CN112229501A - 一种基于ofdr的振动信号自动检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于OFDR的振动信号自动检测装置和方法，通过分段互相关运算，获取OFDR频谱上每段谱线上的最大互相关系数，构成随频率分布的互相关系数曲线。同时设计了一种自动判别阈值曲线，当互相关系数曲线小于阈值时，即可检测到振动的产生。然后根据OFDR频率与距离的线性对应关系，确定振动发生的位置，其目的在于检测OFDR测试光纤上发生的振动以及振动定位。本发明算法只需要做简单的互相关运算，可降低运算复杂度，具有很快的响应速度，而且可根据信号的实时变化自动实现对振动信号的检测与判别。

Description

一种基于OFDR的振动信号自动检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于OFDR的振动信号自动检测装置和方法。

背景技术

分布式光纤振动检测***主要分为基于干涉仪和基于相位敏感光时域反射仪两类。基于干涉仪的分布式光纤振动检测方法通常需要多根纤芯，并在检测末端施加额外辅助装置。基于相位敏感光时域反射仪的方法只需要利用光缆中一根纤芯即可完成整条线路的检测，且不需要进行末端处理，但是与干涉仪型的检测方法一样，他们都不具备跨中继检测的能力，在采用中继器的长距离光缆线路***中无法实现跨中继振动监测。

OFDR(光频域反射)由于具有高空间分辨率和大动态测量范围，作为一种先进的光纤测量技术被广泛地应用到光缆的日常监测和维护当中，与传统振动检测方法相比，其只需要两根上下行纤芯即可完成长达上千公里的跨中继线路振动和损耗监测。但是由于OFDR对振动的敏感性较低和较长的测量时间，很少被用于振动信号的检测中。

发明内容

本发明所要解决的是OFDR检测振动的不敏感特性和测量时间长的问题，提供一种基于OFDR的振动信号自动检测装置和方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，包括步骤如下：

步骤1、在待测光纤无外界扰动的情况下获取参考信号s₁(t)，并计算该参考信号s₁(t)的参考对数功率谱曲线P₁(f)；在不确定待测光纤有无外界扰动的情况下获取测试信号s₂(t)，并计算该测试信号s₂(t)的测试对数功率谱曲线P₂(f)；

步骤2、选取一个长度为M的滑动窗口，从参考对数功率谱曲线P₁(f)和测试对数功率谱曲线P₂(f)的起始位置分别对其进行加窗处理，且每隔一个频率采样点进行一次窗口平移；

步骤3、对每段经加窗处理后的参考对数功率谱曲线P₁(f)和测试对数功率谱曲线P₂(f)数据分别进行零均值处理，得到第i个频率采样点的参考窗口对数功率谱曲线P_1i(f)和第i个频率采样点的测试窗口对数功率谱曲线P_2i(f)；

步骤4、对第i个频率采样点的参考窗口对数功率谱曲线P_1i(f)和第i个频率采样点的测试窗口对数功率谱曲线P_2i(f)做互相关运算，寻找互相关运算后所得系数向量的最大互相关系数作为第i个频率采样点的互相关系数C(i)；

步骤5、先利用第1个频率采样点的互相关系数C(1)至第i个频率采样点的互相关系数C(i)计算第i个频率采样点的均值E_i和标准差σ_i；再将第i个频率采样点的均值E_i与标准差σ_i的倍数做减法运算后得到第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)；

步骤6、比较第i个频率采样点的互相关系数C(i)和第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)：如果第i个频率采样点的互相关系数C(i)小于第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)，则判断待测光纤在第i个频率采样点有振动产生；否则，判断待测光纤在第i个频率采样点无振动产生；

上述i∈[1,N-M+1]，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度。

上述步骤1中：

参考对数功率谱曲线P₁(f)为：

测试对数功率谱曲线P₁(f)为：

式中，corr[·]表示自相关运算，s₁(t)为参考信号，s₂(t)为测试信号，s₁(t+τ)为延迟时间τ的参考信号，s₂(t+τ)为延迟时间τ的测试信号，τ为延迟时间参数，f为拍频频率。

