基于时域曲线相关性鉴别的分布式光纤扰动定位算法研究.pdf

2024 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家自然科学基金项目(51977001)收稿日期:2023-08-03基于时域曲线相关性鉴别的分布式光纤扰动定位算法研究黄闽南,范佳铭,王一山,苏幸晨,张成龙,吕立冬安徽工业大学电气与信息工程学院 摘要:针对瑞利散射信号的随机性以及光纤衰减导致分布式光纤传感系统扰动定位困难、事件误报率高的问题,根据瑞利散射曲线的时域相关性,提出了基于滑动窗的相关系数的扰动事件校验与定位算法。该算法根据在发生扰动事件时相邻周期的光时域反射曲线、扰动点及后续位置相关性骤降的特征,在相邻两周期的光时域反射曲线末端设置数据窗并计算相关系数,设定相关系数的阈值校验有无扰动事件发生。若判别存在扰动事件,则向前滑动数据窗并计算相关系数,然后与定位阈值对比从而定位事件。文中搭建了分布式光纤振动传感系统,在 25 km 长的光纤范围内实现了3 m 的定位误差、5 m 的空间分辨率,系统响应时间仅为 0.15 s。关键词:分布式光纤传感;扰动定位;相关性;瑞利散射;光时域反射中图分类号:TP212 文献标识码:AResearch on Distributed Optical Fiber Perturbation Location AlgorithmBased on Time Domain Trace Correlation IdentificationHUANG Minnan,FAN Jiaming,WANG Yishan,SU Xingchen,ZHANG Chenglong,LYU LidongSchool of Electrical and Information Engineering,Anhui University of TechnologyAbstract:Aiming at perturbation positioning difficulties and high event false alarm rate in the distributed optical fiber sen-sing system,caused by the randomness of Rayleigh scattering signals and optical fiber attenuation,according to the time domain correlation feature of the Rayleigh scattering traces,the perturbation event verification and location algorithm based on the correla-tion coefficient of the sliding window was proposed.The algorithm was based on the feature that the correlation between two optical time domain reflection traces of neighbouring periods decreased abruptly at the point of perturbation and subsequent positions when a perturbation event occured,and then a data window was set at the end of the optical time domain reflection traces of neighbouring periods,and the correlation coefficient was calculated,and then determines the threshold of the correlation coeffi-cient was determined to check whether a perturbation event occurs.And then,if it distinguished a perturbation event,the setted data window slided