專(zhuān)利名稱(chēng)：一種分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于分布式光纖振動(dòng)傳感器的長(zhǎng)距離光纖智能安防系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的新型安全防范系統(tǒng)，除了具有一般光纖傳感器靈敏度高、無(wú)需中繼供電、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有隱蔽性好、可與光纖通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成智能防范系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，光纖智能安防系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前最有前景的安全防范系統(tǒng)之一，具有巨大的民用價(jià)值和軍用價(jià)值。如果采用一般電類(lèi)傳感器對(duì)入侵行為進(jìn)行探測(cè)，由于設(shè)施長(zhǎng)度較長(zhǎng)，單個(gè)傳感器 的探測(cè)范圍較小，需要裝備的傳感器數(shù)量巨大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的造價(jià)昂貴、能耗較高。光纖安防系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可以利用與管道同步預(yù)埋光纜實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。利用各種光纖傳感技術(shù)進(jìn)行安全預(yù)警成為近年來(lái)預(yù)警技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，因此在長(zhǎng)距離地埋油氣管線安全預(yù)警、軍用涉密光纜數(shù)據(jù)安全等方面有著迫切的市場(chǎng)需求前景。目前分布式光纖振動(dòng)傳感器發(fā)展的方向是一是干涉型，包括薩格奈克干涉儀型，雙馬赫澤德干涉儀型；二是時(shí)域反射型，利用背向瑞利散射光的相干。長(zhǎng)距離分布式光纖振動(dòng)傳感器基本采用與管道同埋的通訊光纜中的一芯或多芯，利用擾動(dòng)導(dǎo)致的光傳輸?shù)南辔蛔兓瘜?duì)擾動(dòng)位置進(jìn)行解調(diào)，薩格奈克干涉儀型利用譜缺損定位，雙馬赫澤德干涉儀利用時(shí)延差和相關(guān)算法定位?；跁r(shí)域反射型的分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)中背向瑞利散射光強(qiáng)度微弱，其微弱信號(hào)外差探測(cè)電路對(duì)信噪比要求高，隨著傳感光纖長(zhǎng)度增加，信號(hào)比降低，因此該系統(tǒng)測(cè)量長(zhǎng)度不長(zhǎng)。其次，該系統(tǒng)得到的微弱信號(hào)處理需要多次平均，影響了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。基于雙馬赫澤德干涉儀系統(tǒng)的參考臂和信號(hào)臂都在同一光纜內(nèi)，同時(shí)都會(huì)受到擾動(dòng)影響，影響其相關(guān)算法的相關(guān)度。其次由于單模光纖雙折射，光波的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生隨機(jī)變化。雙馬赫澤德干涉儀型需要對(duì)系統(tǒng)偏振態(tài)進(jìn)行實(shí)施閉環(huán)控制，其控制算法的速度不能滿足偏振態(tài)連續(xù)變化的需要，傳感器在實(shí)際監(jiān)測(cè)中定位不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理方法，提供了一種單芯Sagnac干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)中提高定位精度的數(shù)據(jù)處理方法，可以消除傾斜缺損譜的影響，提高擾動(dòng)定位測(cè)量的精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種分布式光纖振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)處理方法，包括以下步驟第一步，選擇采樣頻率，對(duì)分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)中兩路探測(cè)模塊得到的時(shí)域光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；第二步，對(duì)第一步得到的兩路時(shí)域光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到相位擾動(dòng)的變化量，該相位變化量與外界對(duì)光