesender Laserlichtenergie in die Faser einspeist und Ereignisse entlang der Faserlänge erfasst.
Wie Fachleute wissen und zu schätzen wissen, kann die DFOS-Technologie zur kontinuierlichen Überwachung von Fahrzeugbewegungen, Personenverkehr, Grabungsaktivitäten, seismischen Aktivitäten, Temperaturen, struktureller Integrität, Flüssigkeits- und Gaslecks und vielen anderen Bedingungen und Aktivitäten eingesetzt werden. Sie wird weltweit zur Überwachung von Kraftwerken, Telekommunikationsnetzen, Eisenbahnen, Straßen, Brücken, internationalen Grenzen, kritischen Infrastrukturen, terrestrischen und unterseeischen Stromleitungen und Pipelines sowie für Bohrlochanwendungen in der Öl- und Gasindustrie und für die verbesserte geothermische Stromerzeugung eingesetzt. Vorteilhaft ist, dass verteilte faseroptische Sensoren nicht durch die Sichtlinie oder den Zugang zu einer entfernten Stromversorgung eingeschränkt sind und - je nach Systemkonfiguration - in kontinuierlichen Längen von mehr als 30 Meilen mit Sensoren/Detektoren an jedem Punkt der Länge eingesetzt werden können. Daher können die Kosten pro Messpunkt über große Entfernungen von konkurrierenden Technologien in der Regel nicht erreicht werden.
Die faseroptische Sensorik misst Veränderungen in der „Rückstreuung“ von Licht, die in einer optischen Sensorfaser auftreten, wenn die Sensorfaser auf Vibrationen, Dehnungen oder Temperaturänderungen trifft. Wie bereits erwähnt, dient die Sensorfaser über ihre gesamte Länge als Sensor, der in Echtzeit Informationen über die physikalische Umgebung/Umgebung und die Integrität/Sicherheit der Faser liefert. Darüber hinaus ermöglichen die verteilten faseroptischen Messdaten eine genaue Lokalisierung von Ereignissen und Bedingungen, die an oder in der Nähe der Messfaser auftreten.
Ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung der allgemeinen Anordnung und des Betriebs eines verteilten faseroptischen Erfassungssystems, das eine Analyse mit künstlicher Intelligenz und eine Cloud-Speicherung/einen Cloud-Dienst umfasst, ist in 1 dargestellt. In 1 ist eine optische Erfassungsfaser zu sehen, die wiederum mit einem Abfragegerät verbunden ist. Wie bekannt, sind moderne Abfragesysteme Systeme, die ein Eingangssignal für die Faser erzeugen und reflektierte/gestreute und anschließend empfangene Signale erkennen/analysieren. Die Signale werden analysiert, und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das die Umgebungsbedingungen entlang der Faser anzeigt. Die auf diese Weise empfangenen Signale können aus Reflexionen in der Faser resultieren, z. B. Raman-Rückstreuung, Rayleigh-Rückstreuung und Brillion-Rückstreuung. Es kann sich auch um ein Signal in Vorwärtsrichtung handeln, das die Geschwindigkeitsdifferenz mehrerer Moden nutzt. Ohne die Allgemeingültigkeit zu verlieren, wird in der folgenden Beschreibung von einem reflektierten Signal ausgegangen, obwohl die gleichen Ansätze auch auf ein vorwärts gerichtetes Signal angewendet werden können.
Ein modernes DFOS-System umfasst einen Abfragesender, der periodisch optische Impulse (oder ein beliebiges kodiertes Signal) erzeugt und diese in eine optische Faser einspeist. Das eingespeiste optische Impulssignal wird entlang der optischen Faser übertragen.
An Stellen entlang der Faser wird ein kleiner Teil des Signals gestreut/reflektiert und an das Abfragesystem zurückgegeben. Das gestreute/reflektierte Signal enthält Informationen, die das Abfragesystem zur Erkennung verwendet, wie z. B. eine Änderung des Leistungspegels, die beispielsweise auf eine mechanische Vibration hinweist.
Das reflektierte Signal wird in die elektrische Domäne umgewandelt und im Interrogator verarbeitet. Anhand der Impulsinjektionszeit und der Zeit, zu der das Signal erkannt wird, bestimmt das Abfragegerät, an welcher Stelle entlang der Faser das Signal kommt, und kann so die Aktivität an jeder Stelle entlang der Faser erfassen.
