林曉暉， 李 剛， 曾科宏， 楊文明

(中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司， 河北 廊坊 065000)

光纖管道安全光纖預(yù)警系統(tǒng)(光纖預(yù)警系統(tǒng))采用相干瑞利分布式振動光纖傳感方案，綜合了超長距離光纖傳感技術(shù)、信號檢測、信號處理和識別等多個領(lǐng)域，利用光纖作為分布式傳感器拾取管道沿線的土壤振動信號，通過對檢測信號的處理和分析，可以檢測管道沿線發(fā)生事件的情況，給出危害管道事件的時間、位置信息[1-3]。在管道保護設(shè)備中，管道安全光纖預(yù)警系統(tǒng)擔當了管道“順風耳”的角色。到目前為止，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在約5 000 km的石油、天然氣管道中，地質(zhì)地貌包括了沙漠、戈壁、平原、林地等，為設(shè)備使用方提供了大量的事件信息，阻止了多起潛在的管道危害事件，有效提升了管道的安全系數(shù)。

目前系統(tǒng)普遍采用了脈沖干涉的方案[4-5]，該方案從技術(shù)上把光纜分割為上千個等效獨立傳感器，具有定位準確度高、抗干擾能力強的特點。由于等效傳感器數(shù)目太多，對每個傳感器需要獨立處理，所以對系統(tǒng)計算量要求較大。對光纖管道安全光纖預(yù)警系統(tǒng)信號處理，目前普遍采用了差分處理的方式[6-8]，即后一幀信號減前一幀信號，在有土壤振動的位置由于變化劇烈會形成一個尖峰，如圖1所示。天津大學在平均算法的基礎(chǔ)上提出了一種新的移動平均算法，該算法計算量少，差值信號探測使得靈敏度有所提高[6]。電子科技大學提出基于時間序列奇異譜特征振動檢測方法，能有效匹配出聲波和瞬時噪聲的干擾，但在實際應(yīng)用中，由于運算量較大，難以保證高定位準確度時系統(tǒng)的實時性，甚至有漏檢的可能性。

圖1 差分方法檢測土壤振動

首先分析普遍使用的差分算法，對算法的優(yōu)勢和劣勢進行了闡述，分析差分算法提高靈敏的條件，介紹一種新的靈敏度提升算法，并在現(xiàn)場試驗中驗證新算法的有效性。

1 差分算法分析

目前，對相干瑞利分布式振動傳感信號檢測部分普遍采用差分的方式[8-9]，即后一幀信號與前一幀信號相減，檢出振動信號。為了討論差分算法對信號的影響，以白噪聲為例，分別從時域和頻域?qū)Σ罘智昂蟮男盘栠M行對比。算法步驟如下：

1)以全頻段的白噪聲信號為參考信號，生成長度為5 s，方差為1的白噪聲信號, signal=randn(1，L)，并用FFT求得白噪聲頻譜。

2)以上述白噪聲為基礎(chǔ)，生成差分信號，signal_dif_0=signal(n+1)-signal(n)，并用FFT求得白噪聲頻譜。

上述信號采樣率為1 000 Hz的，差分前后時域、頻譜如圖2所示。

從圖2白噪聲信號和差分后信號的時域圖中可以看出，差分后時域信號幅值有所升高，經(jīng)過計算，白噪聲信號方差為0.999，差分后信號方差1.99。由此說明差分可以帶來信號幅值的提升，但是幅值的提升并不能代表信號質(zhì)量的提高。普通意義上，白噪聲意味著系統(tǒng)干擾，是要抑制的信號組成部分。

圖2 白噪聲信號和差分后信號的時域信號(左)、頻譜(右)對比

圖2(c)白噪聲和差分后信號的頻譜圖中，白噪聲頻譜代表白噪聲在各個頻率均有分量，且幅值基本均勻。白噪聲差分后頻譜從低頻到高頻依次升高；在低頻處差分信號頻響明顯低于白噪聲頻譜線，說明差分算法對低頻信號具有抑制作用；在高頻處差分信號頻響明顯高于白噪聲頻譜線，說明差分算法對高頻信號具有增強作用。大概在170 Hz左右，兩條曲線相交，是抑制信號和增強信號的分界處。

可以得出結(jié)論，對于白噪聲，高頻增強起到主導作用，導致時域信號幅值升高。光纖預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)采集的信號中包括土壤振動信號和噪聲信號，在抑制信號頻段，土壤震動信號和噪聲同時得到了抑制，在增強頻段，土壤震動信號和噪聲同時得到了增強。下面利用信噪比衡量信號質(zhì)量的變化，定性分析差分算法對信號信噪比的影響，尋找差分信號提高信號信噪比的條件。

根據(jù)白噪聲頻譜和差分頻率響應(yīng)圖的交點，在頻域上把信號分為增強區(qū)域和抑制區(qū)域，定義增強區(qū)域信號能量為Hs，增強區(qū)域噪聲能量Hn，抑制區(qū)域信號能量為Ls，抑制區(qū)域噪聲能量為Ln，則光纖預(yù)警系統(tǒng)采集的原始信號信噪比為

SNR1=10lg[(Hs+Ls)/(Hn+Ln)]

(1)

定義在整個增強頻段等效增強比為m(m>1), 整個抑制頻段等效抑制系數(shù)為n(0

SNR2=10lg[(mHs+nLs)/(mHn+nLn)]

(2)

若要求SNR2>SNR1，則要求

(3)

