[发明专利]一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法

说明书

技术领域

本发明属于传感及检测技术领域，特别涉及一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法。

背景技术

随着人类社会的不断进步和科技水平的飞速发展，安全监测越来越受到重视，在电力、水利、石化等关系国计民生的领域以及营区、机场、监狱等安全性要求较高的领域，周界安全监测都得到了非常广泛的应用，而在大型展馆、高级住宅区域等民用领域，对周界安全监测的需求也越来越多。

基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感技术采用光波干涉技术实现入侵扰动检测及定位，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性，是一种周界安全监测的新技术。

该技术利用光纤的一维空间连续特性进行信号测量，通过时延估计方法得到扰动事件的位置，目前的定位算法主要有两种，一种是直接将两路信号进行互相关，另一种算法是利用离散小波分解寻找扰动起始点，并在起始点处提取一段带有扰动信息的信号进行相关计算。这两种算法处理速度较慢，并且定位误差较大，因此目前数据处理的算法严重制约了系统的定位和实时特性，有必要寻找一种具有快速精确定位算法的定位方法。

发明内容

本发明的目的是解决目前基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感技术定位算法定位精度低以及处理速度慢的问题，提出一种具有快速定位算法的基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法。该方法在信号处理阶段通过对信号进行过零点分析来获取信号频率信息，进而在频率最高位置提取出一定数量的原始信号进行互相关运算。该段信号不仅包含了信号的高频信息，并且也具有宽频率带宽特性，因此定位误差较小。同时，由于信号的过零点计算复杂度低，因此，本发明定位方法的信号处理速度得到显著提高。

本发明一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，将基于双马赫-曾德干涉仪原理的分布式扰动传感器的两光电探测器采集到的两路信号分别进行模数转换得到数字量信号，将数字量信号分帧，并设每帧信号的时长为0.3秒，当某一帧信号被判定为扰动帧时，随机选取该帧的一路信号，并对该路信号进行如下处理：

步骤1、设定一个幅值阈值δ，将所选取的信号的第一个信号点幅值x(1)与第二个信号点的幅值x(2)比较，若两者符号相反、且两者之间的幅值差大于幅值阈值δ时，则该点被判定为过零点，该点的幅值x(1)不变，否则该点不为过零点，该点的幅值被置为0，即x(1)＝0；

步骤2、按照下式依次对一帧点数为N的信号进行处理，

x(m)＝φ{x(m)*x(m+1)<0&|x(m+1)-x(m)|>δ}

式中：x(m)为所选取的信号中第m点的幅值，δ是幅值阈值，φ函数表示当第m点与第m+1点的符号不同，并且第m点与第m+1点的幅值差大于δ时，第m点的幅值不变，否则x(m)＝0，m的取值范围为[1,N-1]；

步骤3、计算过零点之间的幅值为0的点数，找出过零点之间的幅值为0的点数最小的位置，该点即为信号频率最大的位置，该点附近的信号即为有效信号，该点即为提取点；

在找到频率最大点的提取位置之后，以该点为中心，提取出0.02s的原始数据进行互相关运算进行时延估计，根据时延和位置的关系公式得到扰动发生位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于过零点分析的分布式光纤传感定位方法，目前的大部分的定位算法由于直接对信号进行互相关时延估计或者采用小波分析进行信号处理，计算比较费时，并且定位误差比较大。本发明通过一种改进的过零点分析方法得到扰动帧信号的频率分布，将频率最大点附近的点作为有效信号段进行互相关时延估计。该段信号不仅包含了信号的高频信息，并且也具有宽频率带宽特性，因此定位误差较小。同时，由于基于过零点分析的信号处理方法只有加减等简单的计算，计算复杂度低，并且应用互相关时延估计的信号只是一帧信号中的一小部分有效段，信号处理速度得到显著提高。

附图说明

图1是基于双Mach-Zehnder干涉原理的分布式光纤传感定位系统示意图；

图2是扰动信号的原始信号图；

图3是扰动信号的过零点分布图。

图中，1-激光器，2、5和6-耦合器，3、4-光环形器，7-传感光缆，8a、8b-光电探测器，9-数据采集卡，10-工业控制计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。