楊 純,李垠韜,宋 偉,楊廣濤,孟繼軍,門寶霞,葉寶安

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司,北京 100053)

1 引 言

基于相位敏感的光時(shí)域反射計(jì)(Phase sensitive optical time-domain reflectometry,Φ-OTDR)光纖傳感系統(tǒng)具有大范圍、長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)量、靈敏度高、響應(yīng)速度快、適用于惡劣環(huán)境、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn),在周界安防、油氣管道、電力工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。Φ-OTDR通常采用相干度較高的窄脈沖激光光源探測(cè)后向瑞麗散射光的相位變化來(lái)實(shí)現(xiàn)微弱擾動(dòng)量檢測(cè)。由于光在傳播過(guò)程中不斷衰減,為了獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離通常采用信號(hào)放大的方式提高傳感距離。如饒?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì)將拉曼放大器與Φ-OTDR相結(jié)合成功實(shí)現(xiàn)74 km傳感距離和20 m空間分辨率[3],但在信號(hào)放大的同時(shí),不可避免地會(huì)引入噪聲,如何提高信噪比對(duì)數(shù)據(jù)處理方面提出了更高的要求。目前,基于Φ-OTDR光纖傳感擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的信號(hào)分析主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和類型識(shí)別兩方面[4]。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段主要是對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)噪聲的抑制,預(yù)處理質(zhì)量直接影響后續(xù)信號(hào)類型識(shí)別的好壞。常用的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法主要包括中值濾波、滑動(dòng)平均濾波、高斯濾波、小波閾值去噪等方法[5-7]。

Φ-OTDR在振動(dòng)傳感方面的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了電纜外破隱患監(jiān)測(cè)中存在的傳感器布放困難、測(cè)量盲區(qū)、組網(wǎng)復(fù)雜等問(wèn)題,利用與電纜同溝鋪設(shè)的光纜,將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到電纜防外破隱患監(jiān)測(cè)中,通過(guò)相應(yīng)算法可識(shí)別定位外破振動(dòng)信號(hào)。在實(shí)際測(cè)量中,因環(huán)境溫濕度等因素影響,激光的波長(zhǎng)及功率均存在緩慢漂移[8],造成無(wú)擾動(dòng)入侵時(shí)監(jiān)測(cè)曲線依然會(huì)緩慢的波動(dòng),由此帶來(lái)的低頻噪聲可能會(huì)淹沒(méi)真正的擾動(dòng)信號(hào)幅度變化；另外,由于相干衰落效應(yīng)[9]的影響,相位信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨機(jī)起伏,衰落噪聲可能導(dǎo)致嚴(yán)重的誤報(bào)或漏報(bào)。在現(xiàn)場(chǎng)條件下,Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)噪聲種類繁多且復(fù)雜,傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器數(shù)據(jù)去噪方法應(yīng)用效果并不理想,研究適用于現(xiàn)場(chǎng)的Φ-OTDR電纜外破隱患監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法,對(duì)提高信噪比,減少誤報(bào)率具有重要意義。

本文針對(duì)工程應(yīng)用中分布式光纖傳感電纜外破隱患監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)噪聲干擾大、信噪比低的特點(diǎn),提出采用空間域去趨勢(shì)化和時(shí)間域改進(jìn)譜減法去噪的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的外破信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證所提方法的有效性。

2 Φ-OTDR光纖擾動(dòng)信號(hào)預(yù)處理方法

2.1 去趨勢(shì)化

Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)激光信號(hào)功率在傳輸與散射過(guò)程中隨著距離的增加逐漸衰減,系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的前端信號(hào)強(qiáng)度與末端信號(hào)強(qiáng)度差別較大。為了后續(xù)處理時(shí)統(tǒng)一判決門限,需對(duì)擾動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,去除光功率距離衰減趨勢(shì)。