forward,and the correlation coefficient was calculated and compared with the positioning threshold to locate the event.In experiment,a distributed optical fiber vibration sensing system was constructed,and the positioning error achieved is 3 m within spatial resolution of 5 m along an optical fiber range of about 25 km,and the system response time is only 0.15 s.Keywords:distributed optical fiber sensing;perturbation positioning;correlation;Rayleigh scattering;optical time domain reflection0 引言电力电缆是城市电能传输的主要通道,电能的稳定传输确保了城市的各项活动正常进行1。相比传统的架空输电线路,地下电力电缆的铺设可以避免架空线路对城市景观的影响,使得城市更加整洁美观。由于施工、盗窃等因素会造成电力电缆的破坏,影响电网电能质量及电网安全,地下电缆的安全稳定运行是一个重要的议题2-3。当电缆周界发生入侵事件时,需要传感器迅速、无误、可靠地提供报警信息。分布式光纤传感是利用光纤作为传感元件的传感技术,光在光纤的传播过程中受到环境参数的影响,如温度、应力、振动等,通过测量光信号的特征变化,可以反推出环境参数的变化情况4-7。偏振型光时域反射仪(polarization optical time domain reflectome-try,POTDR)是分布式光纤传感系统中一种重要的测量仪器8。当光纤受到扰动时,背向瑞利散射光信号中偏振态发生变化进而导致偏振光的强度发生改变,从而分析背向瑞利散射光信号强度就可以获取光纤沿线的扰动信息9-11。国内外许多学者对其进行了研究,李建中等12提出了基于 POTDR 的安防监测系统,在系统探测中使用差值和相对坐标结合的方法提39 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期高扰动信号的特征,并得到具有较高信噪比的传感信号;文献13提出了一种利用偏振光时域反射技术进行多事件检测的入侵系统,用保偏光纤代替单模光纤,实现了对 3 个入侵事件的同时监测;文献14对偏振型光时域反射计(POTDR)系统中时间去极化效应进行了研究,提高了光信号的信噪比,实现了快速准确的偏振测量以及沿光纤链路的瞬时入侵传感和精确的振动频率测量;文献15采用偏振敏感的光纤传感器,测量托卡马克的磁场分布,并提出噪声影响区域的解决方案,获得与内部离散线圈测量一致的结果。然而,在长距离分布式光纤传感监测领域,仍然存在着噪声干扰大、灵敏度过高、空间分辨率低以及数据处理速度较慢等问题。常规定位方法(如逐差法)由于瑞利散射信号的随机性及光纤衰减的原因,会导致定位困难、误报率高等问题。根据瑞利散射曲线的时域相关性,本文提出在相邻周期光时域反射曲线末端设置数据窗,并计算相关系数比对校验阈值以实现有无扰动事件的校验,若存在扰动事件,则通过滑动数据窗计算相关系数比对定位阈值定位扰动事件。本文搭建了分布式光纤振动传感系统,采集多组数据分析滑动窗大小对相关系数的影响,采用多组无扰动信号统计值确定阈值。1 系统搭建搭建的分布式光纤振动传感系统如图1 所示。激光器工作模式为外触发,数据采集卡经计算机发出电脉冲触发激光器发出光脉冲进入光纤环形器 1 端口,再从光纤环形器 2 端口进入光纤偏振器,此时偏振器作为起偏器将光脉冲输出为完全偏振光进入被测光纤,经过被测光纤返回的背向瑞利散射光再次经过光纤偏振器,此时偏振器作为检偏器,背向瑞利散射光经过检偏器进入光纤环形器 2 端口,再从 3 端口进入光电探测器,此时光信号转化为电信号,计算机控制数据采集卡发出采集信号进行数据采集并处理。图 1 分布式光纤振动传感系统图被测光纤采用约 25 km 的单模光纤进行扰动探测,在距离光纤末端约 200 m 的法兰前设置 20 m 光纤圈用 以 模 拟 扰 动 事 件。