Distributed Acoustic Sensing (DAS)/ Distributed Vibrational Sensing (DVS) Systeme detektieren Vibrationen und erfassen akustische Energie entlang der Länge der optischen Sensorfaser. Vorteilhafterweise können bestehende, verkehrsführende Glasfasernetze genutzt und in einen verteilten akustischen Sensor umgewandelt werden, der Echtzeitdaten erfasst. Klassifizierungsalgorithmen können zur Erkennung und Lokalisierung von Ereignissen wie Lecks, Kabelfehlern, Einbrüchen oder anderen abnormalen Ereignissen, einschließlich akustischer und/oder Vibrationen, verwendet werden.
Derzeit werden verschiedene DAS/DVS-Technologien eingesetzt, wobei die gängigste auf der kohärenten optischen Zeitbereichsreflektometrie (C-OTDR) basiert. C-OTDR nutzt die Rayleigh-Rückstreuung, so dass akustische Frequenzsignale über große Entfernungen erfasst werden können. Ein Abfragesystem sendet einen kohärenten Laserimpuls entlang einer optischen Sensorfaser (Kabel). Die Streustellen in der Faser bewirken, dass die Faser wie ein verteiltes Interferometer mit einer Messlänge, die der Pulslänge entspricht (z. B. 10 Meter), wirkt. Akustische Störungen, die auf die Sensorfaser einwirken, führen zu einer mikroskopisch kleinen Dehnung oder Stauchung der Faser (Mikrodehnung), was eine Änderung der Phasenlage und/oder der Amplitude der Lichtimpulse bewirkt, die die Faser durchlaufen.
Bevor ein nächster Laserpuls übertragen wird, muss ein vorheriger Puls Zeit gehabt haben, die gesamte Länge der Sensorfaser zu durchlaufen und seine Streuungen/Reflexionen zurückzugeben. Die maximale Pulsrate wird also durch die Länge der Faser bestimmt. Daher können akustische Signale gemessen werden, die mit Frequenzen bis zur Nyquist-Frequenz variieren, die in der Regel die Hälfte der Impulsrate beträgt. Da höhere Frequenzen sehr schnell abgeschwächt werden, liegen die meisten für die Erkennung und Klassifizierung von Ereignissen relevanten Frequenzen im unteren Bereich von 2 kHz.
Wie wir zeigen und beschreiben werden, erkennen/interpretieren unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren automatisch Schwingungssignale, die aus dem DFOS-Betrieb mit verlegten Glasfaserkabeln resultieren, um die geografische Lage der Kabel per Computer zu lokalisieren - ohne menschliches Eingreifen oder Eingaben. Wie Fachleute wissen und zu schätzen wissen, ist ein solcher Betrieb mit zahlreichen praktischen Herausforderungen verbunden, wie z. B. der Intravariabilität der Zielvibrationssignale und Fehlalarmen, die durch Umgebungsgeräusche, Straßenverkehr, Bauarbeiten oder andere störende, vibrationserzeugende Ereignisse verursacht werden.
Um diese Probleme zu lösen, weisen unsere erfindungsgemäßen Systeme und Methoden gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung auf:
Signaldetektion und -lokalisierung, bei der das/die Vibratorsignal(e) eine Gruppe paralleler vertikaler Segmente (kontinuierliche Vibration) auf Wasserfallspuren erzeugen, mit einem bestimmten Bereich von Dauern, Breiten, Stärken und oft auch Lücken dazwischen. Auf der Grundlage dieser Intuitionen wenden wir eine Mustererkennungsmethode an, die auf Sequenzen von progressiven probabilistischen Hough-Transformationen (PPHT) basiert.