去除光功率衰減趨勢(shì)有兩種方法:一是根據(jù)已知光纖材料的衰減系數(shù),套用衰減公式進(jìn)行去趨勢(shì)化；二是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)波形提取代表趨勢(shì)變化的“基線”進(jìn)行去趨勢(shì)化。前者為理論計(jì)算法,不能排除后期環(huán)境等因素變化對(duì)光纖衰減系數(shù)造成的影響,且無(wú)法適用于帶有拉曼放大的Φ-OTDR系統(tǒng)；后者可自適應(yīng)衰減系數(shù)變化,減少環(huán)境干擾,更適用于實(shí)際工程應(yīng)用。因此,本文采用基線法進(jìn)行Φ-OTDR擾動(dòng)信號(hào)的去趨勢(shì)化預(yù)處理。

(1)

需要注意的是在提取趨勢(shì)基線時(shí)應(yīng)使用無(wú)擾動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù),如夜間的數(shù)據(jù),處理之后效果更佳。

本文抽取夜間無(wú)擾動(dòng)時(shí)的原始數(shù)據(jù)20組,20組不同時(shí)間的空間域數(shù)據(jù)取均值得到代表空間衰減的原始信號(hào),按上述方法提取趨勢(shì)基線,如圖1所示。

圖1 Φ-OTDR原始信號(hào)趨勢(shì)基線

從圖1可以看到Φ-OTDR原始信號(hào)在空間距離上呈不規(guī)則衰減趨勢(shì),這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲、光纖接續(xù)損耗、溫濕度等不同因素變量疊加對(duì)光功率衰減系數(shù)造成了不一的影響；提取的趨勢(shì)基線可以較好地反映原始信號(hào)的衰減變化趨勢(shì),實(shí)際應(yīng)用效果較好。根據(jù)提取的趨勢(shì)基線結(jié)合式(1),則某一采樣時(shí)刻的空間——強(qiáng)度(列向量)原始數(shù)據(jù)去趨勢(shì)化后的信號(hào)如圖2所示。

圖2 去趨勢(shì)化后信號(hào)

可以看到,去趨勢(shì)化處理后的信號(hào)基本消除了數(shù)據(jù)衰減趨勢(shì),信號(hào)幅度基本一致。去趨勢(shì)化后可統(tǒng)一信號(hào)幅度,避免擾動(dòng)幅度淹沒(méi)在趨勢(shì)之中,有利于后續(xù)進(jìn)一步處理。利用此方法提取的趨勢(shì)基線以及式(1)可繼續(xù)用于二維數(shù)組DM×N每一列的(時(shí)間方向)空間-強(qiáng)度原始數(shù)據(jù)趨勢(shì)去除,達(dá)到空間域數(shù)據(jù)全部去趨勢(shì)目的。

2.2 改進(jìn)譜減法去噪

譜減法是語(yǔ)音降噪中常用的算法,該算法運(yùn)算量小、便于快速計(jì)算、可獲得較高的輸出信噪比,在語(yǔ)音信號(hào)處理中得到了廣泛應(yīng)用[10-12]。譜減法的基本原理是:假設(shè)加性噪聲與擾動(dòng)信號(hào)不相關(guān),且噪聲信號(hào)統(tǒng)計(jì)平穩(wěn),用帶噪擾動(dòng)信號(hào)功率譜減去純?cè)肼曅盘?hào)功率譜得到純凈擾動(dòng)信號(hào)的功率譜,再通過(guò)傅里葉逆變換得到去噪后的時(shí)域擾動(dòng)信號(hào)[13-14]。

譜減法處理之前,先采用2.1小節(jié)所述方法對(duì)二維數(shù)組DM×N的所有列向量進(jìn)行空間域去趨勢(shì)化。譜減法主要是對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理,所以文中將采集的原始數(shù)據(jù)DM×N的行向量視為每一幀待處理的信號(hào)。

假設(shè)d(n)為含噪擾動(dòng)信號(hào),s(n)為噪聲信號(hào),y(n)為有效擾動(dòng)信號(hào),且y(n)與s(n)相互獨(dú)立,則有:

d(n)=y(n)+s(n)

(2)

設(shè)第i幀振動(dòng)信號(hào)為D(i,:),即di(n),幀長(zhǎng)為N,對(duì)該幀信號(hào)做離散傅里葉變換:

(3)

則該幀信號(hào)的功率譜為|Di(k)|2,變換后的相位角為:

(4)

假設(shè)D(ω)、S(ω)、Y(ω)分別對(duì)應(yīng)含噪擾動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)、有效擾動(dòng)信號(hào)的功率譜,則有:

D(ω)=Y(ω)+S(ω)

(5)

經(jīng)典譜減法認(rèn)為y(n)與s(n)相互獨(dú)立,所以Y(ω)、S(ω)也相互獨(dú)立,且S(ω)服從零均值高斯分布。則有:

|D(ω)|2=|Y(ω)|2+|S(ω)|2

(6)

純凈的有效擾動(dòng)信號(hào)功率譜可以用含噪擾動(dòng)信號(hào)功率譜減去噪聲信號(hào)功率譜來(lái)近似估計(jì),從而得到譜減算法為:

(7)

經(jīng)典譜減法用無(wú)擾動(dòng)時(shí)的噪聲估計(jì)有擾動(dòng)時(shí)的噪聲水平,由于噪聲譜具有隨機(jī)性,實(shí)際噪聲在譜減后會(huì)有一部分尖峰殘留,導(dǎo)致“音樂(lè)噪聲”[15]。為了得到更加純凈的有效擾動(dòng)信號(hào),需對(duì)譜減法進(jìn)行改進(jìn)。一種常用的改進(jìn)譜減法是引入?yún)?shù)法[16-17],即引入?yún)?shù)a、b,得到改進(jìn)譜減法公式如下:

(8)

式中,a為功率修正系數(shù),a>0,增強(qiáng)a可有效提升信噪比,但會(huì)增加信號(hào)的失真程度,原始信號(hào)的信噪比較低時(shí),a的影響作用更加明顯；b為譜減噪聲系數(shù),可削弱類似音樂(lè)的殘留噪聲。當(dāng)a=2,b=1時(shí)為經(jīng)典譜減法形式,a、b的取值可根據(jù)具體場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2.3 預(yù)處理方法流程

本文提出的Φ-OTDR光纖擾動(dòng)信號(hào)預(yù)處理方法流程如圖3所示。

圖3 預(yù)處理方法流程

3 預(yù)處理效果分析

3.1 參數(shù)a、b對(duì)信噪比影響分析

本文采用改進(jìn)型譜減法對(duì)Φ-OTDR光纖傳感電纜外破監(jiān)測(cè)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪,引入?yún)?shù)a、b的取值直接關(guān)系到去噪的效果,為此選取不同的a、b參數(shù)值,根據(jù)圖3所述的預(yù)處理方法,針對(duì)同一組數(shù)據(jù),計(jì)算改進(jìn)譜減法去噪前后信號(hào)的信噪比提升值,進(jìn)行對(duì)比分析。不同的a、b參數(shù)值對(duì)應(yīng)的信噪比提升統(tǒng)計(jì)如表1和圖4。

表1 參數(shù)a、b對(duì)應(yīng)的信噪比

圖4中可以看到a取值為2時(shí),不論b取何值,信噪比均較高,且a=2時(shí)具有較好的物理意義,因此參數(shù)a=2可以認(rèn)為是最合適的。由表1可以看到,當(dāng)a的值固定時(shí),信噪比的提升整體趨勢(shì)是b越小,信噪比越高；b越大,信噪比越低。但在a=2時(shí),情況不一樣,b=0.2時(shí)信噪比反而是最低的,b=0.8時(shí)信噪比最大,考慮到參數(shù)b對(duì)信噪比的整體影響趨勢(shì),以及a=2時(shí)的局部信噪比最優(yōu)值,認(rèn)為b取0.8較為合適。因此,本文下面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析中改進(jìn)譜減法參數(shù)a、b的取值分別確定為2和0.8。