数 据 采 集 卡 采 样 率 为100 MS/s,即数据处理能力为每秒 108采样点,设置触发频率为 3 000 Hz,触发脉冲为 100 ns,激光器电流设置为 70 mA。实验在无扰动下采集了 128 条光时域反射曲线,每条光时域反射信号代表一个周期。为了更好地提升信噪比,由数据采集卡累加 100 次。实验晃动小圈模拟入侵事件,同时多次采集 50 组经 100 次累加平均的相邻周期光时域反射曲线,用于分析数据和验证结论。2 时域相关定位算法2.1 时域相关现象与逐差定位算法扰动事件定位一直以来是研究的热题,常用逐差法对扰动事件进行定位,该方法具有简单、处理速度快等优点。当光纤无扰动时,相邻周期的 2 条光时域反射曲线基本重合,将 2 条曲线相减,差值基本为 0;当光纤发生扰动时,由于光纤偏振态改变,产生双折射效应,偏振态的改变会导致背向瑞利散射信号发生改变。从而在扰动点后,相邻 2 条光时域反射曲线会出现走势离散现象,这种现象直至末端。差值曲线在扰动点之前会接近于 0,而在扰动点以后会出现明显的尖峰,设置阈值可定位至扰动位置,逐差定位原理如图 2 所示。相邻周期曲线在扰动位置后相关性变差,差值曲线在扰动位置开始突变。(a)相邻周期曲线(b)差值曲线图 2 逐差定位原理图对原始数据进行处理,提取 2 条相邻周期有扰动时光时域反射曲线。相邻周期扰动曲线如图 3 所示,在扰动前曲线整体走势基本一致,而当存在扰动时,从扰动点后曲线逐渐离散。对数据进行逐差定位,如图 4 所示。逐差曲线在扰动点后出现明显的差值突变。但因背向瑞利散射信号的随机波动使前端的差值曲线也出现较大数值。激光器发出光信号时,光功率会随着光纤长度的49 第 2 期黄闽南等:基于时域曲线相关性鉴别的分布式光纤扰动定位算法研究 图 3 相邻周期扰动曲线图 4 逐差曲线图增加导致衰减,当前端进行逐差时,差值会因为前端功率较大使得差值幅度较大,虽然后端因为存在扰动使得扰动点后差值曲线产生突变,但前端功率不稳定得到的差值往往会淹没后端扰动信号,使得逐差很难实现精确的定位。下文依据相邻周期光时域反射曲线在扰动位置前相关性较好而扰动位置后相关性变差的现象进行定位分析。2.2 基于时域相关系数的定位算法根据相邻周期光时域反射曲线在扰动位置后相关性变化的现象,2 条曲线作差得到的差值曲线在扰动位置后幅值发生突变,但逐差定位法采用单点数值作差,差值因背向瑞利散射信号的随机性及光纤衰减造成的影响,通过单一阈值对逐差曲线定位会出现定位困难、误报率高等问题。本文提出滑动窗的相关系数对相邻周期光时域反射曲线进行处理。相关系数用来分析 2 个变量之间的线性关系,描述了 2 个变量之间的相关程度。在文中,取相邻两周期光时域反射曲线,从光时域反射曲线末端开始比较,对各条曲线取窗口大小的样本数计算相关系数,每计算 1 次滑动1 位。当窗口滑动到扰动点前后,相关系数会有明显突变。对比常用的逐差法,相关系数可以很好地减小背向瑞利散射信号功率不稳定及光纤衰减因素带来的误报率。从图 3 可以看出,曲线无扰动部分走势基本一致,但也存在个别点走离现象,而相关系数以窗口为大小进行计算,可以忽略个别差异点的影响。相关系数公式如式(1)所示16:r(Ai,Bi)=Cov(Ai,Bi)VarAiVarBi(1)式中:Ai为前一个周期光时域反射曲线中第 i 个窗口样本;Bi为后一个周期光时域反射曲线中第 i 个窗口样本;Cov(Ai,Bi)为 Ai与 Bi的协方差;VarAi为 Ai的方差;VarBi为 Bi的方差。取一组无扰动时相邻周期光时域反射曲线进行滑动相关系数计算,从各条曲线末端开始滑动,依次滑动到曲线前端。因为滑动窗滑动至前端具有盲区,在光纤前端绕一圈长度为窗口大小的光纤不参与扰动实验。设置滑动窗为 10、30、50、70、100 个点时,相关系数曲线如图 5 所示。(a)10 个点(b)30 个点(c)50 个点(d)70 个点(e)100 个点图 5 无扰动时不同窗口大小相关系数接着对一组有扰动时相邻周期光时域反射曲线进行不同窗口滑动相关系数计算,如图 6 所示。从有扰动及无扰动不同窗口大小可以看出,滑动窗越大不仅相关系数越平滑,在无扰动至扰动区域特征也比较明显。