Unsere erfindungsgemäße Methode ist auf diese Anwendung zugeschnitten, die eine hohe Erkennungsrate und eine sehr niedrige Fehlalarmrate erzielt. Im Gegensatz zu Deep-Learning-Ansätzen erfordert unsere erfindungsgemäße Methode gemäß der vorliegenden Offenlegung kein Training und keine Datenbeschriftung (Daten-Labelling). Darüber hinaus ist es nicht notwendig, eine gesamte faseroptische Sensorstrecke in kleinere Segmente zu zerlegen, um eine Schlussfolgerung zu ziehen. Vorteilhaft ist, dass unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren Entscheidungen individuell treffen - an jeder Stelle des faseroptischen Sensorkabels. Dadurch erreichen unsere Systeme und Verfahren eine bessere Lokalisierungsgenauigkeit. Alternative Bildverarbeitungsmethoden, wie z. B. die Canny-Kantenerkennung, berücksichtigen nur eine Teilmenge der oben genannten Merkmale - aber nicht alle - und liefern daher im Vergleich zu unseren Systemen und Methoden gemäß der vorliegenden Offenbarung eine schlechtere Erkennungsleistung, die an Felddaten getestet wurde.
Darüber hinaus verfügen unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren über eine Fehlalarmkontrolle, die Fehlalarme vorteilhaft reduziert, wodurch Verwirrungen während des Einsatzes im Feld vermieden werden. Bei der Vorverarbeitung wird ein Bandpassfilter mit speziellen Koeffizienten eingesetzt, um ein Zielsignal zu verstärken und gleichzeitig Rauschen zu unterdrücken, das ähnlich aussehende Muster erzeugen könnte. Darüber hinaus werden GPS-Zeitstempel verwendet, um Bau- oder andere Vibrationen auszuschließen, die außerhalb des Testzeitraums des Vibrators auftreten. Schließlich werden bei der Nachbearbeitung mit einem Event-Tracker Vibrationen mit beweglichen Fenstern an denselben Orten überwacht, so dass intermittierende Bauereignisse mit längerer Dauer als erwartet als Fehlalarm erkannt werden.
Zur Erstellung einer Präzisionskarte einer erdverlegten LWL-Sensorkabeltrasse wird zunächst eine Reihe von Orientierungspunkten mit guter/geeigneter Zugänglichkeit ausgewählt. Normalerweise werden Schächte/Handlöcher als Orientierungspunkte für Glasfaserkabelrouten ausgewählt. Sobald die GPS-Koordinaten gemessen und mit der DFOS-Faserdistanz gepaart sind, kann die geografische Lage aller anderen Punkte entlang des Glasfaserkabels durch Interpolation unter Verwendung stückweise linearer Annahmen berechnet werden. Eine praktische Herausforderung besteht darin, dass im Schacht/Handloch oft eine unbekannte Länge der schlaffen Faser (Spule) vorhanden ist. Daher muss auch die Länge der schlaffen Faser geschätzt werden.
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein intelligentes Kabelabbildungssystem gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Hardwarekomponenten einen Vibrator/eine mechanische Anregungsvorrichtung (101), eine GPS-Vorrichtung (102), ein DFOS-Erfassungssystem (103) und ein Kopplungssystem (104), eine Verarbeitungseinheit vor Ort (105) und ein vorhandenes Glasfaserkabel (106).
Zur Lokalisierung der Position der Zielmarkierung (d. h. des Schachtes/Handlochs) in Bezug auf ein Glasfasersensorkabel (unterirdisch/freiluft/oberirdisch) wird ein DFOS-Abfragesystem an das Glasfasersensorkabel angeschlossen und kontinuierlich betrieben und überwacht die Vibrationen an bestimmten Stellen (an jedem Ort) entlang der Länge des Glasfasersensorkabels. Der Zielvibrator (101) auf (oder in der Nähe) des Schachtdeckels - zum Beispiel - wird für etwa eine Minute eingeschaltet, was ein vertikales Streifenvibrationsmuster auf den resultierenden / gesammelten Wasserfallspuren erzeugt. Die Breite des vertikalen Streifenvibrationsmusters zeigt die Länge der Faserspule an, die sich im Inneren des Schachtes befindet. In der Zwischenzeit wird eine Nachricht mit den GPS-Koordinaten (102) und dem Zeitstempel an die Verarbeitungseinheit (104) gesendet, um sie mit den erfassten Messdaten (Wasserfallspuren) zu verknüpfen. Dieses Verfahren kann an mehreren Stellen desselben Faserkabels wiederholt werden, um die gesamte Strecke zu lokalisieren (106).