通過公式變換得到，需要要求：

(m-n)HsLn>(m-n)HnLs

(4)

由于m>n，可以把(m-n)從公式兩端舍去，得到最終形式，如果要求SNR2>SNR1，必須要求

(5)

由式(5)可以得到，如果要求差分提高信噪比，改善靈敏度，要求增強區(qū)的信噪比高于抑制區(qū)信噪比。在此可以得到結(jié)論當前普遍采用的差分算法雖然計算方便，但是對信噪比的提升是有前提條件的。如果信號抑制區(qū)的信噪比增強區(qū)高，差分方法對信號探測起到負面作用。極限狀態(tài)下，假設(shè)信號為直流信號，差分后信號會完全消失。

上述差分方式直接利用后一幀減前一幀，從頻響圖中可以看到低于170 Hz的信號處于抑制區(qū)，由于土壤信號中低頻也占有較大的成分，為了把增強區(qū)和抑制區(qū)的交點向低頻處移動，還會對原始信號進行隔點差分，下面分別分析隔1點差分，隔2點差分，隔3點差分的頻率響應(yīng)，為了區(qū)別上述差分方式成為直接差分。

首先以采樣率1 000 Hz，時長5 s，方差1位生成白噪聲信號signal(n)，然后隔多點差分：

隔1點差分后信號

signal_dif_1=signal(n+2)-signal(n)

(6)

隔2點差分后信號

signal_dif_2=signal(n+3)-signal(n)

(7)

隔3點差分后信號

signal_dif_3=signal(n+4)-signal(n)

(8)

差分后頻譜如圖3所示。

圖3 白噪聲信號和隔多點差分的信號頻率響應(yīng)

可以看到隔多點差分后不同差分的頻率響應(yīng)有不同的增強區(qū)域和抑制區(qū)域：直接差分頻響從低到高一直升高；隔一點差分對中頻部分增強明顯，對頻譜兩端起抑制作用；隔兩點差分對于中頻偏低以及高頻區(qū)增強明顯；隔三點差分有兩個增強區(qū)域在頻譜中心兩側(cè)呈對稱分布。抑制區(qū)和增強區(qū)的第一個交點向低頻移動。

利用式(1)～式(5)，可以得到隔多點差分處理方式對信噪比提升的條件與直接差分方式相同。要求增強區(qū)的信噪比要高于抑制區(qū)的信噪比。但是不同差分方式的增強區(qū)域和抑制區(qū)域頻譜位置各不不同，所以信號的頻譜分布對差分方式是否能夠改善信噪比起到重要作用。這意味著信號頻譜分布對差分方式的選擇有指導意義。當信號主要分布在高頻階段時，直接差分對高頻增強最大，對信噪比改善也最明顯。當信號主要分布在中頻時，隔1點差分增強效果最好，信噪比改善最好。

2 靈敏度改善算法流程

為了使系統(tǒng)探測靈敏度始終處于較高水平，需要對信號進行頻率分析，不同的頻率分布運用不同差分方式。根據(jù)圖3，形成了在較高靈敏度下，峰值頻率段和對應(yīng)差分方式，如表1所示。

表1 峰值頻率范圍及高靈敏度差分方式

靈敏度改善的算法流程如圖4所示。原始數(shù)據(jù)里經(jīng)過預(yù)處理降噪后，首先進行頻譜分析，確定信號頻域分布特點。按照表1中的頻率范圍計算能量比重，計算得出比重最大的峰值頻率范圍，然后對應(yīng)表1選擇差分方法。

圖4 靈敏度提升流程

3 靈敏度改善算法實驗效果

靈敏度改善算法完成后，在中俄東線光纖預(yù)警系統(tǒng)最北端，黑河分輸站到3#閥室間進行了測試。針對光纖預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場常見事件進行了實驗和數(shù)據(jù)分析，實驗分為人工挖掘、機械施工、高速過車3組，定義沒有測試時的本底信號為噪聲，分別對比了原算法和新算法的靈敏度。實驗結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 人為施工時域信號對比

圖6 高速過車時域信號對比

圖7 機械施工時域信號對比

圖5～圖7可以看出，3種類型信號通過新算法處理后幅值都明顯的提高。平均幅值提高一倍左右，但是本底噪聲水平也有所上漲。以沒有事件時的本底噪聲作為樣本，信號信噪比提高情況如表2所示。

表2 新算法效果

4 結(jié)論

以信噪比作為衡量光纖預(yù)警系統(tǒng)靈敏度的標準，對當前普遍使用的差分算法進行了頻譜分析和數(shù)學建模，分析差分算法有效性和信號的頻率分布的關(guān)系。以白噪聲信號和差分信號的頻譜交點為界，把頻譜區(qū)域分為增強區(qū)域和抑制區(qū)域。通過分析得出結(jié)論：差分方法能夠提高信噪比的前提是增強區(qū)的信噪比高于抑制區(qū)信噪比。當信號主要成分處于低頻狀態(tài)時，差分方法甚至會降低系統(tǒng)靈敏度，對系統(tǒng)探測振動信號造成阻礙，差分算法失效。以此為基礎(chǔ)，提出了一種靈敏度改善算法流程，克服了原有差分算法的缺點，應(yīng)用后對光纖預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場人為施工、機械施工、車輛通過3種信號的信噪比均有提高。新算法的應(yīng)用，可以提高光纖預(yù)警系統(tǒng)靈敏度，擴大系統(tǒng)的保護范圍。