CN114777903A - 一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法和装置 - Google Patents

一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法和装置，包括：在构建模拟用未振动信号和根据历史振动点频率振动信号的基础上，根据模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号构建当前模拟互相关曲线来确定振动点，并计算振动点频率，这样通过仿真和实际相结合，能够很大程度上降低实际的噪声干扰并提高空间定位的分辨率，实现了对多振动点位置的检测，适用于各种分布式光纤***结构，具有更好的可实现性。

Description

一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法和 装置
技术领域
本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法和装置。
背景技术
分布式光纤传感技术具有分布式测量的能力，能够检测被测量在时间和空间上的连续分布。光频域反射计通过检测光的相位变化检测待测量，具有分辨率高、抗电磁干扰的优点，有良好的应用前景，适合长距离的分布式测量。
文献Ding Z,Yang D,Liu K,et al.Long-Range OFDR-Based DistributedVibration Optical Fiber Sensor by Multicharacteristics of Rayleigh Scattering[J].IEEE Photonics Journal,2017,9(5):1-10.中进行了光频域反射计(OFDR)两点的低频检测，通过采用阈值定位的方法成功在长达几十km的光纤上得到第一个振动点的位置和频率，同时采用多参数定位的方法，定位第二个振动点的位置，但是两个振动点位置相距较短。
光频域反射计***在进行扫频时，通常存在一定的非线性变化干扰，在采集处理信号时，会恶化相应的信息，影响***的性能。在已有的研究中，通过增加补偿结构，辅助相应的算法可以很大程度上降低非线性变化的影响，如文献Tiegen,Liu,Yang,et al.40-kmOFDR-Based Distributed Disturbance Optical Fiber Sensor[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(7):771-774.
专利文献CN112229501A公开了一种基于OFDR的振动信号自动检测装置和方法，具体是基于互相关系数和自动判别阈值曲线来定位单点振动的位置，不能实现多点振动检测。
总之，以上现有光频域反射计***的分析，对于光频域反射计的高频振动检测，未能实现多点振动检测。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法和装置，实现对高频振动的多点振动检测。
为实现上述发明目的，实施例提供的一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，包括以下步骤：
步骤1，获取分布式光纤中的未振动信号和振动信号，并转换到频域后依据比例将信号数据缩放到光纤长度；
步骤2，对经过步骤1处理后的未振动信号和振动信号进行互相关计算，依据互相关数值构建实际互相关曲线，并根据实际互相关曲线定位第1个振动点，并计算第1振动点频率；
步骤3，构建模拟用未振动信号，根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线；
步骤4，将当前模拟互相关曲线与实际互相关曲线的对应点进行差分计算，并将差分数值的平均值作为当前筛选阈值，筛选差分数值大于当前筛选阈值的位置作为当前轮次确定的振动点，并计算振动点频率；
步骤5，重复步骤3和4，以检测得到多个振动点及振动点频率。
优选地，步骤1中，对未振动信号和振动信号分别进行FFT处理，以将信号转换到频域，得到未振动信号和振动信号分别对应的幅度-频率图，基于频率数值与光纤实际位置的线性关系，将幅度-频率图经过比例缩放到光纤长度，使得频率数值与光纤实际位置一一对应。
优选地，步骤2中，依据互相关数值构建实际互相关曲线，包括：以计算的互相关数值为纵坐标，以信号传输距离为横坐标，以构建实际互相关曲线。
优选地，步骤2中，根据实际互相关曲线定位第1个振动点，包括：对实际互相关曲线上的所有互相关数值求平均以得到第一筛选阈值，从实际互相关曲线上筛选大于第一筛选阈值的位置作为第1振动点。
优选地，步骤3中，构建的模拟用未振动信号ESi(t)′为：
ESi(t)′＝E0exp{j[2πf0(t-τLi)+πγ(t-τLi)2]}
根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号ESi(t)为：
Figure BDA0003619052160000031
δi＝cos(2pili/L)
L＝v/(2fvi)
其中，E0表示光场强度，t表示时间，τLi为光纤上某一点距离原点的延迟时间，f0光的本征频率，fvi表示第i个振动点频率，li光纤上某一点距离振动位置处的长度，v为光纤中的光速，L为一个调制周期的长度，与fvi有关，δi表示调制信号。
