基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测方法及装置

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测方法及装置。

背景技术

光纤测量振动在工程应用方面具有较好发展前景，特别是应用于一些大型工程的异常振动监测，比如铁轨的异常振动、石油天然气管道的突发破裂、桥梁的不稳定起伏、以及山体滑坡等一系列突发事件的检测。提高对突发振动的感知能力可以完善分布式光纤传感系统在异常振动检测中的应用。

但是，现有技术中数据采集数量大，导致处理速度缓慢，且对于动态环境的检测效果较差。

发明内容

本发明提出了一种基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测方法及装置，用以检测并预防生活中常见的各种突发灾害事件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测方法，包括：

采集原始数据，对所述原始数据进行预处理，得到原始数据链；

对所述原始数据链进行多项式拟合操作，得到拟合数据链；

对所述拟合数据链进行自适应程序适配，得到适配后的拟合数据链；

基于所述适配后的拟合数据链与所述原始数据做差分操作，得到目标数据链；

基于所述目标数据链得到目标数据块，基于所述目标数据块判断突发事件类型。

优选地，得到所述原始数据链的方法包括：

将所述原始数据进行分块处理，得到数据块；

将所述数据块以单个空间点作为索引，提取所述原始数据链。

优选地，所述多项式拟合操作包括：

式中，

优选地，得到适配后的拟合数据链的方法包括：

基于所述拟合数据链，得到拟合曲线；

基于所述拟合曲线进行拟合优度判断，更新拟合因子；

基于更新拟合因子后的所述拟合数据链再次进行拟合，重复上述操作，直至适应环境特征，输出适配后的拟合数据链。

优选地，判断突发事件类型的方法包括：

基于所述目标数据块，从空间视角观测所述目标数据块，得到突发事件的发生位置；

基于所述发生位置的时间视角提取事件发生的包络，得到频域与幅值信息；

基于所述频域与幅值信息，判断突发事件类型。

本发明还提供一种基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测装置，包括：实时处理设备；

所述实时处理设备用于执行上述的检测方法，从而判断突发事件类型；

所述检测装置还包括光电转换设备、高速采集设备、显示设备和历史记录查询设备；

所述光电转换设备用于将光信号转换为电信号；

所述高速采集设备用于基于所述电信号得到原始数据；

所述显示设备用于基于所述突发事件触发警示灯；

所述历史记录查询设备用于提供历史查询接口。

优选地，所述高速采集设备得到所述原始数据的方法包括：

对所述电信号进行高速离散化采集，将进行高速离散化采集的所述电信号保存为lvm格式数据包，基于所述数据包得到所述原始数据。

优选地，所述实时处理设备包括：

第一处理单元、第二处理单元、适配单元、第三处理单元、判断单元；

所述第一处理单元用于基于所述原始数据，得到原始数据链；

所述第二处理单元用于对所述原始数据链进行多项式拟合操作，得到拟合数据链；

所述适配单元用于对所述拟合数据链进行自适应程序适配，得到适配后的拟合数据链；

所述第三处理单元用于基于适配后的拟合数据链与所述原始数据链做差分操作，得到目标数据链；

所述判断单元用于基于所述目标数据链得到目标数据块，基于所述目标数据块判断突发事件类型。

本发明的有益效果为：

1.本发明分布式光纤系统基于自适应多项式拟合分析对各种工程场所的复杂环境，甚至是动态环境也有良好的适应性，对突发灾害性振动可准确快速识别。

2.本发明解决了采集数据量大和处理速度的矛盾，实时处理和显示设备可实现实时处理和显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测方法流程示意图；

图2为本发明实施例一自适应多项式拟合的方法流程示意图；

图3为本发明实施例二基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1、图2所示，为本发明一种基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测方法流程示意图，包括：

S1、采集原始数据，对原始数据进行预处理，得到原始数据链；

采集原始数据的方法包括：将散射光信号转化为电信号，根据光的相干强度值转化为电幅度值；对转化后的电信号进行高速离散化采集，保存为lvm格式数据包，得到原始数据。本实施例中，原始数据是长为L的一维长数组，其空间信息和时间信息错综交叉。其中，采集速率远大于电信号的最大频率，以保证不发生混频，从而提取准确的外界事件信息。