上述步骤4中，第i个频率采样点的互相关系数C(i)为：

C(i)＝Max<xcorr[P_1i(f)P_2i(f)]>,i∈[1,N-M+1],f∈[i,M+i]

式中，Max<·>表示求最大值，xcorr[·]表示做互相关运算，P_1i(f)为第i个频率采样点的参考窗口对数功率谱曲线，P_2i(f)为第i个频率采样点的测试窗口对数功率谱曲线，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度，f为频率。

上述步骤5中，第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)为：

th(i)＝E_i-kσ_i

式中，E_i为均值，σ_i为标准差，k为设定的任意自然数，i∈[1,N-M+1]，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度。

作为改进，上述基于OFDR的振动信号自动检测方法，还进一步包括：

步骤7、当判断待测光纤在第i个频率采样点有振动产生时，则根据下式确定待测光纤在第i个频率采样点发生振动的位置L(i)；

式中，f(i)为第i个频率采样点的功率，T_m为可调谐激光器的有效扫描时间，c为真空中的光速，n为光纤折射率，ΔF为激光源频率线性调谐范围，i∈[1,N-M+1]，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度。

实现上述方法的一种基于OFDR的振动信号自动检测装置，包括可调谐窄线宽激光器、隔离器、耦合器、待测光纤、反射镜、光电探测器、以及电信号采集与处理模块；可调谐窄线宽激光器的输出端连接隔离器的输入端；隔离器的输出端连接耦合器的一侧的一个端口，耦合器的同一侧的另一端口经由检测光电探测器连接电信号采集与处理模块；耦合器的另一侧的一个端口接反射镜，耦合器的另一侧的一个端口接待测光纤。

实现上述方法的另一种基于OFDR的振动信号自动检测装置，包括可调谐窄线宽激光器、主通道耦合器、检测通道隔离器、检测通道单元、校正通道隔离器、校正通道单元、以及电信号采集与处理模块；检测通道单元由检测耦合器、待测光纤、检测反射镜和检测光电探测器组成；检测耦合器的一侧包括至少2个端口，其中一个端口形成检测通道单元的输入端，另一个端口与检测光电探测器的输入端连接，检测光电探测器的输出端形成检测通道单元的输出端；检测耦合器的另一侧包括至少2个端口，其中一个端口接检测反射镜，另一个端口接待测光纤；校正通道单元由校正耦合器、延时光纤、2个校正反射镜和校正光电探测器组成；校正耦合器的一侧包括至少2个端口，其中一个端口形成校正通道单元的输入端，另一个端口与校正光电探测器的输入端连接，校正光电探测器的形成校正通道单元的输出端；校正耦合器的另一侧包括至少2个端口，其中一个端口接一个校正反射镜，另一端口经延时光纤接另一个校正反射镜；可调谐窄线宽激光器的输出端连接主通道耦合器的输入端；主通道耦合器的一个输出端连接检测通道单元的输入端，主通道耦合器的另一个输出端连接校正通道单元的输入端；检测通道单元的输出端和校正通道单元的输出端连接电信号采集与处理模块的输入端。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、实现OFDR对振动信号的检测和定位；

2、可根据信号的实时变化自动实现对振动检测的判别；

3、只需要做简单的互相关运算，降低运算复杂度，具有很快的响应速度。

附图说明

图1为一种基于OFDR的振动信号自动检测方法的流程图。

图2为一种基于OFDR的振动信号自动检测装置的原理图。

图3为另一种基于OFDR的振动信号自动检测装置的原理图。

图4为本发明中自动判别阈值曲线检测是否有振动产生并进行定位的效果图。

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明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

