本发明涉及分布式光纤振动监测技术，具体涉及一种可精确定位的分布式光纤振动监测系统及方法。
背景技术：
随着光通信产业的持续发展，光纤传感技术的应用领域也越来越广泛。与传统传感技术不同的是，光纤传感技术是通过接收并处理光纤中传回的光信号，以及解析光纤感应到的信息，比如温度、压力、流量、位移、振动等的新型传感器技术。光纤传感系统有着不受电磁干扰、适应环境能力强、安全性高、能耗低等优点。近年来，基于瑞利散射的相位敏感光时域反射分布式光纤振动监测系统，在安防、铁路、隧道、管道监控等领域有着良好应用，其通过解析光纤中返回的后向瑞利散射光的干涉结果变化，来实现对干扰事件的具体位置进行定位与报警。
由于受到光电器件、系统杂散光以及白噪声的影响，现有分布式光纤振动监测系统普遍存在干扰事件定位精度低、误报率高及灵敏度差等问题。
技术实现要素：
为了解决现有分布式光纤振动监测系统存在干扰事件定位精度低、误报率高、灵敏度差的技术问题，本发明提供了一种可精确定位的分布式光纤振动监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种可精确定位的分布式光纤振动监测系统，其特殊之处在于：包括分布式光纤振动监测传感单元和数据处理分析单元；
所述分布式光纤振动监测传感单元包括激光器、光电调制器、光纤放大器、光纤环形器、单模光纤、机箱、光电探测器和数据采集模块，
所述光电调制器、光纤放大器、光纤环形器、单模光纤沿激光器出射方向依次设置，且单模光纤靠近光纤环形器的一段位于机箱内，其余段位于机箱外；
所述单模光纤用于产生瑞利散射光信号；
所述光电探测器用于对经单模光纤、光纤环形器传输回的后向瑞利散射光信号进行光电转换；
所述数据采集模块用于采集光电转换后的后向瑞利散射光信号，获取后向瑞利散射光干涉信号；
所述数据处理分析单元用于对后向瑞利散射光干涉信号进行处理，输出振动事件发生具体位置，实现振动事件的精确定位。
进一步地，所述光纤放大器为掺饵光纤放大器；
所述激光器为超窄线宽激光器。
同时，本发明还提供了一种可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)
分布式光纤振动监测传感单元获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)；其中，n代表采样点，t代表采样时刻；
2)对后向瑞利散射光干涉信号dn(t)进行巴特沃斯滤波
2.1)根据滤波器阶数n、低通频率、采样频率值，确定巴特沃斯滤波器模型h(s)：
其中，s表示域；
2.2)根据双线性变换法，将巴特沃斯滤波器模型h(s)转换为h(z)，并确定函数h(z)中分母a(i)和分子b(i)；
其中，i为滤波器系数序号，i＝1.2.3……n；
2.3)将dn(t)、a(i)、b(i)代入迭代方程，得到巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)：
3)差分处理
对巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)进行时间信号差分和空间信号差分处理，得到差分后的信号x(t)；
4)对x(t)进行小波分解及重构
4.1)选取m个不同的小波基，所有小波基记为aj，j＝1,2,3…m,m为8～40的整数；
4.2)确定每个小波基的分解层数，所述层数为2～5；
4.3)利用每个小波基对信号x(t)进行相应层数的分解；
4.4)对分解后信号x(t)的低频部分进行小波重构，获得m个小波基重构结果，所有小波基重构结果记为mj；
4.5)按照下式计算每个小波基重构结果mj的噪声幅值平均值rj：
式中：q为信号采样数，且选取机箱内单模光纤首端采样，mj(i)为小波基重构结果mj中相应采样点对应的信号值；
4.6)选出最小噪声幅值rq，具体如下：
rq＝min(r1，r2，r3，...rm)
4.7)根据最小噪声幅值rq，输出对应的重构结果为mq；
5)输出结果
对重构结果mq每个信号值与设定值进行比较，输出信号值大于设定值所对应的位置，该位置为振动事件发生具体位置；
其中，设定值为最小噪声幅值rq乘设定阈值。
进一步地，步骤4.1)中，m为20，20个小波基分别为db02、db03、……db14共13个以及sym02、sym03……sym08共7个。
进一步地，步骤4.2)中，所述层数为3。