圖4 參數(shù)a、b對(duì)信噪比的影響

3.2 去趨勢(shì)與譜減法去噪效果分析

為驗(yàn)證本文所提空間域去趨勢(shì)和時(shí)間域改進(jìn)譜減法去噪數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)Φ-OTDR光纖擾動(dòng)信號(hào)預(yù)處理的有效性,在現(xiàn)場(chǎng)采集的大量電纜外破隱患監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中,分別選取夜間無(wú)擾動(dòng)時(shí)和白天有擾動(dòng)時(shí)的原始信號(hào)。監(jiān)測(cè)線路全長(zhǎng)32.72 km,時(shí)間采樣率為507 Hz,時(shí)間采樣點(diǎn)4096個(gè),空間分辨率8 m。選取空間采樣點(diǎn)統(tǒng)一為2 km處的一組時(shí)域信號(hào),根據(jù)本文所提預(yù)處理方法進(jìn)行處理。無(wú)擾動(dòng)時(shí)信號(hào)去趨勢(shì)與改進(jìn)譜減法預(yù)處理效果如圖5所示。

圖5 無(wú)擾動(dòng)時(shí)去趨勢(shì)與譜減法去噪效果

從圖5可以看到無(wú)擾動(dòng)時(shí)信號(hào)基本為純?cè)肼曅盘?hào),原始信號(hào)波形存在一定的波動(dòng)起伏。趨勢(shì)基線參考圖1,由于所選位置為2 km,處在趨勢(shì)基線的較高位置,去除趨勢(shì)后信號(hào)如圖5(b)所示,相當(dāng)于去除了直流量,而信號(hào)的波形特征得以保留。未去趨勢(shì)直接譜減后的波形如圖5(c)所示,與去趨勢(shì)再譜減圖5(d)對(duì)比發(fā)現(xiàn),去趨勢(shì)再譜減可明顯降低噪聲信號(hào)幅度,并且可去除信號(hào)起伏波動(dòng)。

有擾動(dòng)時(shí)信號(hào)去趨勢(shì)與譜減法效果如圖6所示。

圖6 有擾動(dòng)時(shí)去趨勢(shì)與譜減法去噪效果

為定量化表示去趨勢(shì)與譜減法去噪的處理效果,文中根據(jù)信噪比的定義計(jì)算各自的信噪比值。本文信噪比的計(jì)算方法為:

(9)

式中,SNR為信噪比值,單位為dB;Di為原始含噪擾動(dòng)信號(hào)幅值;M為其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；Sj為噪聲信號(hào)幅值;N為其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；計(jì)算時(shí)可分別截取噪聲信號(hào)與擾動(dòng)信號(hào)。如圖6,噪聲信號(hào)可取0～2 s段的數(shù)據(jù),擾動(dòng)信號(hào)可取2～5 s段的數(shù)據(jù)。計(jì)算得到有擾動(dòng)時(shí)原始信號(hào)的信噪比為1.29 dB,去趨勢(shì)后信號(hào)的信噪比為2.86 dB,提高了1.57 dB；原始信號(hào)在不去趨勢(shì)的條件下直接進(jìn)行譜減法去噪,得到去噪后的的信號(hào)信噪比為6.83 dB,相比原始信號(hào)提高了5.54 dB；原始信號(hào)先去趨勢(shì)化,再進(jìn)行譜減法去噪得到最終預(yù)處理后的信號(hào)信噪比為7.45 dB,相比原始信號(hào)提高了6.16 dB,相比未去趨勢(shì)譜減法去噪后信號(hào)信噪比提高了0.62 dB。針對(duì)以上分析,可得出如下結(jié)論:空間域去趨勢(shì)化可去除信號(hào)的空間衰減趨勢(shì),亦可提高信噪比；改進(jìn)譜減法去噪可明顯提升信噪比,去噪效果較好,還可消除信號(hào)的時(shí)域波動(dòng)；去趨勢(shì)化與譜減法具有信噪比疊加效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)外破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用

本文所述方法主要應(yīng)用于Φ-OTDR光纖傳感電纜外破隱患監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功捕獲到了多次外破隱患施工信號(hào),選取破碎機(jī)施工信號(hào)、挖掘機(jī)施工信號(hào)、打樁機(jī)施工信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理效果進(jìn)行分析。