纖施加擾動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變成正比；第三步，對(duì)相位擾動(dòng)的變化量進(jìn)行傅立葉變換，得到擾動(dòng)定位的缺損譜，缺損譜中缺損點(diǎn)的頻率值能對(duì)傳感光纖中擾動(dòng)位置進(jìn)行定位；第四步，對(duì)第三步得到的缺損譜采用多層小波算法進(jìn)行一維信號(hào)消噪處理，去除缺損譜中信號(hào)噪聲，提取有用信號(hào)，得到經(jīng)過(guò)小波降噪的缺損譜；第五步，將第四步得到的經(jīng)小波降噪的缺損譜與傳感光纖沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)的域譜相減得到一次修正的頻域缺損譜，求取該采樣時(shí)間內(nèi)一次修正的頻域缺損譜強(qiáng)度均值，當(dāng)頻域譜強(qiáng)度均值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)入第六步進(jìn)行二次修正，同時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)報(bào)警；如果沒(méi)有超過(guò)設(shè)定閾值，則回到第一步繼續(xù)采樣；第六步，利用最小二乘法對(duì)第五步得到的一次修正的頻域缺損譜進(jìn)行曲線擬合得到頻域譜，將擬合后的頻域譜與一次修正的頻域譜相減，得到二次修正的頻域缺損譜 ，再通過(guò)最小二乘算法對(duì)缺損點(diǎn)的頻率值進(jìn)行提取；第七步，根據(jù)第六步得到的缺損點(diǎn)頻率值計(jì)算擾動(dòng)點(diǎn)的位置。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)本發(fā)明通過(guò)小波分解并重構(gòu)技術(shù)降低了系統(tǒng)噪聲，有利于缺損譜的準(zhǔn)確提取，并設(shè)置閾值實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的報(bào)警閾值觸發(fā)，進(jìn)行二次修正，提高擾動(dòng)定位測(cè)量的精度，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)提供了可能，滿足了實(shí)際應(yīng)用的需要。(2)通過(guò)對(duì)傅立葉變換頻譜進(jìn)行補(bǔ)償，消除了原始信號(hào)的畸形，從而使得缺損譜定位曲線更準(zhǔn)確。(3)本發(fā)明確定閾值的方法，能夠根據(jù)實(shí)際布設(shè)的傳感光纖例如地埋光纜，光纖圍欄等情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，進(jìn)行實(shí)時(shí)的觸發(fā)告警。


圖I為分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)的光路圖；圖2為本發(fā)明分布式光纖振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)處理方法的流程圖；圖3為干涉信號(hào)的傅立葉變換頻域譜和經(jīng)過(guò)解調(diào)算法后的傅里葉變換頻域譜對(duì)比；其中(a)為噪聲較大頻域譜圖，(b)經(jīng)過(guò)解調(diào)算法的頻域譜圖；圖4為本發(fā)明經(jīng)過(guò)多層小波分解并重構(gòu)降噪的發(fā)生擾動(dòng)時(shí)頻域缺損譜；圖5為本發(fā)明經(jīng)過(guò)多層小波分解并重構(gòu)降噪的未發(fā)生擾動(dòng)的頻域譜；圖5為本發(fā)明一次修正的頻域缺損譜；圖6為本發(fā)明最終二次修正的頻域缺損譜，平坦的缺損譜用于提高擾動(dòng)定位精度。
具體實(shí)施例方式如圖I所不,分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)包括光發(fā)射模塊I，用于發(fā)出穩(wěn)定的寬光譜激光，并根據(jù)光纜系統(tǒng)長(zhǎng)度狀態(tài)人工調(diào)節(jié)穩(wěn)定光源；光干涉模塊由3X3光纖耦合器2、延遲光纖3、連接光纖4、3 X 3光纖耦合器5連接組成，其作用是將光發(fā)射模塊的寬光譜激光進(jìn)行分光、延時(shí)控制處理，生成有一定相位差的兩路干涉光，通過(guò)監(jiān)控線路向末端反射模塊進(jìn)行傳輸，并收由末端反射模塊反射回來(lái)的攜帶有擾動(dòng)源物理特征的光信號(hào)，經(jīng)逆向分光、時(shí)延控制處理，形成干涉信號(hào)光輸出。