CN111256805A - 分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，包括以下步骤：S1：获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；S2：根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；S3：通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；S4：根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离。本发明通过很小的计算量就可以得到振动源横向位置信息，大大减少实际应用中的误报。

Description

分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法及***
技术领域
本发明涉及分布式光纤瑞利散射振动传感***技术领域，尤其涉及一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法及***。
背景技术
分布式光纤振动传感器是近几十年来发展的一种用于实时测量空间振动信息分布的光纤传感***。经过几十年的发展，该技术比较成熟的。
Figure BDA0002356832260000012
分布式光纤振动传感***利用瑞利散射信号，扰动位置根据OTDR原理可由下式计算：
Figure BDA0002356832260000011
其中，Δt为发出脉冲到收到该点光信号的时间；c光速；n为光纤纤芯折射率。
近年来，该***在管道检测、安防检测等方面得到了广泛关注。在长输管道中，分布式光纤振动传感***利用同沟敷设光缆作为伴随传感介质，感知管道沿线的振动信息，对管道沿线入侵事件进行智能识别，实现对管道的实时监测、定位、预警和报警。目前主流的分布式光纤振动传感器只有光纤轴向定位功能，局限了分布式光纤振动传感器的实际应用。如果有横向定位功能的话，可以减少很多无威胁事件的误报。比如在光缆横向距离50米的地方，有公路，上面有大型车辆经过，振动会传到光缆上，就会引起误报。如果***可以定位振动源横向位置，那么可以判断出振动源在光缆的安全距离，没有威胁，不报警，就可以减少类似的误报。
但是关于振动源横向定位的专利很少，同时也存在不完善的地方。比如专利：CN103954349 B一种分布式光纤振动传感***的侧向定位方法。该方法是最基本的定位原理，但是需要知道准确的振动波在土壤中的传播速度，但是不同的土壤(土质，含水量等)中振动波传感速度不同。专利CN 103292889 B一种分布式光纤振动传感器振源定位方法。该方法数据量很大，对实时处理要求较高。
发明内容
针对现有分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法不足或改进需求，本发明提供了一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法及***。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，包括以下步骤：
S1：获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；
S2：根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；
S3：通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；
S4：根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离L：
Figure BDA0002356832260000021
接上述技术方案，振动源的振动波包含了多个频率的波，光纤轴向振动中心和监测点感应连续频率包络的振动波，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt1，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt2。
接上述技术方案，监测点到光纤轴向振动中心的距离d大于距离计算的误差范围，并在振动源的声音传播范围内。
接上述技术方案，还包括步骤：
选择多个监测点，重复步骤S3和S4的步骤，分别计算横向距离L，取均值。
本发明还提供了一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位***，包括：
时空振动数据获取模块，用于获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；
光纤轴向振动中心的位置计算模块，用于根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；
振动数据波宽度获取模块，用于通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；
横向距离计算模块，用于根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离L：
Figure BDA0002356832260000031
接上述技术方案，振动源的振动波包含了多个频率的波，光纤轴向振动中心和监测点感应连续频率包络的振动波，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt1，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt2。
接上述技术方案，监测点到光纤轴向振动中心的距离d大于距离计算的误差范围，并在振动源的声音传播范围内。
接上述技术方案，所述振动数据波宽度获取模块还用于获取多个监测点的振动数据波宽度，所述横向距离计算模块用于计算多个监测点的横向距离。
本发明还提供了一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法。
本发明产生的有益效果是：
1)本发明的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法在现有的设备指标下，利用单点振动源发出的包含多个频率的振动波在同一个介质下存在色散，传播速度不一样，在光纤轴向振动中心和监测点分别测量振动波宽度，进而计算出光纤轴向振动中心到振动源的距离。
2)由于采用参考点的方法，避免计算土壤振动波传播速度的难题(不同土壤，不同结构，不同天气都会影响振动传播速度。如果定位需要定标振动传播速度的话，以上条件发生改变就需要重新定标，无法在实际中应用。)
3)通过很小的计算量就可以得到振动源横向位置信息，大大减少实际应用中的误报。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法流程图；
图2是本发明实施例横向定位方法原理示意图。
图3是本发明实施例一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位***的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，包括以下步骤：
S1：获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；
S2：根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；
S3：通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；
S4：根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离L：
Figure BDA0002356832260000041
为了测量的准确性，可以选择多个监测点，重复步骤S3和S4的步骤，分别计算横向距离L，取均值。
如图2示，本发明实施例横向定位方法原理示意图。图2(a)中，A为振动源；C为传感光纤上离振动源最近的单元，即光纤上轴向振动中心。AC垂直于光纤，AC的距离L也就是振动源横向距离。B为光纤上与轴向振动中心C间隔距离d的监测单元。