3 ist ein schematisches Flussdiagramm, das unser automatisches Erkennungsverfahren im Vergleich zu einem manuellen Verfahren nach dem Stand der Technik gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich ist, wurde die Lokalisierung jedes Vibrationssignals aus den Wasserfallspuren bisher manuell von menschlichen Experten durchgeführt und war anfällig für Fehler und Inkonsistenzen.
Wie Fachleute wissen, wird ein beispielhaftes DFOS-Wasserfallsignal (Plot) einer Kabeltrasse so aufgezeichnet, dass die x-Achse den Ort der Schwingungen entlang der Länge des faseroptischen Sensorkabels darstellt, während die y-Achse die Zeit der Schwingungen anzeigt. Farben können verwendet werden, um die Intensität(en) der Vibrationen anzuzeigen. Wie bereits erwähnt, weist ein Zielsignal die Form eines vertikalen Streifens auf, und es wird darauf hingewiesen, dass bestimmte stationäre Rauschsignale eine ähnliche vertikale Form aufweisen können.
Die praktischen Herausforderungen bei der Erkennung solcher vertikalen Streifen aus den Wasserfallsignalen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Schwankungen in der Signallänge: Der Zeitablauf eines DFOS-Systems schwankt willkürlich zwischen 60 Millisekunden und mindestens 250 Millisekunden (manchmal auch länger). Obwohl die Länge der Zielvibration auf etwa eine Minute eingestellt werden kann, kann die Länge des vertikalen Streifens in der Praxis unterschiedlich sein.
Variationen in der Signalbreite: Die Länge der Spulen der Glasfaserkabel in den einzelnen Schächten ist unterschiedlich. Daher kann auch die Breite des vertikalen Streifens, der auf dem Wasserfalldiagramm erscheint, unterschiedlich sein.
Schwankungen der Signalintensität: Die Empfindlichkeiten) an jeder Stelle der Faser entlang ihrer Länge sind unterschiedlich. Zum Beispiel können die unterirdischen Bedingungen, die das Glasfaserkabel umgeben, trocken, überflutet oder vereist sein. An bestimmten Orten in der Nähe von Wasser oder hohem Grundwasserspiegel kann ein unterirdisches Glasfaserkabel, das sich in einer Leitung und in Schächten befindet, häufig überflutet werden. An anderen Orten - z. B. in der Wüste - sind erdverlegte Glasfaserkabel und Schächte in der Regel recht trocken. Daher sind die empfangenen Schwingungsintensitäten bei Überschwemmungen aufgrund der größeren Dämpfungseffekte geringer als in einer trockenen Umgebung. Außerdem sind die Schächte unter Umständen nicht leicht zugänglich. Daher ist es unter Umständen nicht möglich, einen Schachtdeckel mit einem Vibrator direkt in Schwingung zu versetzen bzw. mechanisch anzuregen, z. B. wenn er sich in der Mitte einer stark befahrenen Straße befindet und die Vibration aus einer gewissen Entfernung erfolgen muss - z. B. von einem Gehweg in der Nähe des Schachts.
Wie man sich vorstellen kann, machen solche Faktoren die Intensität des Vibrationssignals stärker oder schwächer. Manchmal scheint der mittlere Teil der Spule der schwächste Punkt zu sein, was dazu führt, dass der Vibrationsstreifen in zwei parallele vertikale Streifen zerfällt.
Stationäre Geräuschmuster: Es gibt stationäre Geräuschmuster, die ähnliche Muster aufweisen wie die vom Vibrator erzeugten. Solche Muster können länger andauern, zeitlich diskontinuierlich sein und auf dem Wasserfalldiagramm schmaler erscheinen. Darüber hinaus gibt es an zwei nahe gelegenen Orten stationäre Geräusche, was zu weiterer Verwirrung in Bezug auf das/die Zielvibratormuster führt.
Muster von Walzmaschinen: Straßenbaumaschinen, wie z. B. Walzmaschinen, können Muster erzeugen, die denen des Zielvibrators sehr ähnlich zu sein scheinen, insbesondere wenn sie intermittierend arbeiten. Dies ist eine der Hauptursachen für Fehlalarme, wenn dies gleichzeitig mit der Vibratorprüfung geschieht.
