一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置及方法与流程

1.本发明涉及分布式光纤在线振动预警，特设计一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置及方法。


背景技术：

2.分布式光纤传感技术以普通光纤为传感单元，通过对光纤传输回的信号可以解析还原传感链路环境物理信号，可以快速的搭建大面积的传感网络，同时实现实时在线检测。针对当前广泛使用的全光纤传感技术的2种技术方案的优缺点对比如下所示：
3.1、全光纤干涉仪检测方案：
4.优点：使用连续信号光，信噪比较高，在实现长距离的监控时对硬件最小噪声要求较低；
5.缺点：a).当前原理是通过不同路径返回的信号产生干涉，一般系统需要同时布设多根光纤。需要专门布设传感光纤，不利于利用现有的通讯光网络。b).一般在线的传感网络需要提供异常事件定位功能，全光纤干涉方案的定位算法会相对复杂，同时会进一步提升系统的复杂程度。
6.2、基于相干光时域反射仪器检测方案：
7.优点：a).通过采集脉冲信号光在传感链路的背向散射信号，可以很简单的通过计算对应信号的飞行时间，进行事件的精准定位。b).由于使用了相干检测技术，克服了背向散射弱的问题，有利于长距离的光纤传感网络建立。c).信号的解调方案容易实现。
8.缺点：相干光时域反射方案对于系统的硬件要求非常高：a).背向散射信号光与本振光的相干条件：脉冲光源的线宽需要非常窄，以确保光源的相干长度满足需求。脉冲光源的成本较高。b).当前方案需要使用aom对光源进行调制，大带宽aom器件成本较高。c).背向散射信号非常弱，长距离背向散射回的信号能量非常低，对于采样硬件的噪声水平要求非常高。以上决定了该方案的成本较高。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置及方法。本发明使用fp激光器内调制作为脉冲信号光源，降低了系统搭建成本。通过对脉冲信号的背向散射的分时检测，使事件检测定位相对简单。
10.本发明的技术方案是：一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置，包括光学部分和采样数据处理单元，采样数据处理单元对采样数据进行处理分析，负责实时监控，其特征在于：光学部分包括fp脉冲激光器、edfa模块、环形器、2*2耦合器、延时光纤、1*2耦合器、传感光纤、apd接收模块1、apd接收模块2和脉冲调制同步采用单元，fp脉冲激光器通过edfa模块与环形器连接，环形器输出分别连接2*2耦合器和apd接收模块1，2*2耦合器输出分别连接延时光纤、1*2耦合器和apd接收模块2，1*2耦合器与被测传感光纤连接，脉冲调制同步采用单元分别与apd接收模块1、apd接收模块2和fp脉冲激光器。
11.根据如上所述的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置，其特征在于：采样数据处理单元根据差分强度解调获取振动信号。
12.根据如上所述的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置，其特征在于：采样数据处理单元根据振动信号在时域上的位置，计算得到振动源的距离。
13.根据如上所述的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置，其特征在于：采样数据处理单元的采样率100m。
14.本发明还公开了一种基于白光干涉的振动在线光纤监控方法，其特征在于：包括以下步骤：
15.采样数据处理单元数据采集的步骤；
16.采样数据处理单元分别对采样数据分析，数据分析的步骤为：
17.1).数据预处理：读取缓存队列数据m*2n,对每隔脉冲的数据进行小波分解，保留最终的低频分量得到数据块m’*2n；其中n为脉冲数目,m为单次采样的数据长度，m’为小波分解后单次采样的数据长度变化；
18.2).采样数据的差分处理：
19.a).将2个通道的m’*2n的数据按照时间轴方向，按列进行差分，对应得到m’*2n-数据块；
20.b).将通道1以及通道2的数据进行逐个位置的差分，获取最终的差分数据；
21.3).设定阈值去噪：
22.4).信号的判断指标计算；
23.5).事件的阈值判断。
24.根据如上所述的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控方法，其特征在于：设定阈值去噪的具体过程包括以下步骤：