因为当窗口较小时,背向瑞利散射信号存在波动,导致相邻周期光时域反射曲线重合度存59 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期(a)10 个点(b)30 个点(c)50 个点(d)70 个点(e)100 个点图 6 有扰动时不同窗口大小相关系数在个别差异点,使得 2 条曲线取较小的窗口进行相关系数计算,个别差异点会导致2 个窗口相关系数变低;当窗口取得较大时,个别的差异点会由于整个窗口 2条曲线大多数点的重合度高而被忽略,导致相关系数曲线变得平滑,但窗口过大增加算法耗时,前端不参与扰动事件参考光纤距离增长,故本文选取 100 个点作为滑动窗。设置数据窗用以校验有无振动事件,对无扰动相邻周期光时域反射数据进行数学统计,经统计后确定校验阈值。将实验采集的 128 条无扰动曲线以相邻 2条曲线作为一次样本,即 127 组样本。对相邻周期光时域反射曲线末端取窗口大小进行相关系数计算进行校验,统计无扰动时末端窗口相关系数大小,以无扰动时末端窗口相关系数最小值为校验阈值。校验阈值用于鉴别有无扰动事件发生。127 组相邻周期光时域反射曲线样本的末端数据窗相关系数统计数据如图 7 所示。由图 7 可知,光纤无扰动时相邻周期的 2 条光时域反射曲线末端数据窗的相关系数最高为 0.998,最低为 0.973,大部分集中在 0.9880.997 范围内,其中出现最多次数的是 0.996,出现了 30 次。在无扰动下,末端相关系数接近 1,表示 2 条曲线末端基本贴合较好。根据统计最小值设置校验阈值为 0.97。当光纤存在扰动时,末端曲线会发生走离现象,校验阈值图 7 末端数据窗相关系数统计图可有效区别有无扰动事件发生。若存在扰动事件,根据定位阈值确定扰动位置。对2 条无扰动时相邻周期的光时域反射信号数据进行处理,经无扰动时相邻周期光时域反射曲线通过滑动窗相关系数计算,取相关系数曲线的均值设定为定位阈值。当光纤存在扰动时,相关系数曲线在扰动点后出现骤降,本文从相关系数曲线末端向前寻找扰动位置,当滑动至扰动点时,相关系数会接近 1,此位置即为扰动发生位置。经计算定位阈值设置为 0.99。3 系统定位流程及结果3.1 系统定位流程实验数据经 MATLAB 软件进行处理,定位算法程序流程如图8 所示。先通过数据采集卡采集相邻周期的光时域反射数据。当无扰动时2 条光时域反射曲线相关性高;当发生扰动时,扰动点及后续位置2 条曲线相关性降低,根据该现象进行扰动事件定位。设置定位系统窗口大小,窗口越小相关系数曲线效果较差,当窗口较大时,相关系数曲线较平滑,但太大导致前端定位盲区增大,前端不参与扰动的光纤距离需要增加。根据上节讨论设置窗口大小为 100、校验阈值设置为 0.97、定位阈值设置为 0.99,然后对相邻 2 个周期的光时域反射曲线末端各取一个窗口,计算相关系数与设定的校验阈值进行比较,若末端数据窗相关系数大于校验阈值,则主机显示无扰动事件并进行下一次数据的采集;当末端数据窗相关系数小于校验阈值,表示有扰动事件发生进行下一步。此时窗口向左滑动,用来寻找扰动起始位置。窗口向左滑动一次并进行判断,若窗口相关系数大于定位阈值时,主机显示该位置发生扰动事件;若窗口相关系数小于定位阈值时;窗口继续向左滑动,直至找到扰动位置停止工作,进行下个相邻周期光时域反射曲线是否存在扰动69 第 2 期黄闽南等:基于时域曲线相关性鉴别的分布式光纤扰动定位算法研究 事件的判断。图 8 定位算法流程图3.2 系统定位结果实验搭建的分布式光纤振动传感系统采用的光纤长度为 24.412 km,在距离光纤末端 200 m 的法兰前设置20 m 的光纤圈进行扰动实验,实际扰动起始位置应为 24.192 km 处。下面分析系统定位的响应时间、定位误差。实验采集了50 组同一位置扰动的相邻周期光时域反射曲线,提取其中一组进行定位结果验证:设置窗口大小、校验阈值及定位阈值,定位结果如图 9 所示。图 9 扰动位置定位图图 9 中,扰动位置为 24.193 km,与实际发生扰动位置相差 1 m,系统响应时间为 0.15 s。接着提取 50组相邻周期光时域反射曲线进行误差分析,在同一点处施加扰动的 50 组相邻周期光时域反射曲线定位误差如图 10 所示。图 10 多组实验定位误差图光纤实际扰动位置发生在 24.192 km 处,定位结果表明:发生在 24.190、24.191、24.192、24.193、24.194、24.195 km 的扰动位置分别出现了 9 次、6次、10 次、10 次、11 次、4 次,最大定位误差在3 m,系统的脉冲宽度为 100 ns,系统空间分辨率为5 m,扰动事件定位统计的数据具有良好的效果,满足长距离分布式光纤传感的安防需求。