分布式光纤振动传感系统与Cesium的深度结合应用

技术领域

本发明涉及光纤传感技术与数据可视化领域，具体地说，是一种分布式光纤振动传感系统与Cesium的深度结合系统及结合方法。

背景技术

分布式光纤振动传感系统是分布式光纤传感家族中的重要一员，它利用光纤的后向瑞利散射光来感知光纤沿路发生的振动。相干探测型

分布式光纤振动传感系统与Cesium前端Gis框架的深度结合能够实时的将振动位置与振动等级生动形象地展现出来实现了虚拟与现实的融合。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出分布式光纤振动传感系统与Cesium的深度结合系统，利用Mysql数据库存储传感光纤的具体经纬度信息，在Cesium加载的实景三维模型上渲染传感光纤的走线分布。分布式光纤振动传感系统的数据通过下变频信号处理模块进入AD模块进行数模转换，并对数据进行实时解调，解调结果通过4G模块发送到云端，Cesium获取实时振动源数据，供现场工作人员实时监测光纤沿线情况，并且将振动信息存储在Mysql数据库供管理者回溯。

一种分布式光纤振动传感系统与Cesium的深度结合系统，包括下变频信号处理模块、ZYNQ-7020芯片、Web服务后端、3dtiles格式实景三维模型、Cesium前端框架，下变频信号处理模块将传感信号从高频降低到低频后被模数转换器从模拟量转换为数字量送入ZYNQ-7020芯片进行处理，ZYNQ-7020芯片将振动信号解调后通过4G模块与Web服务后端通信，并且Web服务后端保存振动信号的数据与3d tiles格式实景三维模型数据，Cesium前端框架将3d tiles格式实景三维模型数据与振动信号的数据进行可视化展示。

在上述技术方案中，所述下变频信号处理模块包括高性能IQ混频模块，DDS信号发生器，双端转单端差分运放，低通滤波器：所述高性能IQ混频模块将RF端口输入相干探测型φ-OTDR输出的信号，LO端输入DDS信号发生器产生的高频正弦信号，在接收到两路输入信号后各自分成两路，LO端第一路信号不做变化，LO端第二路信号移相90度，RF端第一路不变，RF端第二路取反，随后两两相乘，输出I

在上述技术方案中，ZYNQ-7020芯片将双路AD采集到的I与Q信号进行IQ解调，解调出振动源的位置与振幅大小，并通过串口与4G模块通信。

本发明的进一步改进，所述web服务器后端接收4G模块发送过来的Http请求，把接收到的信息进行行提取，获取请求行以及请求头部字段，从而提取出振动点位置与振幅的数据，并通过JDBC将数据写入Mysql数据库，同时也接收浏览器发送的请求，并把振动点位置与振幅的数据返回给浏览器；所述实景三维模型通过无人机对光纤沿线进行倾斜摄影，并将倾斜摄影数据导入ContextCapture软件生成3d tiles格式的三维模型；所述Cesium前端框架加载光纤沿线的3d tiles格式三维模型，并通过浏览器发起Http请求返回振动点位置与振幅的数据后将振动点的位置以点的形式渲染在实景三维模型上，并标明幅度，同时将传感光纤的布线以三维管线的形式渲染在地图上。

本发明的进一步改进，Web端服务器运行在linux系统上，使用Springboot框架处理Http请求。

本发明的进一步改进，运用了Cesium前端Gis框架加载3d tiles格式实景三维模型对光纤的布局布线进行可视化与振动点位置与振幅的报警。

本发明的进一步改进，所述ZYNQ-7020芯片将采集到的瑞利散射曲线数据做相互差分，实时解调出振动点位置与振幅。

该系统的具体结合方法步骤如下：

步骤一：在传感光纤在施工初期通过手持式GPS定位仪按照每10米记录一次传感光纤位置之后生成CSV文件记录经纬度；

步骤二：服务器后端将CSV文件读取，获取一系列经纬度数值，通过JDBC与Mysql数据库链接后按顺序写入数据库并设置id列自增，这样就存储了多段传感光纤起始位置的经纬度与终点位置经纬度的数据；

步骤三：采用无人机对光纤布线位置周围进行多个不同角度与高度的倾斜摄影，将倾斜摄影数据导入到ContextCapture软件中进行三维重建，并将三维格式设置成3DTiles格式，生成的3D Tiles格式三维数据放置在服务器端；

步骤四：当光纤沿线振动发生时，分布式光纤振动传感系统输出的信号为：A

步骤五：下变频信号处理模块输出的IQ双路信号被高速AD采样进行量化编码进入ZYNQ-7020芯片的PL侧，如图3所示：对于输入的IQ双路数据，分别经过xilinx的乘法器ip核即I路乘以I路，Q路乘以Q路，最后得出I