优选地，振动点频率的计算过程，包括：
以振动点在未振动信号对应的幅度-频率图中的对应位置为未振动原点；
以振动点在振动信号对应的幅度-频率图中的对应位置为振动原点，计算振动原点的相邻前序频率序列与未振动原点对应频率的互相关数值，并选择最大互相关数值对应的频率为振动点频率。
其中，所述振动原点的相邻前序频率序列是指以振动原点为基准，距离向前到上一个振动点频率之间的所有频率形成的序列。
为实现上述发明目的，实施例还提供了一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤1，获取分布式光纤中的未振动信号和振动信号，并转换到频域后依据比例将信号数据缩放到光纤长度；
步骤2，对经过步骤1处理后的未振动信号和振动信号进行互相关计算，依据互相关数值构建实际互相关曲线，并根据实际互相关曲线定位第1个振动点，并计算第1振动点频率；
步骤3，构建模拟用未振动信号，根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线；
步骤4，将当前模拟互相关曲线与实际互相关曲线的对应点进行差分计算，并将差分数值的平均值作为当前筛选阈值，筛选差分数值大于当前筛选阈值的位置作为当前轮次确定的振动点，并计算振动点频率；
步骤5，重复步骤3和4，以检测得到多个振动点及振动点频率。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
在构建模拟用未振动信号和根据历史振动点频率振动信号的基础上，根据模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号构建当前模拟互相关曲线来确定振动点，并计算振动点频率，这样通过仿真和实际相结合，能够很大程度上降低实际的噪声干扰并提高空间定位的分辨率，实现了对多振动点位置的检测，适用于各种分布式光纤***结构，具有更好的可实现性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1和图2是实施例提供的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法的流程图；
图3是实施例提供的振动点定位示意图；
图4是实施例提供的振动点频率解析结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为解决OFDR检测高频振动的多点多频振动问题，实施例提供了一种基于信号互相关的OFDR多点振动检测的方法和装置，采用互相关数值定位与频率仿真重建相结合的方法来定位多点振动的位置和频率，以提升光频域反射计多振动点的检测性能。
图1和图2是实施例提供的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法的流程图。如图1和图2所示，实施例提供的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，包括以下步骤：
步骤1，获取分布式光纤中的未振动信号和振动信号，并转换到频域后依据比例将信号数据缩放到光纤长度。
实施例中，分布式光纤中的未振动信号和振动信号通过光频域反射计的采集卡被采集到，采集得到的未振动信号和振动信号进行频域转换和缩放调整。
具体地，对未振动信号和振动信号分别进行FFT(快速傅里叶变换)处理，以将信号转换到频域，得到未振动信号和振动信号分别对应的幅度-频率图，基于频率数值与光纤实际位置的线性关系，将幅度-频率图经过比例缩放到光纤长度，使得频率数值与光纤实际位置一一对应。
步骤2，对经过步骤1处理后的未振动信号和振动信号进行互相关计算，依据互相关数值构建实际互相关曲线，并根据实际互相关曲线定位第1个振动点，并计算第1振动点频率。
实施例中，对未振动信号对应的幅度-频率图和振动信号对应的幅度-频率图中信号幅度进行互相关计算，以得到互相关数值，并依据互相关数值构建实际互相关曲线，具体地，以计算的互相关数值为纵坐标，由于频率数值与光纤实际位置一一对应，所以直接以信号传输距离(也就是光纤实际位置)为横坐标，以构建实际互相关曲线。
实施例中，根据实际互相关曲线定位第1个振动点，包括：对实际互相关曲线上的所有互相关数值求平均以得到第一筛选阈值A，从实际互相关曲线上所有位置点进行筛选，当某个位置点的互相关数据大于第一筛选阈值A时，则将该位置点作为第1振动点。
实施例中，在确定第1个振动点之后，还需要计算第1振动点频率，该第1振动点频率用于构建模模拟用高频振动信号。具体地，确定第1振动点频率，包括：以振动点在未振动信号对应的幅度-频率图中的对应位置为未振动原点；以振动点在振动信号对应的幅度-频率图中的对应位置为振动原点，计算振动原点的相邻前序频率序列与未振动原点对应频率的互相关数值，并选择最大互相关数值对应的频率为振动点频率。
需要说明的是，所述振动原点的相邻前序频率序列是指以振动原点为基准，距离向前到上一个振动点频率之间的所有频率形成的序列。对于第1个振动原点而言，相邻前序频率序列是指从零点处到当前振动原点之间的所有频率组成的序列。