得到原始数据链的方法包括：

1、将原始数据进行分块处理，得到数据块；

将长为L的一维长数组分为q个数据块，每个数据块为m行n列，将行统一为光纤的空间信息，将列统一为事件的时间信息。

2、将数据块以单个空间点作为索引，提取原始数据链。

对上述数据块进行分链处理，以空间点为轴，每个轴点对应一条数据链，则每个数据块区域可分为m条原始数据链。

S2、对原始数据链进行多项式拟合操作，得到拟合数据链；

拟合操作包括：

式中，

其中，多项式拟合分析包括：对原始数据链进行进行首次拟合，得到拟合曲线；基于拟合曲线进行拟合优度判断。

S3、对拟合数据链进行自适应程序适配，得到适配后的拟合数据链；

具体包括：

基于拟合数据链，得到拟合曲线；

基于拟合曲线进行拟合优度判断，更新拟合因子；

基于更新拟合因子后的拟合数据链再次进行拟合，重复上述操作，直至适应环境特征，输出适配后的拟合数据链。

其中，判断是否适应环境特征的方法包括：

计算拟合数据链的回归平方和RSS以及总体平方和TSS；

对RSS和TSS进行判定，是否达到阈值稳定阶段，其中，阈值区间根据环境变化设定。如果达到阈值稳定阶段，则进入下一个步骤；否则继续进行拟合，进行下一次环境适配，直到适应环境特征，输出适配后的拟合数据链。

S4、基于适配后的拟合数据链与原始数据做差分操作，得到目标数据链；

差分操作的方法包括：

式中，T(n)表示目标数据链，I(n)表示原始数据链，

S5、基于目标数据链得到目标数据块，基于目标数据块判断突发事件类型。

判断突发事件类型的方法包括：

基于目标数据块，从空间视角观测目标数据块，得到突发事件的发生位置；

基于发生位置的时间视角提取事件发生的包络，得到频域与幅值信息；

基于频域与幅值信息，判断突发事件类型。

实施例二

如图3所示，本发明实施例还提供一种基于自适应拟合的分布式光纤突变振动检测装置，包括：实时处理设备、光电转换设备、高速采集设备、显示设备和历史记录查询设备；

其中，光电转换设备用于将光信号转换为电信号；

具体的：将散射光信号转化为电信号，根据光的相干强度值转化为电幅度值，以便于后续处理。

高速采集设备用于基于电信号得到原始数据；

高速采集设备得到原始数据的具体工作过程包括：

对转化后的电信号进行高速离散化采集，保存为lvm格式数据包，得到原始数据。本实施例中，原始数据是长为L的一维长数组，其空间信息和时间信息错综交叉。其中，采集速率远大于电信号的最大频率，以保证不发生混频，从而提取准确的外界事件信息。

实时处理设备用于执行实施例一所述的检测方法，从而判断突发事件类型；具体的，实时处理设备包括：

第一处理单元、第二处理单元、适配单元、第三处理单元、判断单元；

第一处理单元用于基于原始数据，得到原始数据链；

第一处理单元的工作过程包括：

将原始数据进行分块处理，得到数据块；

将长为L的一维长数组分为q个数据块，每个数据块为m行n列，将行统一为光纤的空间信息，将列统一为事件的时间信息。

将数据块以单个空间点作为索引，提取原始数据链。

对上述数据块进行分链处理，以空间点为轴，每个轴点对应一条数据链，则每个数据块区域可分为m条原始数据链。

第二处理单元用于对原始数据链进行多项式拟合操作，得到拟合数据链；

第二处理单元的具体工作过程包括：

其中，拟合操作包括：

式中，

其中，多项式拟合分析包括：对原始数据链进行进行首次拟合，得到拟合曲线；基于拟合曲线进行拟合优度判断。

适配单元用于对拟合数据链进行自适应程序适配，得到适配后的拟合数据链；

适配单元的具体工作过程包括：

基于拟合数据链，得到拟合曲线；

基于拟合曲线进行拟合优度判断，更新拟合因子；

基于更新拟合因子后的拟合数据链再次进行拟合，重复上述操作，直至适应环境特征，输出适配后的拟合数据链。

其中，判断是否适应环境特征的方法包括：

计算拟合数据链的回归平方和RSS以及总体平方和TSS；

对RSS和TSS进行判定，是否达到阈值稳定阶段，其中，阈值区间根据环境变化设定。如果达到阈值稳定阶段，则进入下一个步骤；否则继续进行拟合，进行下一次环境适配，直到适应环境特征，输出适配后的拟合数据链。

第三处理单元用于基于适配后的拟合数据链与原始数据链做差分操作，得到目标数据链；

第三处理单元的具体工作过程包括：

差分操作的方法包括：

式中，T(n)表示目标数据链，I(n)表示原始数据链，

判断单元用于基于目标数据链得到目标数据块，基于目标数据块判断突发事件类型。

判断单元判断突发事件类型的方法包括：

基于目标数据块，从空间视角观测目标数据块，得到突发事件的发生位置；

基于发生位置的时间视角提取事件发生的包络，得到频域与幅值信息；

基于频域与幅值信息，判断突发事件类型。

显示设备用于基于突发事件触发警示灯；

具体的，显示设备还用于对目标数据块三维模式及振动位置、事件的幅值和频率等信息进行实时显示，并在检测到突发事件时触发警示灯报警以预防灾害的发生。

历史记录查询设备用于对目标数据块进行存储，并提供历史查询接口。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。