本发明的工作原理为：光缆某点处有外界振动产生时，该点处的光缆则会产生微弱的形变，继而此处的折射率会发生改变。折射率的改变则间接导致此处的后向瑞利散射信号的幅度发生改变。因此，后向瑞利散射光与返回的参考光在耦合器处发生差频干涉，干涉后的拍频信号经光电探测器接收后，再由电信号采集与处理模块进行信号处理与分析，最终确定有振动信号产生。

本发明通过分段互相关运算，获取OFDR频谱上每段谱线上的最大互相关系数，构成随频率分布的互相关系数曲线。同时设计了一种自动判别阈值曲线，当互相关系数曲线小于阈值时，即可检测到振动的产生。然后根据OFDR频率与距离的线性对应关系，确定振动发生的位置。检测OFDR测试光纤上发生的振动以及振动定位。本发明算法只需要做简单的互相关运算，可降低运算复杂度，具有很快的响应速度，而且可根据信号的实时变化自动实现对振动信号的检测与判别。

一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，如图1所示，其具体包括步骤如下：

步骤1：在待测光纤无外界扰动的情况下获取参考信号s₁(t)，并在不确定待测光纤有无外界扰动的情况下获取测试信号s₂(t)。

在待测光纤无外界扰动的情况下，从检测通道单元的检测光电探测器接受到的差频干涉信号经过电信号采集与信号处理模块进行处理后，可获取参考信号s₁(t)。

在不确定待测光纤有无外界扰动的情况下，从检测通道单元的检测光电探测器接受到的差频干涉信号经过电信号采集与信号处理模块进行处理后，可获取测试信号s₂(t)。

步骤2：基于获得的参考信号s₁(t)计算对应的对数功率谱曲线P₁(f)，基于获得的测试信号s₂(t)计算对应的对数功率谱曲线P₂(f)，其分别为：

式中，τ为延迟时间参数，corr[·]表示自相关运算，f为拍频频率。

步骤3：对参考对数功率谱曲线P₁(f)和测试对数功率谱曲线P₂(f)进行零均值处理和互相关运算后得到其互相关系数曲线C(i)。

首先，选取一个长度为M的滑动窗口，从P₁(f)和P₂(f)的起始位置分别对其进行加窗处理。

然后，每隔一个频率采样点进行一次窗口平移，并对每段经加窗处理后的参考对数功率谱曲线P₁(f)和测试对数功率谱曲线P₂(f)再分别进行零均值处理，得到第i个频率采样点的参考窗口信号P_1i(f)和第i个频率采样点的测试窗口信号P_2i(f)。

最后，对得到第i个频率采样点的参考窗口信号P_1i(f)和第i个频率采样点的测试窗口信号P_2i(f)做互相关运算，寻找互相关运算后所得系数向量的最大互相关系数作为第i个数据点的互相关系数C(i)；

第i个数据点的互相关系数C(i)可表示为：

C(i)＝Max<xcorr[P_1i(f)P_2i(f)]>,i∈[1,N-M+1],f∈[i,M+i] (2)

式中，Max<·>表示求最大值，xcorr[·]表示做互相关运算，N为频率采样点总数，M为窗口长度，M＝100。实际应用中可根据定位分辨率进行调整。

步骤4：分别利用第1个频率采样点的互相关系数C(1)至第i个频率采样点的互相关系数C(i)计算第i个频率采样点的均值E_i和标准差σ_i，再将均值E_i和标准差σ_i的倍数做减法运算后得到第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)：

式中，k为设定的任意自然数，改变k的值可调节th(i)的灵敏度。本实施例中，k取12。

步骤5：比较第i个频率采样点的互相关系数C(i)和第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)来判断第i个频率采样点是否有振动产生：当互相关系数C(i)小于自动判别阈值th(i)，即C(i)-th(i)<0时，则表明待测光纤在第i个频率采样点有振动的产生；否则，即C(i)-th(i)≥0时，表明待测光纤在第i个频率采样点无振动产生。