实施例中，由于第1振动点对应的振动信号的存在，使得从振动信号位置开始后的频率左右两端携带相同强度的频率信号，且与振动点对应的中心频率距离相等，即频率间隔相等。基于此，还可以以计算振动原点的相邻后序频率序列与未振动原点对应频率的互相关数值，并选择最大互相关数值对应的频率为振动点频率。观测计算结果可得，依据相邻前序频率序列和依据相邻前序频率序列计算确定的振动点频率是相等的。
需要说明的是，相邻后序频率序列是指以振动原点为基准，距离向后一段频率段内的所有频率形成的序列，相邻后序频率序列的长度与相邻前序频率序列相等。
步骤3，构建模拟用未振动信号，根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线。
由于通过光频域反射计采集的在分布式光纤中传输的未振动信号和振动信号为高频振动信号，因此，基于高频振动信号的周期性变化，构建了模拟用未振动信号和模拟用高频振动信号。
具体地，构建的模拟用未振动信号ESi(t)′为：
ESi(t)′＝E0exp{j[2πf0(t-τLi)+πγ(t-τLi)2]}
根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号ESi(t)为：
Figure BDA0003619052160000081
δi＝cos(2pili/L)
L＝v/(2fvi)
其中，E0表示光场强度，t表示时间，τLi为光纤上某一点距离原点的延迟时间，f0光的本征频率，fvi表示第i个振动点频率，li光纤上某一点距离振动位置处的长度，v为光纤中的光速，L为一个调制周期的长度，与fvi有关，δi表示调制信号，其中，历史振动点频率是指到当前为止计算求得的所有振动点频率。
在构建得到模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号后，同样采样采用FFT，将信号转换到频域，得到模拟用未振动信号和当前模拟用振动信号分别对应的幅度-频率图，同样将幅度-频率图经过比例缩放到光纤长度，使得频率数值与光纤实际位置一一对应。
实施例中，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算时，具体地对幅度-频率图中信号幅度进行互相关计算，以得到互相关数值，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线。
步骤4，将当前模拟互相关曲线与实际互相关曲线的对应点进行差分计算，并将差分数值的平均值作为当前筛选阈值，筛选差分数值大于当前筛选阈值的位置作为当前轮次确定的振动点，并计算振动点频率。
实施例中，利用高频振动信号的周期性，通过将前面n-1(n≥2)个振动点的位置和频率解析来仿真重建只有n-1个振动点的互相关依距离分布的当前模拟互相关曲线。将仿真重建的模拟互相关曲线与步骤2根据实际数据阶段得到的实际互相关曲线对应点进行差分计算，并将差分结果加和取平均得到当前筛选阈值B，当依距离分布的差分曲线中某位置处的差分数值超过当前筛选阈值B时，则该位置为当前轮次确定的振动点。
由于每轮次构建的模拟用高频振动信号均是依据历史振动点频率构建的，因此，计算得到的当前轮次确定的振动点也不相同。
实施例中，计算当前轮次确定的振动点的频率与步骤2中相同，在此不再赘述。
步骤5，重复步骤3和4，以检测得到多个振动点及振动点频率。
步骤3和步骤4的循环过程中，采用频率仿真重建与互相关数值定位相结合的方式来定位第2个振动点的位置，同时计算第2振动点的频率。然后将得到的第1和第2个振动点频率进行频率仿真重建只有1,2振动点的模拟互相关曲线，再次通过频率仿真重建与互相关数值定位相结合的方法定位出第3个振动点位置和频率。根据这样的流程，循环进行频率仿真重建只有1,2，…，n(n≥1)振动点的模拟互相关曲线，进而定位出第n+1个振动点位置和频率。
依据上述基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，进行了具体计算检测，图3为振动定位结果图，在10km光纤上实现多点多频振动。1km处设置振动频率为50kHz的振动源A，3km处设置振动频率为20kHz的振动源B，采用本发明的方法成功地定位了1km处的振动位置和3km处的振动位置。图4为振动位置频率解析结果图。其中，(1)为1km处，振动源A振动频率解析图；(2)为3km处，振动源B振动频率解析图。
实施例还提供了一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上执行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
步骤1，获取分布式光纤中的未振动信号和振动信号，并转换到频域后依据比例将信号数据缩放到光纤长度；
步骤2，对经过步骤1处理后的未振动信号和振动信号进行互相关计算，依据互相关数值构建实际互相关曲线，并根据实际互相关曲线定位第1个振动点，并计算第1振动点频率；
步骤3，构建模拟用未振动信号，根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线；
步骤4，将当前模拟互相关曲线与实际互相关曲线的对应点进行差分计算，并将差分数值的平均值作为当前筛选阈值，筛选差分数值大于当前筛选阈值的位置作为当前轮次确定的振动点，并计算振动点频率；