4.1 破碎機(jī)施工信號(hào)預(yù)處理分析

選取典型Φ-OTDR光纖傳感外破隱患振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的某液壓破碎機(jī)施工信號(hào),采用空間域去趨勢(shì)與時(shí)間域改進(jìn)譜減法去噪方法預(yù)處理效果如圖7所示。

圖7 破碎機(jī)信號(hào)預(yù)處理后效果

由3.2小節(jié)所述信噪比計(jì)算方法計(jì)算得到,破碎機(jī)原始信號(hào)信噪比為1.92 dB,預(yù)處理之后信號(hào)信噪比為4.17 dB,信噪比提高了2.25 dB。圖7可以看到,破碎機(jī)施工信號(hào)波形振動(dòng)強(qiáng)度基本一致,時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)為一段段均勻的持續(xù)振動(dòng),這與液壓破碎錘工作方式主要為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),沖擊強(qiáng)度與頻率相對(duì)固定的情況基本吻合。

4.2 挖掘機(jī)施工信號(hào)預(yù)處理分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的某次挖掘機(jī)施工信號(hào)及預(yù)處理后的波形如圖8所示。

計(jì)算得到挖掘機(jī)原始信號(hào)信噪比為3.74 dB,預(yù)處理之后信號(hào)信噪比為9.85 dB,信噪比提高了6.11 dB。圖8所示預(yù)處理后的挖掘信號(hào)波形特點(diǎn)表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)度時(shí)強(qiáng)時(shí)弱、持續(xù)時(shí)間不固定、規(guī)律性不強(qiáng)。挖掘機(jī)的作業(yè)內(nèi)容與方式十分豐富,包括:挖土、平整、裝載、正鏟、反鏟等,這些均會(huì)導(dǎo)致挖掘信號(hào)復(fù)雜多變,特征不明顯。

圖8 挖掘機(jī)信號(hào)預(yù)處理后效果

4.3 打樁機(jī)施工信號(hào)預(yù)處理分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的某次打樁機(jī)施工信號(hào)及預(yù)處理后的波形如圖9所示。

圖9 打樁機(jī)信號(hào)預(yù)處理后效果

圖9所示的打樁機(jī)原始信號(hào)及預(yù)處理后的信噪比分別為1.16 dB和5.88 dB,預(yù)處理后信噪比提高了4.72 dB。圖中可以看到,該打樁機(jī)原始時(shí)域信號(hào)波形存在較大起伏,即光功率波動(dòng)較大,導(dǎo)致打樁信號(hào)淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中,原始信號(hào)信噪比較低。利用本文所述方法預(yù)處理后效果較好,去噪后可清晰地看到打樁機(jī)信號(hào)波形,振動(dòng)信號(hào)前后無(wú)小幅波動(dòng)或拖尾,信號(hào)持續(xù)時(shí)間約0.7 s。打樁機(jī)主要靠樁錘向下沖擊地層,單次沖擊時(shí)間短,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)基本一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)Φ-OTDR光纖傳感電纜外破隱患監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)信噪比較低問(wèn)題,文章提出了空間域去趨勢(shì)化、時(shí)間域改進(jìn)譜減法去噪的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。分析結(jié)果驗(yàn)證了去趨勢(shì)化和改進(jìn)譜減法均能提高信噪比,且兩者具有疊加效果?，F(xiàn)場(chǎng)破碎機(jī)施工信號(hào)預(yù)處理后信噪比提高了2.25 dB；挖掘機(jī)信號(hào)預(yù)處理后信噪比提高了6.11 dB；打樁機(jī)信號(hào)預(yù)處理后信噪比提高了4.72 dB。實(shí)際應(yīng)用效果驗(yàn)證了所提方法的有效性,該方法對(duì)提高后續(xù)的定位與識(shí)別算法準(zhǔn)確性具有一定的應(yīng)用價(jià)值,可以降低外破監(jiān)測(cè)的誤報(bào)率與漏報(bào)率。