[发明专利]基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法，该装置包括包括储水箱、模拟泄漏管道、水泵和分布式光纤系统；分布式光纤系统包括传感光纤、激光源、波分复用器、定向耦合器和光电信号采集卡；光电信号采集卡将采集的光信号传输给PC端，PC端对反斯托克斯光信号进行滤波，得到光强突变点对应的位置，从而实现泄漏检测。本发明提出了一种反斯托克斯光信号去噪方法，采用Savitzky‑Golay滤波器算法对原始反斯托克斯光强信号数据进行去噪处理，提高了经过光信号转换处理后的温度信号的检测精度，有利于检测人员对泄漏信号的判别，提高泄漏检测率。

技术领域

本发明涉及拉曼散射光在线监测领域，特别涉及一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法。

背景技术

大口径供水混凝土管道在城市供水系统中占有重要地位，一旦供水管道发生泄漏，不仅造成资源的浪费，还对城市安全和人们的生活造成巨大的损失。因而，需要对大口径供水混凝土管道进行在线实时监测和泄漏的处理。近年来，随着光纤传感技术的发展，利用光纤测温系统进行供水管道的泄漏检测成为监测人员使用的普遍方法。但是在实际检测中，由于混凝土供水管道所处地形较为复杂以及部分恶劣环境的影响，所得检测信号中存在较多的噪声信号，使得监测时无法准确识别管道具体泄漏点，有的甚至无法辨别管道有无泄漏发生以及误判断没有产生泄漏的点，给检测人员带来了较多不便，因此如何对采集的光信号进行有效地滤波从而准确找到泄漏点就成为了一直困扰着工作人员的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法，提高通过光信号得到的温度信号的检测精度。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置，包括储水箱、模拟泄漏管道、水泵和分布式光纤系统；所述分布式光纤系统包括传感光纤、激光源、定向耦合器、波分复用器和光电信号采集卡；

所述模拟泄漏管道用于模拟城市大口径混凝土供水管道，在该管道外壁底部布设传感光纤，传感光纤在管道连接处绕制至少2圈，传感光纤一端连接定向耦合器；所述激光源连接定向耦合器后接入波分复用器输入端；所述光电信号采集卡连接波分复用器输出端，用于采集传感光纤的斯托克斯光和反斯托克斯光信号；

所述模拟泄漏管道的一端连接储水箱的出水阀，另一端经过水泵连接储水箱的进水阀；

所述光电信号采集卡将采集的光信号传输给PC端；所述PC端对反斯托克斯光信号进行滤波，得到光强突变点对应的位置，从而实现泄漏检测。

一种利用上述装置进行混凝土管道泄漏实验的方法，该方法包括：

步骤1：打开储水箱开关，通过分布式光纤系统记录反斯托克斯光信号数据；

步骤2：对采集的信号数据进行滤波，具体如下：

(1)根据反斯托克斯光信号数据得到滤波前的位置-光强曲线；

(2)假设滤波后的位置-光强曲线为y＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+…+a_kx^k，当每个位置的横坐标代入曲线方程时，所得的值与该点的纵坐标之差的平方和最小时，该曲线的拟合程度最高；

(3)根据滑动窗口的最小二乘拟合确定假设的位置-光强曲线在该点的纵坐标p(n)，具体为：

根据公式得到最小二乘拟合的残差值ε_n，其中x(n)为滤波前的位置-光强曲线在该点的纵坐标，-M为位置-光强曲线的原点，M为位置-光强曲线的最大横坐标；

(4)根据残差值最小的原则确定假设的位置-光强曲线函数中的系数，具体为：