Wie bereits erwähnt, bieten unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenlegung ein automatisiertes Signalerkennungsverfahren für DFOS-Systemsignale, wobei praktische Überlegungen zur Reduzierung von Fehlalarmen angestellt werden. Illustrative Schritte unseres Verfahrens sind in 4 dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Schritt 1: Vorverarbeitung (Hochpassfilterung): Das System wird als Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 30 Hz betrachtet, um die niederfrequenten Komponenten der Erdschwingungen zu reduzieren.
Schritt 2: IQR-basierte Salienzerkennung. Die erfassten Daten einer Szene werden als eine Gruppe von vibrierenden Punkten dargestellt {p_i},i = 1, ..., N. Jeder vibrierende Punkt ist ein Tupel (t_i, x_i, v_i), wobei t_i ein Zeitstempel ist, x_i die räumliche Position entlang des Kabels ist und v_i die Stärke der Vibration ist. Unter einer Erfassungsszene [t_start, t_end] × [x_start, x_end] wird eine Gruppe von vibrierenden Punkten {p_i} erhalten, die die folgenden Bedingungen erfüllt t_start < t_i < t_end und x_start < x_i < x_end. Die Auffälligkeit einer Schwingung wird anhand ihrer Schwingungsstärke bestimmt. Ein schwingender Punkt ist ein auffälliger schwingender Punkt, wenn seine Schwingungsstärke mehr als 1,5 × IQR über dem dritten Quartil liegt. Das heißt, saliente Punkte > Q₃ + 1.5 × IQR. Der IQR der Schwingungsstärke {v_i} wird als die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Quartil berechnet, Q₃ - Q₁. Da der IQR aus den Statistiken der einzelnen Zonen über einen bestimmten Zeitraum berechnet wird, ist der Auffälligkeitsfilter adaptiv und robust.
Schritt 3: PPHT1 - Erkennung mit Extraktion vertikaler Segmente. Wir drehen das Bild um 90 Grad und setzen den Akkumulatorwinkel auf -90 Grad. Dann wenden wir die progressive probabilistische Hough-Transformation (PPHT) auf die Menge der Auffälligkeitspunkte an, um die globale Evidenz der vertikalen Segmente zu bewerten. Die Mindestlänge der Segmente wird auf 350 festgelegt, der maximale Abstand zwischen den Segmenten auf 1, so dass nur zeitlich streng kontinuierliche Muster extrahiert werden. Die Mindestanzahl der Akkumulationspunkte wird auf 40 festgelegt. Nach der Extraktion der Segmente wird ein Filter angewandt, um diejenigen auszuwählen, deren Länge geringer ist als die maximale Länge der Segmente (auf 750 festgelegt). Aufgrund des stochastischen Charakters des Algorithmus wird dieser Vorgang 10 Mal wiederholt, wobei die Vereinigung der erkannten Segmente erhalten bleibt. Eine binäre Maske wird erstellt, indem die erkannten Segmente vom Anfangs- bis zum Endpunkt in eine Matrix eingezeichnet werden.
Schritt 4: PPHT2 - Qualifizierung mit horizontaler Segmentextraktion. Wir setzen den Akkumulationswinkel auf -90 Grad und wenden das PPHT erneut an, wobei die Mindestlänge (d.h. die Rüttlerbreite) der Segmente auf 11 und der maximale Abstand zwischen den Segmenten auf 10 gesetzt wird, um die gelegentlich unterbrochenen Rüttelmuster zu berücksichtigen. Die Mindestanzahl der Akkumulationspunkte wird auf 11 festgelegt. Nachdem die Segmente extrahiert wurden, wird ein Filter angewendet, um die maximale Länge (d. h. die Rüttlerbreite) auf 100 zu setzen. Auch dieser Vorgang wird 10 Mal wiederholt, wobei die Vereinigung der erkannten Segmente erhalten bleibt. Eine zweite binäre Maske wird erstellt, indem die erkannten Segmente vom Anfangs- bis zum Endpunkt in eine Matrix eingezeichnet werden. Bei einer grafischen Darstellung ist zu erkennen, dass Bauereignisse zu Fehlalarmen führen können, die nach Anwendung von PPHT1 und PPHT2 bestehen bleiben.
Schritt 5: Lokale Schwellenwertbildung. Eine binäre Entscheidung an jeder Kabelposition wird durch den Vergleich der Spaltensumme des maskierten Wasserfalls mit einem vorher festgelegten Schwellenwert von 60000 getroffen.