进一步地，步骤3)具体为：
3.1)对巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)进行时间信号差分，得到时间差分后的信号t(t)：
t(t)＝fn+1(t)-fn(t)
3.2)对时间差分后的信号t(t)进行空间信号差分，得到空间差分后的信号x(t)：
x(t)＝t(t+1)-t(t)。
进一步地，步骤1)具体为：
1.1)激光器出射的光束经光电调制器调制为脉冲光，并经光纤放大器、光纤环形器后进入单模光纤；
1.2)单模光纤发生瑞利散射，经单模光纤、光纤环形器返回的后向瑞利散射光信号被光电探测器采集；
1.3)光电探测器对采集的后向瑞利散射光信号进行光电转换，并通过数据采集模块获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)；其中，n代表时刻，t代表采样点；
进一步地，步骤4.5)中，q＝100。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明首先对信号dn(t)进行滤波处理，可滤除部分白噪声，提高系统信噪比；其次，对滤波完的数据进行两次信号差分处理，消除了白噪声，进一步地提高系统信噪比，再次，对信号进行小波分解，对低频部分进行小波重构，并对比多种小波基，提炼最佳信噪比，优化系统精确定位特性，可精确确定振动事件发生具体位置；最后，进行阈值选择并输出结果。
2、本发明单模光纤靠近光纤环形器的一段位于机箱内，通过计算机箱内单模光纤的信号作为噪声信号，提高噪声幅值计算的准确性，进而提高系统判别振动事件的定位精度、降低误报率、提升系统灵敏度。
附图说明
图1为本发明可精确定位的分布式光纤振动监测系统结构示意图；
图2为本发明可精确定位的分布式光纤振动监测方法流程示意图；
图3为本发明可精确定位的分布式光纤振动监测方法中小波分解及重构流程示意图；
图4为本发明可精确定位的分布式光纤振动监测方法中信号x(t)进行3层小波分解结果示意图；
其中，附图标记如下：
1-激光器，2-光电调制器，3-光纤放大器，4-光纤环形器，5-光电探测器，6-数据采集模块，7-数据处理分析单元，8-单模光纤，81-标准光纤段，82-现场光纤段，9-机箱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，一种可精确定位的分布式光纤振动监测系统，包括分布式光纤振动监测传感单元和数据处理分析单元7，分布式光纤振动监测传感单元基于后向瑞利散射获取后向瑞利散射光干涉结果，数据处理分析单元7对后向瑞利散射光干涉结果进行计算处理，输出事件发生具体位置，从而实现振动事件的精确定位。
分布式光纤振动监测传感单元包括激光器1、光电调制器2、光纤放大器3、光纤环形器4、单模光纤8、机箱9、光电探测器5和数据采集模块6，单模光纤8的一段位于机箱9内，作为标准光纤段81，另一段位于机箱9外，作为现场光纤段82；本实施例中激光器1为超窄线宽激光器，光纤放大器3为掺饵光纤放大器。
超窄线宽激光器1发出线宽极窄连续光(线宽3khz)，经过光电调制器2(soa调制)调制为脉冲光，再通过光纤放大器3和光纤环形器4进入单模光纤8，在单模光纤8中每一处发生瑞利散射，其中，后向瑞利散射光干涉结果通过单模光纤8、光纤环形器4返回到光电探测器5，光电探测器5对采集的后向瑞利散射光信号进行光电转换，并通过数据采集模块6获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)。
基于上述可精确定位的分布式光纤振动监测系统，本实施例提供了一种可精确定位的分布式光纤振动监测方法，首先对原始信号dn(t)进行滤波处理；其次，对滤波完的数据进行两次信号差分处理；再次，对信号进行小波分解，滤除其中的高频部分，对低频部分进行小波重构，并对比多种小波基，优选小波基，提炼最佳信噪比，优化系统精确定位特性；最后，进行阈值选择并输出结果，如图2所示，该检测方法具体包括以下步骤：
1)获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)
1.1)超窄线宽激光器1发出线宽极窄连续光，经光电调制器2调制为脉冲光，并经光纤放大器3、光纤环形器4后进入单模光纤8；