25.1、通过差分获取的数据data:m’*2n-1,整段光纤点数为m’；
26.2、将光纤采样点分成n段，每段光纤采样点数为
27.num＝m’/n；
28.3、计算每段内采样点的上下波动方差，具体如下所示：
29.s(i)＝var(data[1+(i-1)*num：i*num,1:2n-1])；
[0030]
其中：var：计算波动方差；i＝1,...n；
[0031]
4、经过计算，大部分背景噪声波动在3倍方差以内，所以每段取固定阈值为：
[0032]
thr(i)＝3*s(i)；其中i＝1,2,...n；
[0033]
5.进行阈值去噪，所有位置点信号强度低于对应区域的阈值thr(i)则强制置0。
[0034]
根据如上所述的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控方法，其特征在于：信号的判断指标为前将采样数据的短时信号能量、短时过零率或峰均比指标。
[0035]
根据如上所述的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控方法，其特征在于：事件的阈值判断过程为：按照固定的事件阈值对数据进行搜索,判断是否存在振动事件；如果判断存在振动事件时，提取事件第一个上升沿，通过飞行时间计算事件位置。
[0036]
本发明的有益效果是：可以直接使用现有的通讯光缆，实现10km以内在线检测，以最经济的途径快速部署；且对于信号光源的线宽没有要求；只需要进行简单的差分强度解调就可以获取振动信号。
附图说明
[0037]
图1为本发明装置的结构示意图。
[0038]
图2为本发明的信号采集处理流程图。
[0039]
图3为处理后振动信号效果。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0041]
如图1所示，本发明的一种基于白光干涉的振动在线光纤监控装置，包括光学部分和采样数据处理单元，光学部分包括fp脉冲激光器、edfa模块、环形器、2*2耦合器、延时光纤、1*2耦合器、传感光纤、apd接收模块1、apd接收模块2和脉冲调制同步采用单元，fp脉冲激光器通过edfa模块与环形器连接，环形器输出分别连接2*2耦合器和apd接收模块1，2*2耦合器输出分别连接延时光纤、1*2耦合器和apd接收模块2，1*2耦合器与被测传感光纤连接，脉冲调制同步采样单元分别与apd接收模块1、apd接收模块2和fp脉冲激光器。
[0042]
本发明的采样数据处理单元对光纤背向散射数据进行采样处理分析，负责实时监控。
[0043]
本发明装置的工作原理为：基于sagnac干涉仪光路原理，通过fp激光器内调制发射脉冲信号，待测信号背向散射信号由于整体光程差相同产生干涉信号，通过对干涉信号进行功率检测，实现百米级别的振动信号识别&定位。如图1所示，脉冲信号经过edfa模块提升信号发射峰值功率，通过sagnac干涉模块结构，注入至传感光纤，脉冲信号在传感光纤传播的同时，不断的产生背向散射瑞利信号；这种条件下存在4种光传输路径，分别是:i.2*2耦合器-》延时光纤-》1*2耦合器-》传感光纤-》1*2耦合器-》延时光纤-》2*2耦合器；ii.2*2耦合器-》延时光纤-》1*2耦合器-》传感光纤-》1*2耦合器-》2*2耦合器；iii.2*2耦合器-》1*2耦合器-》传感光纤-》1*2耦合器-》延时光纤-》2*2耦合器；iv.2*2耦合器-》1*2耦合器-》传感光纤-》1*2耦合器-》2*2耦合器；其中第ii,iii种光路的光程差为零，满足干涉发生条件，且对于信号光源的线宽没有要求。
[0044]
当被测的传感光纤上存在振动信号时，对应位置后段光纤背向散射的光信号相位发生变化，经过光路2*2耦合器合波，2*2耦合器1端口输出信号经过环形器被apd模块1接收，2*2耦合器2端口输出信号直接被apd模块2接收；由于2*2耦合器2个端口的相位差180度，导致apd模块1，2经过平方律检波获得的信号波动幅度正好相反；通过针对这2个输出口输出信号采样，只需要进行简单的差分强度解调就可以获取振动信号，同时根据振动信号在时域上的位置，计算得到振动源的距离。实现振动识别&定位。
[0045]
采用本发明的装置可以降低产品成本，一是本发明使用的是普通fp激光器+直接对激光器进行调制产生脉冲，避开了窄线宽激光器+aom声光调制器的组合。二是本发明光路简单，器件少，从而大幅降低了产品成本。
[0046]
本发明还公开了一种基于白光干涉的振动在线光纤监控方法，以下针对系统工作过程进行说明：
[0047]
启动前先设置系统采样参数：脉冲频率，采样的脉冲数据n,单次采样的数据长度m；