傳感光纖6為單芯光纖,在3X3光纖稱(chēng)合器5的端口和遠(yuǎn)端反射模塊7的端口之間，線路上每一點(diǎn)均可作為一監(jiān)控單元進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)；光接收模塊8、9的主要作用是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測(cè)器，其作用是檢測(cè)經(jīng)過(guò)傳輸后的微弱光信號(hào)，并放大、整形、再生成原傳輸信號(hào)經(jīng)過(guò)信息采集與處理模塊10的采集與計(jì)算之后將定位信息輸出給光纖振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)“光彈效應(yīng)”,光纖傳輸特性的變化將弓I起光纖中傳輸光相位的變化，從而使光的相位根據(jù)振動(dòng)源的特征產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)外界觸發(fā)作用在光纜上時(shí)，將引起光纖的長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化。波長(zhǎng)為λ的激光在長(zhǎng)度為I的光纖內(nèi)傳播后，對(duì)應(yīng)的相位延遲Φ為
權(quán)利要求
1.一種分布式光纖振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于包括以下步驟 第一步，選擇采樣頻率，對(duì)分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)中兩路探測(cè)模塊得到的時(shí)域光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集； 第二步，對(duì)第一步得到的兩路時(shí)域光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到相位擾動(dòng)的變化量，該相位變化量與外界對(duì)光纖施加擾動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變成正比； 第三步，對(duì)相位擾動(dòng)的變化量進(jìn)行傅立葉變換，得到擾動(dòng)定位的缺損譜，缺損譜中缺損點(diǎn)的頻率值能對(duì)傳感光纖中擾動(dòng)位置進(jìn)行定位； 第四步，對(duì)第三步得到的缺損譜采用多層小波算法進(jìn)行一維信號(hào)消噪處理，去除缺損譜中信號(hào)噪聲，提取有用信號(hào)，得到經(jīng)過(guò)小波降噪的缺損譜； 第五步，將第四步得到的經(jīng)小波降噪的缺損譜與傳感光纖沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)的域譜相減得到一次修正的頻域缺損譜，求取該采樣時(shí)間內(nèi)一次修正的頻域缺損譜強(qiáng)度均值，當(dāng)頻域譜強(qiáng)度均值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)入第六步進(jìn)行二次修正，同時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)報(bào)警；如果沒(méi)有超過(guò)設(shè)定閾值，則回到第一步繼續(xù)采樣； 第六步，利用最小二乘法對(duì)第五步得到的一次修正的頻域缺損譜進(jìn)行曲線擬合得到頻域譜，將擬合后的頻域譜與一次修正的頻域譜相減，得到二次修正的頻域缺損譜，再通過(guò)最小二乘算法對(duì)缺損點(diǎn)的頻率值進(jìn)行提??； 第七步，根據(jù)第六步得到的缺損點(diǎn)頻率值計(jì)算擾動(dòng)點(diǎn)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于所述設(shè)定閾值的方法為確定采樣點(diǎn)數(shù)N，對(duì)一次修正的頻域缺損譜曲線上N個(gè)采樣點(diǎn)的縱坐標(biāo)的強(qiáng)度求均值，得到未受擾動(dòng)的均值為a ;然后再施加擾動(dòng)情況下，求均值為b ;設(shè)置Y =(a+b)/2作為擾動(dòng)觸發(fā)報(bào)警閾值。
全文摘要
一種分布式光纖振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)處理方法，可以有效解決缺損譜傾斜情況并實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信息的閾值觸發(fā)報(bào)警。首先通過(guò)對(duì)兩路信號(hào)歸一化消除光路噪聲，其次采用小波多層分解并重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺損譜的降噪，并采用曲線擬合修正傾斜的缺損譜，實(shí)現(xiàn)平直的缺損譜，提高缺損點(diǎn)準(zhǔn)確性，提高擾動(dòng)測(cè)量的定位精度。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102879081SQ20121034142
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者姜萌, 王巍, 魏宇峰, 王學(xué)鋒, 王軍龍 申請(qǐng)人:北京航天時(shí)代光電科技有限公司