基于Sobel算子的分布式光纤振动检测装置及方法与流程

本发明涉及一种光纤振动检测方法，尤其是涉及一种基于Sobel算子的分布式光纤振动检测方法。

背景技术：

光纤因为其损耗低，抗干扰能力强，性能可靠等优点，被越来越多的人使用，而随着光纤技术的逐渐成熟，采用光纤作为传感元件并利用其传递信号的传感系统也越来越多。但是对于分布式光纤振动检测目前没有一个很好的方法。

技术实现要素：

发明目的：

本发明提供一种基于Sobel算子的分布式光纤振动检测装置及方法，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种基于Sobel算子的分布式光纤振动检测装置,其特征在于:该装置包括光纤传感器、数据采集单元和个人计算机，个人计算机为装有LabVIEW软件的计算机，数据采集单元分别连接光纤传感器和个人计算机；

光纤传感器包括激光器、环形器、传感光纤和光电探测器；

数据采集单元包括信号调理电路和数据采集卡；

所述的激光器连接环形器，环形器分别连接传感光纤和光电探测器，信号调理电路的输入端连接光电探测器的输出端，信号调理电路输出端连接数据采集卡，数据采集卡输出端连接个人计算机。

该装置还包括用于在检测到振动时进行报警的扬声器，该扬声器连接个人计算机。

激光器为窄线宽激光器，传感光纤为40km高强度超细传感光纤。

信号调理电路为带通滤波器，数据采集卡为A/D转换器。

所述的个人计算机为装有LabVIEW软件的计算机。

传感光纤铺设在需要检测振动的位置，光纤长40km，数据采集卡采样频率为50MHz,每组瑞利散射信号包含40000个采集点，即每一个点对应传感光纤上1米的距离。

利用权利要求1所述的基于Sobel算子的分布式光纤振动检测装置所实施的基于Sobel算子的分布式光纤振动检测方法,其特征在于:该方法主要针对的是基于后向瑞利散射的分布式光纤传感系统，将分布式光纤采集到的多组信号组成数组，并对其进行Sobel运算，利用Sobel算子实现振动判定的检测方法，该方法包括以下步骤：

执行步骤一：设定阈值参数、光纤传感的采集参数和采样时间；

其中阈值因位置和环境不同应灵活设置；

执行步骤二，光纤传感器以50MHz采样频率进行检测，并将检测的模拟量发送给数据采集单元；

执行步骤三，数据采集单元中的带通滤波器对模拟量进行滤波并传输至A/D转换器；

执行步骤四，A/D转换器将模拟信号转变成数字信号，并发送给个人计算机7；

执行步骤五，利用Sobel算子进行卷积运算；

执行步骤六，计算每个点的阈值并进行图像边缘检测以判断是否有振动的产生；

执行步骤七，将每个点的空间梯度值与阈值比较，籍此判断是否存在振动点，当检测到某点卷积后的值超过阈值，我们就说此处有振动产生，籍此实现对脉冲信号振动位置的检测功能；

执行步骤八，个人计算机检测到有振动产生时，报警单元工作，提示相关工作人员进行检查。

执行步骤五中的利用Sobel算子进行卷积运算中，其中，Sobel算子是由两个卷积核g₁(x,y)与g₂(x,y)对原图像f(x,y)进行卷积运算而得到的。其数学表达式为：

式中，max(a,b)函数意义为取a,b中的最大值，即取点(i,j)的g₁值和g₂值分别对点(m,n)进行卷积，取两者中的最大值最为S(x,y)的值。但此算法在微处理器中工作量较大，所以不予采用。

实际上Sobel边缘算子所采用的算法是先进行加权平均，然后进行微分运算，我们可以用差分代替一阶偏导，算子的计算方法如下：

式中，利用点(x,y)周围的八个点进行差分运算，分别计算出该点水平方向和垂直方向的梯度，式1为垂直方向梯度的计算，式2为水平方向梯度的计算。

。

步骤六中，只比较数组垂直方向上各点数值的梯度变化，因此只需要利用Sobel算子水平方向的模版，利用Sobel算子水平方向的模版对信号数组进行卷积运算，其模版为：

二维数组划分为一系列小矩阵与Sobel算子垂直方向的模版进行卷积，进而得到每个点的空间梯度，运算结果是一幅体现边缘幅度的图像。

优点效果：

本发明提供一种基于Sobel算子的分布式光纤振动检测装置及方法,分布式光纤传感系统就是其中一种传感系统，其采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。本发明旨在提供一种解决方法，对分布式光纤采集的信号进行运算，以实现检测振动的目的。