1.2)单模光纤8发生瑞利散射，经单模光纤8、光纤环形器4返回的后向瑞利散射光信号被光电探测器5采集；
1.3)光电探测器5对采集的后向瑞利散射光信号进行光电转换，并通过数据采集模块6获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)；其中，n代表采样点，t代表采样时刻；
2)对信号dn(t)进行巴特沃斯滤波，并对系统白噪声做初步滤波处理
2.1)确定滤波器阶数n，低通频率fc，采样频率f，并根据n、fc、f的值，确定巴特沃斯滤波器模型h(s)：
其中，s表示域；
2.2)根据双线性变换法，将巴特沃斯滤波器模型h(s)转换为h(z)，并确定函数h(z)中分母a(i)和分子b(i)；
其中，i为滤波器系数序号，i＝1.2.3……n；
2.3)将dn(t)、a(i)、b(i)代入迭代方程，即可求解巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)：
3)差分处理
3.1)对巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)进行时间信号差分，提升系统信噪比，得到时间差分后的信号t(t)：
t(t)＝fn+1(t)-fn(t)
3.2)对时间差分后的信号t(t)进行空间信号差分，进一步提升系统信噪比，得到空间差分后的信号x(t)：
x(t)＝t(t+1)-t(t)。
4)对x(t)进行小波分解及重构
4.1)如图3所示，选取m个不同的小波基，所有小波基记为aj，j＝1,2,3…m,m为8～40的整数；本实施例中优选m为20，20个小波基分别为db02、db03、db04、db05、db06、db07、db08、db09、db10、db11、db12、db13、db14共13个，以及sym02、sym03、sym04、sym05、sym06、sym07、sym08共7个，总共20个小波基分别记为a1、a2、……a20；
4.2)确定每个小波基的分解层数，层数为2～5，本实施例中小波分解层数为3层；
4.3)利用每个小波基对信号x(t)进行相应层数的分解，信号x(t)分解结构图如图4所示；
4.4)去除小波分解高频部分，使用分解后信号x(t)的低频部分cd3进行小波重构，获得20个小波基重构结果，所有小波基重构结果记为mj，(j＝1,2,3…20)；
4.5)以机箱9内单模光纤8的信号作为噪声信号，计算噪声幅值平均值，具体按照下式计算每个小波基重构结果mj的噪声幅值平均值rj：
式中：q为信号采样数，且选取机箱9内标准光纤段81的首端，本实施例中q为100，mj(i)为小波基重构结果mj中相应采样点对应的信号值；
4.6)根据计算出的所有小波基重构结果mj的噪声幅值平均值rj，对于所有噪声幅值平均值rj，优选出最小噪声幅值rq：
rq＝min(r1，r2，r3，...r20)
4.7)根据最小噪声幅值rq，输出对应的重构结果为m(t)＝mq；
5)输出结果
设重构结果mq中所有信号集合表示为{(a1,b1),(a2,b2),…,(an,bn)}，a1、a2……an表示位置坐标，b1、b2……bn表示相应位置坐标的信号大小，通过对b1、b2……bn的信号值与设定值进行比较，设定值为最小噪声幅值rq和设定阈值的乘积，若信号值大于设定值，则输出该信号值对应的位置，该位置为振动事件发生具体位置。
本实施例方法采用巴特沃斯滤波初步处理可滤除部分白噪声，提高系统信噪比，然后采用时间差分和位置差分，消除了白噪声，进一步地提高系统信噪比；并通过信号小波分解，优选小波基，提炼系统最佳信噪比，可精确确定振动事件发生具体位置。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
1.一种可精确定位的分布式光纤振动监测系统，其特征在于：包括分布式光纤振动监测传感单元和数据处理分析单元(7)；
所述分布式光纤振动监测传感单元包括激光器(1)、光电调制器(2)、光纤放大器(3)、光纤环形器(4)、单模光纤(8)、机箱(9)、光电探测器(5)和数据采集模块(6)；
所述光电调制器(2)、光纤放大器(3)、光纤环形器(4)、单模光纤(8)沿激光器(1)出射方向依次设置，且单模光纤(8)靠近光纤环形器(4)的一段位于机箱(9)内，其余段位于机箱(9)外；
所述单模光纤(8)用于产生瑞利散射光信号；