步骤6：当判断待测光纤在第i个频率采样点有振动的产生时，根据OFDR频率与距离的线性对应关系，确定第i个频率采样点振动发生的位置L(i)：

式中，f(i)为第i个频率采样点的功率，T_m为可调谐激光器的有效扫描时间，c为真空中的光速，n为光纤折射率，ΔF为激光源频率线性调谐范围。

实现上述方法的一种基于OFDR的振动信号自动检测装置，如图2所示，包括可调谐窄线宽激光器、隔离器、耦合器、待测光纤、反射镜、光电探测器、以及电信号采集与处理模块；可调谐窄线宽激光器的输出端连接隔离器的输入端；隔离器的输出端连接耦合器的一侧的一个端口，耦合器的同一侧的另一端口经由检测光电探测器连接电信号采集与处理模块；耦合器的另一侧的一个端口接反射镜，耦合器的另一侧的一个端口接待测光纤。

可调谐窄线宽激光器发出的光经过隔离器进入耦合器，耦合器将其分成两束光，其中一束光经一个反射镜后反射回耦合器中，另一束光在通过待测光纤时发生瑞利散射后返回耦合器中。待测光纤返回的后向瑞利散射光与经反射镜直接反射回的光在耦合器中进行差频干涉，产生的差频干涉信号经过光电探测器接收后送入电信号采集与处理模块进行信号处理与分析，实现振动信号检测。

当有振动产生时，电信号采集与处理模块通过分段互相关运算，获取OFDR频谱上每段谱线上的最大互相关系数，然后重构成随频率分布的互相关系数曲线。当测得互相关系数曲线小于自动判别曲线的阈值时，即可检测到振动的产生。然后根据OFDR频率与距离的线性对应关系，确定振动发生的位置。在本实施中，可调谐激光器线宽约为1kHz，中心波长为1550nm，光源的输出功率约为10mw，调谐速率为120GHz，采样频率为100MHz，光源的调谐范围为600MHz，扫描有效时间为0.005s。由于可调谐激光器的非线性调谐效应，导致测量的空间分辨率较差，因此需要在检测通道单元的基础上，增设一路校正通道单元。校正通道单元的主要作用是用来估计由于非线性调谐带来的非线性相位，然后根据这个估计值设计合适去斜滤波器算法进行非线性补偿。

实现上述方法的另一种基于OFDR的振动信号自动检测装置，如图3所示，包括可调谐窄线宽激光器、主通道耦合器、检测通道隔离器、检测通道单元、校正通道隔离器、校正通道单元、以及电信号采集与处理模块；检测通道单元由检测耦合器、待测光纤、检测反射镜和检测光电探测器组成；检测耦合器的一侧包括至少2个端口，其中一个端口形成检测通道单元的输入端，另一个端口与检测光电探测器的输入端连接，检测光电探测器的输出端形成检测通道单元的输出端；检测耦合器的另一侧包括至少2个端口，其中一个端口接检测反射镜，另一个端口接待测光纤；校正通道单元由校正耦合器、延时光纤、2个校正反射镜和校正光电探测器组成；校正耦合器的一侧包括至少2个端口，其中一个端口形成校正通道单元的输入端，另一个端口与校正光电探测器的输入端连接，校正光电探测器的形成校正通道单元的输出端；校正耦合器的另一侧包括至少2个端口，其中一个端口接一个校正反射镜，另一端口经延时光纤接另一个校正反射镜；可调谐窄线宽激光器的输出端连接主通道耦合器的输入端；主通道耦合器的一个输出端连接检测通道单元的输入端，主通道耦合器的另一个输出端连接校正通道单元的输入端；检测通道单元的输出端和校正通道单元的输出端连接电信号采集与处理模块的输入端。