步骤六：4G模块发起Http请求，请求当中带有振动源的位置与振幅信息；

步骤七：服务器后端接收到请求后通过JDBC将数据写入Mysql数据库，并且给每个振动点数据加上时间参数；

步骤八：浏览器发起查看振动源位置与振幅信息请求时，服务器后端通过JDBC将数据从数据库中读出，并且计算振动源的具体经纬度，例如振动发生在108米时，那么从数据库存储传感光纤布局布线的经纬度表中找到第10段与第11段光纤的经度与纬度，振动点的经度就是第10段光纤的经度减去第11段光纤的经度再除以8，再加上第10段光纤的经度，振动点的纬度也同理；

步骤九：当用户查看振动源的位置时，Cesium从服务器后端按需加载振动源位置的实景三维模型，减少画面渲染，增加画面流畅性，提升用户体验。并且服务后端将振动点的经纬度以及振幅等级与振动发生的时间与光纤沿线所有经纬度数据返回给浏览器，前端框架Cesium拿到光纤经纬度数据后在实景三维模型中对应位置渲染出虚拟光纤。Cesium拿到振动源经纬度与振幅数据后，对振幅大小做等级分类，并且以文字标牌的形式渲染在对应振动点的正上方。

本发明的有益效果：本发明相干探测型φ-OTDR部分对振动事件进行响应，振动源的幅度与位置的信息在FPGA端解调出来后通过串口通信发送给4G模块、然后4G模块发起Http请求、后端接收请求后将数据存储进入Mysql数据库、Cesium通过axios网络通信框架向服务器后端发起Http请求、后端接收到请求后读取Mysql数据库信息后返回给Cesium、Cesium在Web端加载实景三维模型并在相应位置展示振动的位置与幅度提供给现场工程或管理人员一个可视化工具，推广了分布式光纤振动传感系统的工程应用。

附图说明

图1为本发明的系统整体框架图。

图2为本发明中分布式光纤振动传感系统输出的信号进入下变频模块进行处理示意图。

图3为本发明中下变频信号处理模块输出的IQ双路信号被高速AD采样进行量化编码示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1所示，一种分布式光纤振动传感系统与Cesium的深度结合系统，包括下变频信号处理模块、ZYNQ-7020芯片、Web服务后端、3d tiles格式实景三维模型、Cesium前端框架，下变频信号处理模块将传感信号从高频降低到低频后被模数转换器从模拟量转换为数字量送入ZYNQ-7020芯片进行处理，ZYNQ-7020芯片将振动信号解调后通过4G模块与Web服务后端通信，并且Web服务后端保存振动信号的数据与3dtiles格式实景三维模型数据，Cesium前端框架将3dtiles格式实景三维模型数据与振动信号的数据进行可视化展示。

该系统的具体结合方法步骤如下：

步骤一：在传感光纤在施工初期通过手持式GPS定位仪按照每10米记录一次传感光纤位置之后生成CSV文件记录经纬度；

步骤二：服务器后端将CSV文件读取，获取一系列经纬度数值，通过JDBC与Mysql数据库链接后按顺序写入数据库并设置id列自增，这样就存储了多段传感光纤起始位置的经纬度与终点位置经纬度的数据；

步骤三：采用无人机对光纤布线位置周围进行多个不同角度与高度的倾斜摄影，将倾斜摄影数据导入到ContextCapture软件中进行三维重建，并将三维格式设置成3DTiles格式，生成的3D Tiles格式三维数据放置在服务器端；

步骤四：当光纤沿线振动发生时，分布式光纤振动传感系统输出的信号为：A

步骤五：下变频信号处理模块输出的IQ双路信号被高速AD采样进行量化编码进入ZYNQ-7020芯片的PL侧，如图3所示：对于输入的IQ双路数据，分别经过xilinx的乘法器ip核即I路乘以I路，Q路乘以Q路，最后得出I

步骤六：4G模块发起Http请求，请求当中带有振动源的位置与振幅信息；

步骤七：服务器后端接收到请求后通过JDBC将数据写入Mysql数据库，并且给每个振动点数据加上时间参数；

步骤八：浏览器发起查看振动源位置与振幅信息请求时，服务器后端通过JDBC将数据从数据库中读出，并且计算振动源的具体经纬度，例如振动发生在108米时，那么从数据库存储传感光纤布局布线的经纬度表中找到第10段与第11段光纤的经度与纬度，振动点的经度就是第10段光纤的经度减去第11段光纤的经度再除以8，再加上第10段光纤的经度，振动点的纬度也同理；

步骤九：当用户查看振动源的位置时，Cesium从服务器后端按需加载振动源位置的实景三维模型，减少画面渲染，增加画面流畅性，提升用户体验。并且服务后端将振动点的经纬度以及振幅等级与振动发生的时间与光纤沿线所有经纬度数据返回给浏览器，前端框架Cesium拿到光纤经纬度数据后在实景三维模型中对应位置渲染出虚拟光纤。Cesium拿到振动源经纬度与振幅数据后，对振幅大小做等级分类，并且以文字标牌的形式渲染在对应振动点的正上方。

以上所述为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。