所述光电探测器(5)用于对经单模光纤(8)、光纤环形器(4)传输回的后向瑞利散射光信号进行光电转换；
所述数据采集模块(6)用于采集光电转换后的后向瑞利散射光信号，获取后向瑞利散射光干涉信号；
所述数据处理分析单元(7)用于对后向瑞利散射光干涉信号进行处理，输出振动事件发生具体位置。
2.根据权利要求1所述可精确定位的分布式光纤振动监测系统，其特征在于：所述光纤放大器(3)为掺饵光纤放大器；
所述激光器(1)为超窄线宽激光器。
3.一种可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)
分布式光纤振动监测传感单元获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)；其中，n代表采样点，t代表采样时刻；
2)对后向瑞利散射光干涉信号dn(t)进行巴特沃斯滤波
2.1)根据滤波器阶数n、低通频率、采样频率值，确定巴特沃斯滤波器模型h(s)：
其中，s表示域；
2.2)根据双线性变换法，将巴特沃斯滤波器模型h(s)转换为h(z)，并确定函数h(z)中分母a(i)和分子b(i)；
其中，i为滤波器系数序号，i＝1.2.3……n；
2.3)将dn(t)、a(i)、b(i)代入迭代方程，得到巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)：
3)差分处理
对巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)进行时间信号差分和空间信号差分处理，得到差分后的信号x(t)；
4)对x(t)进行小波分解及重构
4.1)选取m个不同的小波基，所有小波基记为aj，j＝1,2,3…m,m为8～40的整数；
4.2)确定每个小波基的分解层数，所述层数为2～5；
4.3)利用每个小波基对信号x(t)进行相应层数的分解；
4.4)对分解后信号x(t)的低频部分进行小波重构，获得m个小波基重构结果，所有小波基重构结果记为mj；
4.5)按照下式计算每个小波基重构结果mj的噪声幅值平均值rj：
式中：q为信号采样数，且选取机箱(9)内单模光纤(8)首端采样，mj(i)为小波基重构结果mj中相应采样点对应的信号值；
4.6)选出最小噪声幅值rq，具体如下：
rq＝min(r1，r2，r3，...rm)
4.7)根据最小噪声幅值rq，输出对应的重构结果为mq；
5)输出结果
对重构结果mq中每个信号值与设定值进行比较，输出信号值大于设定值所对应的位置，该位置为振动事件发生具体位置；
其中，设定值为最小噪声幅值rq乘设定阈值。
4.根据权利要求3所述可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特征在于，步骤4.1)中，m为20，20个小波基分别为db02、db03、……db14共13个以及sym02、sym03……sym08共7个。
5.根据权利要求4所述可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特征在于，步骤4.2)中，所述层数为3。
6.根据权利要求3或4或5所述可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特征在于，步骤3)具体为：
3.1)对巴特沃斯滤波器滤波后的信号fn(t)进行时间信号差分，得到时间差分后的信号t(t)：
t(t)＝fn+1(t)-fn(t)
3.2)对时间差分后的信号t(t)进行空间信号差分，得到空间差分后的信号x(t)：
x(t)＝t(t+1)-t(t)。
7.根据权利要求6所述可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特征在于，步骤1)具体为：
1.1)激光器(1)出射的光束经光电调制器(2)调制为脉冲光，并经光纤放大器(3)、光纤环形器(4)后进入单模光纤(8)；
1.2)单模光纤(8)发生瑞利散射，经单模光纤(8)、光纤环形器(4)返回的后向瑞利散射光信号被光电探测器(5)采集；
1.3)光电探测器(5)对采集的后向瑞利散射光信号进行光电转换，通过数据采集模块(6)获取后向瑞利散射光干涉信号dn(t)。
8.根据权利要求7所述可精确定位的分布式光纤振动监测方法，其特征在于，步骤4.5)中，q＝100。
技术总结