4 结束语本文研究了基于时域相关性鉴别的分布式光纤振动传感系统定位算法。根据相邻两周期光时域反射曲线的相关性,提出通过滑动窗计算相关系数进行扰动事件校验及定位,克服了瑞利散射信号的随机性及光纤衰减等因素导致常规定位方法定位困难、事件误报率高等问题。以 10、30、50、70 及 100 个点为窗口大小进行讨论,当窗口较小时相关系数曲线波动幅度较大;当窗口较大时曲线平滑度提高,但响应速度变慢,故选取 100 个点为窗口大小。此外,扰动事件的校验阈值根据无扰动光时域反射曲线的末端数据窗相关系数的统计分析来确定,可以很好地鉴别有无扰动事件发生。定位阈值由无扰动的相关系数取均值来设定。最终,在 25 km 长的光纤范围内,实验采用 50 组光时域反射曲线数据对算法进行了验证,得到3 m 的定位误差、5 m 的空间分辨率,系统响应时间仅为 0.15 s。参考文献:1 王敏学,李黎,周达明,等.分布式光纤传感技术在输电线路在线监测中的应用研究综述J.电网技术,2021,45(9):3591-3600.2 于慧洁,李建杰,凌小峰,等.基于泄漏电缆的周界入侵探测系统设计J.上海理工大学学报,2018,40(1):46-50.3 郭卫,周松霖,王立等.电力电缆状态在线监测系统的设计及应用J.高电压技术,2019,45(11):3459-3466.4 LU L,YONG M,WANG Q,et al.A hybrid distributed optical fiber vibration and temperature sensor based on optical Ray-leigh and Raman scattering J.Optics Communications,2023,529:129096.5 高擎昊,苏幸晨,张成龙,等.基于偏振降噪的分布式光纤振动定位算法研究J.仪表技术与传感器,2022(12):108-112.6 MARIE T F B,YANG B,HAN D,et al.Principle and appli-cation state of fully distributed fiber optic vibration detection technology based on-OTDR:A reviewJ.IEEE Sensors Journal,2021,21(15):16428-16442.7 管彦周,万生鹏,程亚楠,等.基于移动方差平均算法的相位敏感光时域反射计去噪算法研究J.仪器仪表学报,2022,43(10):233-240.(下转第 103 页)79 第 2 期陈玉崇等:基于 DSP+FPGA 的旋转平台自抗扰控制方法 相比 PID,ADRC 的最大跟踪误差降低 79.5%,跟踪误差平均值降低 65.4%,验证了 ADRC 算法的优越性。5 结束语针对刚柔耦合旋转平台低速运行出现非线性摩擦或参考输入为非线性信号导致 PID 控制系统鲁棒性差、抗扰能力不足等问题,在 DSP 与 FPGA 组合而成的控制器上设计转台位置环 ADRC 控制算法,利用ESO 快速估计系统内外部扰动并予以补偿,极大降低了刚柔耦合旋转平台的最大跟踪误差与跟踪误差平均值,提升了系统鲁棒性与抗干扰能力。参考文献:1 朱世涛.超精密转台伺服控制系统研究D.重庆:重庆大学,2020.2 陈晓梅,刘长江,杜保林.大型高精度转台控制系统研究J.电光与控制,2019,26(5):90-94.3 李登.高精度转台机械结构优化设计与系统误差分析补偿D.太原:中北大学,2020.4 杨力.基于 DSP+FPGA 的转台控制系统关键技术研究与应用D.西安:西安电子科技大学,2013.5 陈祥涛.基于 DSP 技术的转台控制与图像跟踪D.西安:西安工业大学,2022.6 吕宏宇,金刚石,刘立志,等.光电跟踪转台伺服控制策略研究J.激光与红外,2018,48(4):503-508.7 韩京清.从 PID 技术到“自抗扰控制”技术J.控制工程,2002,9(3):13-18.8 郝正杰.基于自抗扰控制的永磁同步电机驱动系统关键技术研究D.长春:吉林大学,2022.9 韩京清.自抗扰控制技术J.前沿科学,2007(1):24-31.10 危宇泰.