Schritt 6: PPHT3 - Lokalisierung und Schätzung der Spulenlänge. Einstellen des Akkumulatorwinkels auf -90 Grad, Anwendung von PPHT auf den binären Entscheidungsvektor, mit einer Mindestlänge von 3, der maximale Abstand zwischen den Segmenten wird auf 10 festgelegt. Die Mindestanzahl der Akkumulationspunkte wird auf 3 festgelegt. Nachdem die Segmente extrahiert wurden, wird ein Filter angewendet, um die maximale Länge (d. h. die Rüttelbreite) auf 100 zu setzen. Auch dieser Vorgang wird 10 Mal wiederholt, und die Vereinigung der erkannten Segmente wird beibehalten. Die Position des Vibrators wird auf die Mitte des erkannten Segments (x_start + x_end)/2 geschätzt. Die Länge der Spule wird auf die Länge des erkannten Segments geschätzt, abs(x_end-x_start).
Schritt 7: Gleitendes Fenster und Ereignisverfolgung: Die Wasserfallströme werden mit Hilfe von Methoden des gleitenden Fensters analysiert, wie in 5 dargestellt - ein schematisches Diagramm, das ein gleitendes Erkennungsfenster auf ganzen Faserrouten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt. Wenn ein Ereignis an denselben Stellen erkannt wird, wird es mit der Dauer verfolgt, die als die zuletzt aktualisierte Zeit minus der ersten erkannten Zeit berechnet wird. Ein Signal wird nur dann als gezieltes Vibrationssignal gemeldet, wenn die berechnete Dauer zwischen 5 Sekunden und 96 Sekunden liegt. Damit sollen lange (intermittierende) Straßenbausignale ausgeschlossen werden, die etwa zur gleichen Zeit wie der Rüttlertest auftreten. Unser System erreicht während eines dreitägigen Feldtests eine Erkennungsrate von 100 % bei nur einem gemeldeten Fehlalarm. zeigt ein Beispiel für eine Systemausgabe, die anhand von im Feld gesammelten Daten getestet wurde
6 ist ein schematisches Funktionsdiagramm eines intelligenten DFOS-Kabelbildungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung. Wir stellen fest, dass die Systeme und Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung die erste automatisierte Lösung ist, die eine präzise Kabelkartierung für nachgelagerte verteilte Fasererfassungsanwendungen bietet, bei der Schachtabdeckungen als Orientierungspunkte ausgewählt werden und ein Vibrator/Erregungsgerät mit einer bestimmten Vibrationslänge eingesetzt wird, um ein Vibrationsereignis zu erzeugen, das anschließend vom DFOS-System erfasst/aufgezeichnet/analysiert wird.
Darüber hinaus verwenden unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren Hochpassfilter und Erkennung von Auffälligkeiten als Vorverarbeitungsschritte sowie eine Folge von progressiven probabilistischen Hough-Transformationen mit speziell entwickelten Parametern für die Zielsignalerfassung und Fehlalarmkontrolle. Sowohl der Standort des Vibrators als auch die Länge eines eventuell schlaffen Glasfaserkabels werden geschätzt.
Darüber hinaus verwenden Systeme und Methoden gemäß der vorliegenden Offenbarung ein gleitendes Fenster auf der gesamten Sensorfaserstrecke zur Ereignisverfolgung und Dauerberechnung. Erfasste Ereignisse mit unerwarteter Dauer, trotz ähnlich aussehender Muster, können vorteilhaft ausgeschlossen werden. Schließlich verwenden die Systeme und Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine automatische Verknüpfung von GPS-Koordinaten und erfassten Vibrationsereignissen mit einem Randgerät und gehen die zentrale Herausforderung der feinkörnigen Lokalisierung von Vibrationssignalen mit einer automatisierten Lösung an, die für Anwendungen der Erdkabelüberwachung mit mehreren Strecken skalierbar ist.