步骤5，重复步骤3和4，以检测得到多个振动点及振动点频率。
需要说明的是，计算机存储器可以为在近端的易失性存储器，如RAM，还可以是非易失性存储器，如ROM，FLASH，软盘，机械硬盘等，还可以是远端的存储云。计算机处理器可以为中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)，即可以通过这些处理器实现基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测的步骤。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取分布式光纤中的未振动信号和振动信号，并转换到频域后依据比例将信号数据缩放到光纤长度；
步骤2，对经过步骤1处理后的未振动信号和振动信号进行互相关计算，依据互相关数值构建实际互相关曲线，并根据实际互相关曲线定位第1个振动点，并计算第1振动点频率；
步骤3，构建模拟用未振动信号，根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线；
步骤4，将当前模拟互相关曲线与实际互相关曲线的对应点进行差分计算，并将差分数值的平均值作为当前筛选阈值，筛选差分数值大于当前筛选阈值的位置作为当前轮次确定的振动点，并计算振动点频率；
步骤5，重复步骤3和4，以检测得到多个振动点及振动点频率。
2.根据权利要求1所述的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，步骤1中，对未振动信号和振动信号分别进行FFT处理，以将信号转换到频域，得到未振动信号和振动信号分别对应的幅度-频率图，基于频率数值与光纤实际位置的线性关系，将幅度-频率图经过比例缩放到光纤长度，使得频率数值与光纤实际位置一一对应。
3.根据权利要求1所述的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，步骤2中，依据互相关数值构建实际互相关曲线，包括：以计算的互相关数值为纵坐标，以信号传输距离为横坐标，以构建实际互相关曲线。
4.根据权利要求1所述的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，步骤2中，根据实际互相关曲线定位第1个振动点，包括：对实际互相关曲线上的所有互相关数值求平均以得到第一筛选阈值，从实际互相关曲线上筛选大于第一筛选阈值的位置作为第1振动点。
5.根据权利要求1所述的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，步骤3中，构建的模拟用未振动信号ESi(t)′为：
ESi(t)′＝E0exp{j[2πf0(t-τLi)+πγ(t-τLi)2]}
根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号ESi(t)为：
Figure FDA0003619052150000021
δi＝cos(2pili/L)
L＝v/(2fvi)
其中，E0表示光场强度，t表示时间，τLi为光纤上某一点距离原点的延迟时间，f0光的本征频率，fvi表示第i个振动点频率，li光纤上某一点距离振动位置处的长度，v为光纤中的光速，L为一个调制周期的长度，与fvi有关，δi表示调制信号。
6.根据权利要求2所述的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，振动点频率的计算过程，包括：
以振动点在未振动信号对应的幅度-频率图中的对应位置为未振动原点；
以振动点在振动信号对应的幅度-频率图中的对应位置为振动原点，计算振动原点的相邻前序频率序列与未振动原点对应频率的互相关数值，并选择最大互相关数值对应的频率为振动点频率。
7.根据权利要求6所述的基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测方法，其特征在于，所述振动原点的相邻前序频率序列是指以振动原点为基准，距离向前到上一个振动点频率之间的所有频率形成的序列。
8.一种基于信号互相关的光频域反射计多点振动检测装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤1，获取分布式光纤中的未振动信号和振动信号，并转换到频域后依据比例将信号数据缩放到光纤长度；
步骤2，对经过步骤1处理后的未振动信号和振动信号进行互相关计算，依据互相关数值构建实际互相关曲线，并根据实际互相关曲线定位第1个振动点，并计算第1振动点频率；
步骤3，构建模拟用未振动信号，根据历史振动点频率构建当前模拟用高频振动信号，对模拟用未振动信号和当前模拟用高频振动信号进行互相关仿真模拟计算，并依据互相关数值构建当前模拟互相关曲线；
步骤4，将当前模拟互相关曲线与实际互相关曲线的对应点进行差分计算，并将差分数值的平均值作为当前筛选阈值，筛选差分数值大于当前筛选阈值的位置作为当前轮次确定的振动点，并计算振动点频率；
步骤5，重复步骤3和4，以检测得到多个振动点及振动点频率。
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