基于频域分析的刚柔耦合运动平台建模与运动控制研究D.广州:广东工业大学,2021.11 黄建彬.刚柔耦合旋转平台设计D.广州:广东工业大学,2022.12 韩京清.自抗扰控制器及其应用J.控制与决策,1998(1):19-23.13 黄一,张文革.自抗扰控制器的发展J.控制理论与应用,2002,19(4):485-492.14 黄一,薛文超,赵春哲.自抗扰控制纵横谈J.系统科学与数学,2011,31(9):1111-1119.15 韩京清,张荣.二阶扩张状态观测器的误差分析J.系统科学与数学,1999(4):465-471.16 韩京清.一类不确定对象的扩张状态观测器J.控制与决策,1995(1):85-88.17 SUN B,GAO Z.A DSP-based active disturbance rejection control design for a 1 kW H-Bridge DC-DC power convert-erJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(5):1271-1277.18 王小旭,梁彦,潘泉,等.带有色量测噪声的非线性系统Unscented 卡尔曼滤波器J.自动化学报,2012,38(6):986-998.19 彭皓,杨志军,蔡炳彧,等.基于柔性铰链微动平台的自抗扰控制方法J/OL.机床与液压,https:/ (上接第 97 页)8ROGERS A J.Polarization-optical time domain reflectome-try:a technique for the measurement of field distributionsJ.Applied Optics,1981,20(6):1060-1074.9 李香华,代志勇,刘永智.POTDR 分布式光纤传感器J.仪表技术与传感器,2009(6):18-20.10 尚盈,王昌.分布式光纤传感技术综述J.应用科学学报,2021,39(5):843-857.11 董贤子,吴重庆,付松年,等.基于 P-OTDR 分布式光纤传感中信息提取的研究J.北方交通大学学报,2003(6):106-110.12 李建中,饶云江,冉曾令.POTDR 分布式光纤传感及其在安防监测中的应用J.光子学报,2009,38(11):2789-2794.13 TONG Y,DONG H,WANG Y,et al.Distributed incomplete polarization-OTDR based on polarization maintaining fiber for multi-event detection J.Optics Communications,2015,357:41-44.14WANG C,ZHOU Y,WU H,et al.Temporal depolarization suppressed POTDR system for quasi-distributed instantane-ous intrusion sensing and vibration frequency measurementJ.IEEE Photonics Journal,2016,8(2):1-14.15DANDU P,GUSAROV A,LEYSEN W,et al.Distributed poloidal magnetic field measurement in tokamaks using po-larization-sensitive reflectometric fiber pptic sensor J.Sensors,2023,23(13):5923.16 ASUERO A G,SAYAGO A,GONZALEZ A G.The correla-tion coefficient:an overviewJ.Critical Reviews in Analyt-ical Chemistry,2006,36(1):41-59.作者简介:黄闽南(1999),硕士研究生,主要从事分布式光纤传感技术及电力物联网方面的研究。E-mail:hmn0615 通信作者:吕立冬(1982),副教授,博士,硕士研究生导师,主要从事分布式光纤传感技术及其在电力行业方面的研究。E-mail:lvlidong 301