可调谐窄线宽激光器发出的光经主通道耦合器后分成两束光，一束光经过检测通道隔离器进入检测通道单元的输入端，另一束光经过校正通道隔离器进入校正通道单元的输入端。从检测通道隔离器出来的光经检测耦合器后再分成两束光，其中一束光经一个检测反射镜后反射回检测耦合器中，另一束光在通过待测光纤时发生瑞利散射后返回检测耦合器中。待测光纤返回的后向瑞利散射光与经检测反射镜直接反射回的光在检测耦合器中进行差频干涉，产生的差频干涉信号经过检测光电探测器接收后送入电信号采集与处理模块进行信号处理与分析，实现振动信号检测。从校正通道隔离器出来的光经校正耦合器后再分成两束光，其中一束光经一个校正反射镜后反射回校正耦合器中，另一束光在通过延时光纤时发生瑞利散射，并经由另一个校正反射镜后反射回校正耦合器中。延时光纤返回的后向瑞利散射光与经校正反射镜直接反射回的光在校正耦合器中进行差频干涉，产生的差频干涉信号经过校正光电探测器接收后送入电信号采集与处理模块进行信号处理与分析，实现非线性补偿。

当有振动产生时，电信号采集与处理模块利用检测通道单元的信号通过分段互相关运算，获取OFDR频谱上每段谱线上的最大互相关系数，然后重构成随频率分布的互相关系数曲线。当测得互相关系数曲线小于自动判别曲线的阈值时，即可检测到振动的产生。然后根据OFDR频率与距离的线性对应关系，确定振动发生的位置。在本实施中，可调谐激光器线宽约为1kHz，中心波长为1550nm，光源的输出功率约为10mw，调谐速率为120GHz，采样频率为100MHz，光源的调谐范围为600MHz，扫描有效时间为0.005s。由于可调谐激光器的非线性调谐效应，导致测量的空间分辨率较差，因此需要在检测通道单元的基础上，增设一路校正通道单元。校正通道单元的主要作用是用来估计由于非线性调谐带来的非线性相位，然后根据这个估计值设计合适去斜滤波器算法进行非线性补偿。

图4为自动判别阈值曲线判别是否有振动产生并进行定位的效果图。从图4可知当互相关系数曲线小于自动判别曲线时，表明此处有振动信号产生。从图4振动位置局部放大图可得振动位置处的频率为31.21MHz，然后根据公式(4)的对应公式确定在26.91Km处发生了振动。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、在待测光纤无外界扰动的情况下获取参考信号s₁(t)，并计算该参考信号s₁(t)的参考对数功率谱曲线P₁(f)；在不确定待测光纤有无外界扰动的情况下获取测试信号s₂(t)，并计算该测试信号s₂(t)的测试对数功率谱曲线P₂(f)；

步骤2、选取一个长度为M的滑动窗口，从参考对数功率谱曲线P₁(f)和测试对数功率谱曲线P₂(f)的起始位置分别对其进行加窗处理，且每隔一个频率采样点进行一次窗口平移；

步骤3、对每段经加窗处理后的参考对数功率谱曲线P₁(f)和测试对数功率谱曲线P₂(f)数据分别进行零均值处理，得到第i个频率采样点的参考窗口对数功率谱曲线P_1i(f)和第i个频率采样点的测试窗口对数功率谱曲线P_2i(f)；

步骤4、对第i个频率采样点的参考窗口对数功率谱曲线P_1i(f)和第i个频率采样点的测试窗口对数功率谱曲线P_2i(f)做互相关运算，寻找互相关运算后所得系数向量的最大互相关系数作为第i个频率采样点的互相关系数C(i)；

步骤5、先利用第1个频率采样点的互相关系数C(1)至第i个频率采样点的互相关系数C(i)计算第i个频率采样点的均值E_i和标准差σ_i；再将第i个频率采样点的均值E_i与标准差σ_i的倍数做减法运算后得到第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)；

步骤6、比较第i个频率采样点的互相关系数C(i)和第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)：如果第i个频率采样点的互相关系数C(i)小于第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)，则判断待测光纤在第i个频率采样点有振动产生；否则，判断待测光纤在第i个频率采样点无振动产生；