7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Computersystems, das so programmiert werden kann, dass es Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausführt. Wie unmittelbar ersichtlich ist, kann ein solches Computersystem in ein anderes System, wie z. B. einen Router, integriert werden und kann über diskrete Elemente oder eine oder mehrere integrierte Komponenten implementiert werden. Das Computersystem kann beispielsweise aus einem Computer bestehen, auf dem eines der zahlreichen Betriebssysteme läuft. Die oben beschriebenen Verfahren der vorliegenden Offenbarung können auf dem Computersystem 1000 als gespeicherte Programmsteuerungsanweisungen implementiert werden.
Das Computersystem 1000 umfasst einen Prozessor 1010, einen Speicher 1020, eine Speichereinrichtung 1030 und eine Eingabe-/Ausgabestruktur 1040. Eine oder mehrere Eingabe-/Ausgabevorrichtungen können eine Anzeige 1045 umfassen. Ein oder mehrere Busse 1050 verbinden typischerweise die Komponenten 1010, 1020, 1030 und 1040 miteinander. Der Prozessor 1010 kann ein Einzel- oder Mehrkernprozessor sein. Zusätzlich kann das System Beschleuniger usw. enthalten, die das System auf einem Chip umfassen.
Der Prozessor 1010 führt Anweisungen aus, in denen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Schritte umfassen können, die in einer oder mehreren der gezeichneten Figuren beschrieben sind. Solche Anweisungen können in einem Speicher 1020 oder einer Speichereinrichtung 1030 gespeichert werden. Daten und/oder Informationen können über eine oder mehrere Eingabe-/Ausgabevorrichtungen empfangen und ausgegeben werden.
Der Speicher 1020 kann Daten speichern und ein computerlesbares Medium sein, z. B. ein flüchtiger oder nichtflüchtiger Speicher. Die Speichervorrichtung 1030 kann einen Speicher für das System 1000 bereitstellen, zum Beispiel für die zuvor beschriebenen Methoden. In verschiedenen Aspekten kann die Speichervorrichtung 1030 eine Flash-Speichervorrichtung, ein Plattenlaufwerk, eine optische Plattenvorrichtung oder eine Bandvorrichtung sein, die magnetische, optische oder andere Aufzeichnungstechnologien verwendet.
Die Eingabe-/Ausgabestrukturen 1040 können Eingabe-/Ausgabeoperationen für das System 1000 bereitstellen.

Claims

Verteiltes faseroptisches Abtastsystem (DFOS)-Abbildungsverfahren, umfassend: Bereitstellung eines verteilten faseroptischen Erfassungssystems (DFOS), wobei das System Folgendes umfasst eine optischen Sensorfaser mit einer Länge, und einen DFOS-Abfragesender und -Analysator in optischer Verbindung mit der Länge der optischen Faser, wobei der DFOS-Abfragesender so konfiguriert ist, dass er optische Impulse aus Laserlicht erzeugt, die Impulse in die optische Faser einführt und Rayleigh-reflektierte Signale von der optischen Faser erfasst/empfängt, wobei der Analysator so konfiguriert ist, dass er die Rayleigh-reflektierten Signale analysiert und aus den analysierten Rayleigh-reflektierten Signalen Orts/Zeit-Wasserfalldiagramme erzeugt; Betreiben des DFOS-Systems unter mechanischer Anregung von Orientierungspunkten entlang einer Route der optischen Faser, wodurch Vibrationsereignisse in der optischen Faser erzeugt werden, und Aufzeichnen von DFOS-Signalen, die während des Betriebs empfangen werden, während die Position(en) der Orientierungspunkte den GPS-Koordinaten der Orientierungspunkte zugeordnet werden; kontinuierlicher Betrieb des DFOS-Systems und automatische Bestimmung von Zeit und Ort von Schwingungsereignissen aus Wasserfalldiagrammen ohne menschliches Eingreifen und Zuordnung der Schwingungsereignisse zu einem GPS-Standort.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zeit/Ortbestimmung von Schwingungsereignissen aus Wasserfalldiagrammen ohne menschliches Eingreifen die Signalmustererkennung eines Schwingungsgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend ferner die Erfassung von Gruppen vertikaler Segmente auf den Wasserfalldiagrammen.
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend ferner die Quantifizierung der erkannten Gruppen von vertikalen Segmenten anhand ihrer Breite und Lücken.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die automatische Bestimmung den Betrieb eines Bildverarbeitungssystems umfasst, das die Wasserfalldiagramme untersucht.