[0048]
系统包括2采样通道；为了保证实时连续进行的在线监控，软件内单独开辟一个线
程，实时连续进行采样，具体采样逻辑如下所示：
[0049]
a)系统内创建数据缓存队列的大小为m*2n；
[0050]
b)采集n个脉冲的数据，每个脉冲周期采样点数m,得到数据块m*n；
[0051]
c)将采集到的数据按照脉冲时间顺序压入到数据缓存队列中，(每次检测只更新一半数据)；
[0052]
1.假设每隔脉冲周期为t，通过读取数据缓存队列中m*2n数据，可以光纤各个位置的2n*t时间内变化信息。采样数据处理单元针对m*2n数据采样数据进行处理分析，具体如下所示：
[0053]
1).数据预处理：读取缓存队列数据m*2n,对每隔脉冲的数据进行小波分解，保留最终的低频分量得到数据块m’*2n；(经过多层小波分解，单次采样的数据长度变化。)
[0054]
2).采样数据的差分处理：
[0055]
a).将2个通道的m’*2n的数据按照时间轴方向，按列进行差分，对应得到m’*2n-1数据块。
[0056]
b).将通道1以及通道2(接收apd接收模块1、apd接收模块2的通道分别称为通道1、通道2)的数据进行逐个位置的差分，最终获取最终的差分数据m’*2n-1；
[0057]
3).设定阈值去噪：
[0058]
.按照提前设定的阈值thr(可以是一个固定阈值，也可以是对应一组阈值。一组对应阈值时针对不同位置区域信号设定不同阈值)；
[0059]
阈值确定相关说明：
[0060]
由于收到光纤偏振状态的随机扰动，硬件接收的噪声以及激光器信号的波动。前一步进行差分处理的数据点会随机的上下波动，这种背景噪声是稳定的，可以通过校准获得。
[0061]
由于采样的是背向散射信号进行传感，距离越远，背向散射信号越弱。针对这种问题，本发明将整段传感光纤分成若干传感光纤段，分别提取背景噪声。后续进行分段阈值去噪。
[0062]
阈值提取计算具体为：
[0063]
安静环境下按照正常采样逻辑进行采样，获取差分处理后的数据data,大小为m’*2n-1；
[0064]
如某个监控点为10km，将光纤分为5段进行分别提取数据，即每段2km，则一组对应阈值的步骤如下：
[0065]
1、待处理数据data，大小为m’*2n-1，其中m’对应整段传感光纤的信号点。
[0066]
2、将整段光纤的信号点分成5段后，每段光纤信号点数为
[0067]
num＝floor(m’/5)；即num＝m’/5并向下取整；
[0068]
3、计算每段光纤内采样点的上下波动方差：
[0069]
s(i)＝var(data[1+(i-1)*num:i*num，1:2n-1])，i＝1,2,3,4,5；
[0070]
其中：a).var表示方差计算函数。
[0071]
b).整个公式表示，将待处理数据data(大小m’*2n-1)，按行分成
[0072]
5块，逐块计算每隔数据块的信号上下波动的方差。
[0073]
4、经过计算，大部分背景噪声波动在3倍的方差以内，所以每段取固定阈值为：
[0074]
thr(i)＝3*s(i)；其中i＝1,2,3,4,5；
[0075]
5.进行阈值去噪，所有位置点信号强度低于对应区域的阈值thr(i)则强制置0；
[0076]
4).信号的判断指标计算：当前将采样数据的短时信号能量作为信号指标(也可以选用其他指标，比如短时过零率，峰均比等常用振动特征信号)；
[0077]
5).事件的阈值判断：
[0078]
.按照固定的事件阈值对数据进行搜索,判断是否存在振动事件。
[0079]
事件的阈值判断影响因素以及阈值选取方法：
[0080]
a.传感光纤的部署方式很大程度会影响采样信号的强度；以及客户针对实际振动事件监控需求，不同类型的振动，信号强度不一致。综合以上，不同场景以及需求，对事件的阈值要求不一样。
[0081]
b.实际阈值可以通过实验模拟获得一个阈值初值；实际部署后需要根据实际场景，针对阈值进行人工定标。
[0082]
.如果判断存在振动事件时，提取事件第一个上升沿，通过飞行时间计算事件位置。
[0083]
以上为整个系统的运行流程，为了实现实时的在线检测，我们将开辟2个独立的线程，同时运行系统数据采样模块以及采样数据分析模块，中间通过空间大小m*2n的队列数据缓存实现采样数据的传递。
[0084]
本发明的图3为8km出现振动时，系统监控采样数据的处理效果。图3表示的是一个5s内整条光纤的采样数据，其中8公里位置连续施加了一系列敲击动作，所以出现8公里位置各个时刻出现振动信号。
[0085]
本发明的装置可对应10km级别在线振动监控，降低运行成本。