上述i∈[1,N-M+1]，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度。

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，其特征是，步骤1中：

参考对数功率谱曲线P₁(f)为：

测试对数功率谱曲线P₁(f)为：

式中，corr[·]表示自相关运算，s₁(t)为参考信号，s₂(t)为测试信号，s₁(t+τ)为延迟时间τ的参考信号，s₂(t+τ)为延迟时间τ的测试信号，τ为延迟时间参数，f为拍频频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，其特征是，步骤4中，第i个频率采样点的互相关系数C(i)为：

C(i)＝Max<xcorr[P_1i(f)P_2i(f)]>,i∈[1,N-M+1],f∈[i,M+i]

式中，Max<·>表示求最大值，xcorr[·]表示做互相关运算，P_1i(f)为第i个频率采样点的参考窗口对数功率谱曲线，P_2i(f)为第i个频率采样点的测试窗口对数功率谱曲线，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度，f为频率。

4.根据权利要求1所述的一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，其特征是，步骤5中，第i个频率采样点的自动判别阈值th(i)为：

th(i)＝E_i-kσ_i

式中，E_i为均值，σ_i为标准差，k为设定的任意自然数，i∈[1,N-M+1]，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度。

5.根据权利要求1所述的一种基于OFDR的振动信号自动检测方法，其特征是，还进一步包括：

步骤7、当判断待测光纤在第i个频率采样点有振动产生时，则根据下式确定待测光纤在第i个频率采样点发生振动的位置L(i)；

式中，f(i)为第i个频率采样点的功率，T_m为可调谐激光器的有效扫描时间，c为真空中的光速，n为光纤折射率，ΔF为激光源频率线性调谐范围，i∈[1,N-M+1]，N为频率采样点总数，M为滑动窗口长度。

6.实现权利要求1所述方法的一种基于OFDR的振动信号自动检测装置，其特征是，包括可调谐窄线宽激光器、隔离器、耦合器、待测光纤、反射镜、光电探测器、以及电信号采集与处理模块；

可调谐窄线宽激光器的输出端连接隔离器的输入端；隔离器的输出端连接耦合器的一侧的一个端口，耦合器的同一侧的另一端口经由检测光电探测器连接电信号采集与处理模块；耦合器的另一侧的一个端口接反射镜，耦合器的另一侧的一个端口接待测光纤。

7.实现权利要求1所述方法的一种基于OFDR的振动信号自动检测装置，其特征是，包括可调谐窄线宽激光器、主通道耦合器、检测通道隔离器、检测通道单元、校正通道隔离器、校正通道单元、以及电信号采集与处理模块；

检测通道单元由检测耦合器、待测光纤、检测反射镜和检测光电探测器组成；检测耦合器的一侧包括至少2个端口，其中一个端口形成检测通道单元的输入端，另一个端口与检测光电探测器的输入端连接，检测光电探测器的输出端形成检测通道单元的输出端；检测耦合器的另一侧包括至少2个端口，其中一个端口接检测反射镜，另一个端口接待测光纤；

校正通道单元由校正耦合器、延时光纤、2个校正反射镜和校正光电探测器组成；校正耦合器的一侧包括至少2个端口，其中一个端口形成校正通道单元的输入端，另一个端口与校正光电探测器的输入端连接，校正光电探测器的形成校正通道单元的输出端；校正耦合器的另一侧包括至少2个端口，其中一个端口接一个校正反射镜，另一端口经延时光纤接另一个校正反射镜；

可调谐窄线宽激光器的输出端连接主通道耦合器的输入端；主通道耦合器的一个输出端连接检测通道单元的输入端，主通道耦合器的另一个输出端连接校正通道单元的输入端；检测通道单元的输出端和校正通道单元的输出端连接电信号采集与处理模块的输入端。

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