一种分布式光纤扰动监测系统中扰动位置的定位方法

摘要

本发明属于分布式测量技术领域，具体为一种分布式光纤扰动监测系统中扰动位置的定位方法。该方法首先将获得干涉相位信号差进行傅立叶变换，得到频谱，然后取其对数得到对数频谱，信号的对数频谱再分别经过滤波相减或者自相关单步骤、或者经过滤波相减和自相关两个步骤结合后，最后进行傅立叶变换，就可以得到扰动位置。这种方法的优点在于峰值明显，峰能量集中，定位准确，适用的定位范围广。本发明特别适用于光纤分布式监测定位系统。

说明书

技术领域

本发明属于分布式测量技术领域，具体的说，涉及一种分布式光纤扰动监测系统中扰动位置的定位方法。

背景技术

分布式光纤扰动监测定位系统被广泛地应用于测量中，同时测量信号也被用于对监测目标的特性分析。例如，在石油管线中，利用分布式光纤扰动监测定位系统代替人工巡逻，及时发现偷油，漏油，破坏管线等行为，并精确定位行为发生的位置，智能化管理管线，确保管线安全。在安防领域中，由于光纤的隐蔽性与抗电磁性，分布式光纤扰动监测定位系统十分适合实时监测各类突发事件，且监测成功率较普通光电系统高。

传统的分布式光纤扰动监测定位系统中的定位算法主要有陷波点法和时间延迟法。陷波点法选取干涉相位信号频谱的单个频率凹陷点或几个频率凹陷点，通过这些频率点的位置与扰动点位置之间的关系进行定位。这种方法主要有两个缺点。一是这些频率点的位置易受其他因素的影响发生偏移，导致定位精度不高；二是多重寻峰算法效果不好，且比较耗时，常常选取错误的凹陷频率，导致最后定位失败。时间延迟法利用构造的两路信号之间的时延差与扰动点距离的关系进行定位，通过恰当方法提取该延时，并利用对应关系转化成定位距离。该方法的主要缺点在于采用迭代算法，导致计算缓慢，对处理设备要求较高，且光路结构复杂。

发明内容

本发明针对分布式光纤扰动检测系统，提出了一种分布式光纤扰动监测系统中扰动位置的定位方法；其定位精确度高。 

本发明针对图5所示分布式光纤扰动检测系统，假设图5中5处发生扰动，干涉信号已经过放大或衰减的幅度调理，由相位还原算法得到相位差信号?(t)，并已经过一次FFT得到了相位差信号的频谱                                                ，可以表示成如下形式：

其中定位距离信息包含在项中，由决定，与定位距离的关系为，

按照理论，直接将频谱再进行一次傅立叶变换，得到，即可得到扰动位置。但是由于扰动本身的频谱以及其他因素，导致含有延迟时间的特征不明显，影响定位效果。有必要在第二次傅立叶变换前进行波形调理。 

本发明中采用两种技术进行扰动位置定位波形调理，第一种为滤波相减技术，即将对数频谱经过低通滤波，得到对数频谱的包络线，用原频谱减去该包络线，使对数频谱“拉升”到0值附近，减少再一次FFT变换的低频背景（即近定位距离区域的强背景），使得近距离定位精确度大大提高。第二种为自相关技术，即将处理后的频谱进行自相关，使得频谱的调制趋势更加明显，利于进行再次FFT变换时的有效能量集中度，从而在全定位范围内获得更精确的定位。

本发明中，滤波相减技术和自相关技术可以单独使用或者叠加使用。具体方案介绍如下。

本发明提供一种分布式光纤扰动监测系统中扰动位置的定位方法，其单独采用滤波相减技术，具体步骤如下：

（1）先将采集到的光纤上两路干涉信号PIN I和PIN II经过相位还原得到干涉相位差信号 ，然后将它进行傅立叶变换得到频谱，再对频谱取对数，得到对数频谱；

（2）采用滤波相减技术和/或自相关技术，进行扰动位置定位波形调理；其中，所述滤波相减技术是将对数频谱通过低通滤波器，得到对数频谱包络线；再将对数频谱减去对数频谱包络线得到；所述自相关技术是将频谱对数频谱或进行自相计算；

（3）最后，对步骤（2）的结果，进行傅里叶变换得到定位距离。

    本发明的有益效果在于：

（1）本发明为具有图5所示结构的分布式光纤扰动定位系统的扰动位置信息的处理提供了一条行之有效的方法。

（2）本发明可提取出扰动源的位置信息，且可得到扰动源的频谱特性，为对扰动源的特性分析、判断提供了解决方案。

（3）本发明中间过程中的滤波相减信号，自相关信号可以用于判断扰动特征，使得定位结果精确。

附图说明

图1为该发明不同实施步骤对应的效果图。

图2为该本明在实施例中在100km处的定位误差图。

图3为本发明实施例中一系列定位曲线图。

图4为本发明一种实施方式的算法流程图。

图5是实施例所采用的光路。

图中标号：1为3*3光纤分路器；2为2*2光纤分路器；3 为延时光纤，一端与光纤分路器1的1b1端口相连，另一端与光纤分路器2的2b1端口相连；4是传感光缆，从光纤分路器2的2a端口引出，末端与6相连；5是扰动点作用位置，即为要探测的量；6是反射头。

具体实施方式

在本实施例中，光纤分布式扰动定位系统光路具体结构如图5所示。中心波长在1550nm的宽谱光源与光纤分路器1的端口1a1输入，经过光纤分路器1后分成两束，分别从另一侧的端口1b1、1b2输出。相应的干涉光路为：

A1：1b1→3→2b1→2a→4→5→6→5→4→2a→2b2→1b2

A2：1b2→2b2→2a→4→5→6→5→4→2a→2b1→3→1b1

本实施例中，1550nm的光源皆为电子集团总公司44研究所生产的超辐射发光管（SLD）。光纤分路器、波分复用器为武汉邮电研究院生产。1是3*3均分的光纤耦合器，2是2*2均分的光纤耦合器。反馈装置6是由光纤末端镀反射膜制成。监控光缆（光纤4）铺设于需要监控管线的附近，光纤干涉模块需置于隔音设备中以屏蔽外界干扰。从光纤分路器1a2、1a3输出的干涉信号用44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器将其转为电信号。在10km到130km范围内，每10km产生20次扰动。通过National Instruments公司数据采集卡PCI-6122将电信号信号采集进计算机进行信号处理，数据处理软件用Labview软件编写，低通滤波器为巴特沃斯滤波器，值为0.75，阶数2阶。观察各扰动距离的扰动定位分布。

 图1为该发明不同实施步骤对应的效果图，分别列举了无改进措施，只滤波相减，只自相关，滤波相减自相关四种实施方法的定位结果示意图，可以发现叠加施加滤波相减和自相关的效果最好。

图2为该本明在实施例中在100km处的定位误差图。定位结果分布于相邻的四个取值点，每个取值点代表的间隔是25m左右，可以看出定位效果非常好。

图3为本发明实施例中一系列定位曲线图，覆盖10km~130km的定位范围，峰值明显，峰能量集中。