目前，大多数论文和专利，给出了详细的方法计算光纤起始段到C点的距离(列如专利CN 102628698 A，CN 106092305 A，CN 104964699 A，CN 108088548 A，CN 107101658A等)，很少给出L的大小。
专利CN 103954349 B给出计算振动源距离AC的方法。本方法更具有优势：(1)CN103954349 B采用了振动波强度到达光纤不同位置的时间不一样来计算距离L。本专利采用了振动波色散原理，振动源不同波达到光纤同一位置的时间差不一样来计算L。(2)CN103954349 B必须使用光纤上两个不同点来感应时间差，同时要知道振动波的速度。本方法如果知道不同波的传播速度，利用下文公式(1)就可以求出距离L。(3)得到振动波在土壤的传播速度，然后计算距离L在实际中是不可能的。因为不同土壤，不同结构，不同天气都会影响振动传播速度。计算L就需要定标振动传播速度的话，以上条件发生改变就需要重新定标，无法在实际中应用。本方法采用参考点的方法，避免求出振动波速度，得到距离L。下文公式(1)和(2)中，虽然出现速度参量，但是通过算法可以消除。在实际的意义是土壤，结构，天气，雨水的改变，会同时影响振动波的色散，但是通过参考比值的方法就可以避免影响。(4)本方法计算误差比CN 103954349 B小。振动源距离光纤的距离一般不是很远，几米到几十米范围(如果距离过大，振动波基本是传输不过来，同时分布式光纤振动传感器也感应不到。所以横向定位误差必须要小。CN 103954349 B忽略了振动波的色散，当作是一个波来处理。通过查阅数据，可以知道机械振动波在土壤传播速度200m/s到600m/s居多，随便一个小误差，就导致横向距离L误差几米，甚至几十米。
本专利给出计算L大小的方法。原理如下：
振动源的振动波包含了很多频率的波，在同一个介质下存在色散，传播速度不一样。如图2(a)所示。一个振动源中多个频率的波振动传输到光纤C点上，也就是C点感应了一个连续频率包络的振动波，那么必然存在速度最快的v1波和速度最慢的v2波。当速度最快的波到达C点，振动开始，一直到速度最慢的波到达C点，振动结束，于是得到振动波宽度Δt1。如图2(b)所示，横坐标为光纤长度，纵坐标为时间，图中的曲线为光纤中一个监测单元强度或者相位随时间的变化。
同理，位置B(间隔振动中心距离为d)同样存在振动波宽度Δt2。
从图2(a)中我们可以得到如下信息，AC距离为L是我们要计算的；
CB距离为d，通过振动时空数据中可以得到；AB的距离为
Figure BDA0002356832260000065
C点，最快和最慢的波传输时间差，也就是振动波宽度Δt1，通过单点的振动时空数据可以得到；同理B点的Δt2也可以得到。
根据距离，速度，时间关系，可以得到AC，AB振动传播关系式
Figure BDA0002356832260000061
Figure BDA0002356832260000062
公式(1)，(2)中，速度v1，v2是未知的，L是需要计算的。
将公式(2)除以公式(1)，可以得到
Figure BDA0002356832260000063
从公式(3)中，可以计算出
Figure BDA0002356832260000064
从以上分析过程可以看到，该方法不需要知道振动波在土壤中的传播速度，同时采用最简单的计算方法就可以得到横向距离。
如图3所示，本发明还提供了一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位***，主要用于实现上述实施例的横向定位方法，该***包括：
时空振动数据获取模块，用于获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；
光纤轴向振动中心的位置计算模块，用于根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；
振动数据波宽度获取模块，用于通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；
横向距离计算模块，用于根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离L：
Figure BDA0002356832260000071
振动源的振动波包含了多个频率的波，光纤轴向振动中心和监测点感应连续频率包络的振动波，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt1，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt2。
监测点到光纤轴向振动中心的距离d大于距离计算的误差范围，并在振动源的声音传播范围内。
振动数据波宽度获取模块还用于获取多个监测点的振动数据波宽度，所述横向距离计算模块用于计算多个监测点的横向距离。
本发明实施例的计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述实施例的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；
S2：根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；
S3：通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；
S4：根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离L：
Figure FDA0002356832250000011
2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，其特征在于，振动源的振动波包含了多个频率的波，光纤轴向振动中心和监测点感应连续频率包络的振动波，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt1，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt2。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，其特征在于，监测点到光纤轴向振动中心的距离d大于距离计算的误差范围，并在振动源的声音传播范围内。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法，其特征在于，还包括步骤：
选择多个监测点，重复步骤S3和S4的步骤，分别计算横向距离L，取均值。
5.一种分布式光纤振动传感器振动源横向定位***，其特征在于，包括：
时空振动数据获取模块，用于获取单点振动源引起的光纤空间分布的时空振动数据；
光纤轴向振动中心的位置计算模块，用于根据时空振动数据计算出传感光纤上离振动源最近的光纤轴向振动中心的位置；
振动数据波宽度获取模块，用于通过振动时空数据，分别获取光纤轴向振动中心和与其间隔距离为d的监测点的振动数据波宽度Δt1，Δt2；
横向距离计算模块，用于根据地震波色散原理得到振动源与光纤轴向振动中心之间的横向距离L：
Figure FDA0002356832250000021
6.根据权利要求5所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位***，其特征在于，振动源的振动波包含了多个频率的波，光纤轴向振动中心和监测点感应连续频率包络的振动波，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt1，速度最快的波与速度最慢的波到达光纤轴向振动中心的间隔为振动波宽度Δt2。
7.根据权利要求5所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位***，其特征在于，监测点到光纤轴向振动中心的距离d大于距离计算的误差范围，并在振动源的声音传播范围内。
8.根据权利要求5所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位***，其特征在于，所述振动数据波宽度获取模块还用于获取多个监测点的振动数据波宽度，所述横向距离计算模块用于计算多个监测点的横向距离。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1-4中任一项所述的分布式光纤振动传感器振动源横向定位方法。
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