本发明旨在提供一种解决方法，对分布式光纤采集的信号进行运算，以实现检测振动的目的。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：该方法包括光纤传感器、数据采集单元和个人计算机，所述的个人计算机为装有LabVIEW软件的计算机，所述的数据采集单元分别连接光纤传感器和个人计算机。本发明主要针对的是基于后向瑞利散射的分布式光纤传感系统，将分布式光纤采集到的多组信号组成数组，并对其进行Sobel运算，利用Sobel算子实现振动判定的检测方法。

所述的激光器为窄线宽激光器，所述的传感光纤为40km高强度超细传感光纤。所述的激光器连接环形器，环形器分别连接激光器、传感光纤和光电探测器输入端，光电探测器输出端连接信号调理电路。

所述的数据采集单元包括信号调理电路和数据采集卡，所述的信号调理电路输入端连接光电探测器，输出端连接数据采集卡，数据采集卡输出端连接个人计算机。

所述的信号调理电路为带通滤波器，所述的数据采集卡为A/D转换器。

该装置还包括用于在检测到振动时进行报警的扬声器，该扬声器连接个人计算机。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)后向瑞利散射曲线组成的二维图像可以划分为一系列小矩阵与Sobel算子卷积得到每个点的空间梯度，外界振动引起的变化可以得到定位；

(2)Sobel算子对噪声有平滑作用，振动位置信号的信噪比可以得到明显提高；

(3)在对信号处理时可以通过优化Sobel算子的矩阵大小来提高空间分辨率；

(4)通过Lab VIEW软件实现数据分析、实时显示以及保存的功能，处理方式更加简洁，结果可以更清晰直观地呈现给使用者；

(5)设置的扬声器能够在检测到振动时做出提醒，对光纤感知范围内进行实时监控。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为发明分布式光纤振动检测的算法流程图。

图中，1为激光器，2为环形器，3为传感光纤，4为光电探测器，5为信号调理电路，6为数据采集卡，7为个人计算机，8为扬声器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于Sobel算子的分布式光纤振动检测装置,该装置包括光纤传感器、数据采集单元和个人计算机7，个人计算机为装有LabVIEW软件的计算机，数据采集单元分别连接光纤传感器和个人计算机7；

光纤传感器包括激光器1、环形器2、传感光纤3和光电探测器4；

数据采集单元包括信号调理电路5和数据采集卡6；

所述的激光器1连接环形器2，环形器2分别连接传感光纤3和光电探测器4，信号调理电路5的输入端连接光电探测器4的输出端，信号调理电路5输出端连接数据采集卡6，数据采集卡6输出端连接个人计算机7。

该装置还包括用于在检测到振动时进行报警的扬声器8，该扬声器连接个人计算机7。

激光器为窄线宽激光器，传感光纤为40km高强度超细传感光纤。

信号调理电路为带通滤波器，数据采集卡为A/D转换器。

所述的个人计算机为装有LabVIEW软件的计算机7。

传感光纤3铺设在需要检测振动的位置，光纤长40km，数据采集卡6采样频率为50MHz,每组瑞利散射信号包含40000个采集点，即每一个点对应传感光纤上1米的距离。

具体说明如下:

所述的激光器1为窄线宽激光器，利用窄线宽激光器1作为光源，通过脉冲宽度范围内不同散射点的后向瑞利散射光之间的相干作用，能够探测到十分微弱的瑞利散射信号，大大提高了系统的信噪比和动态范围。所述的环形器2能够使光单项环形传输，保证整个光路的畅通。传感光纤3铺设在需要检测振动的位置，光纤长40km，数据采集卡6采样频率为50MHz,每组瑞利散射信号包含40000个采集点，即每一个点对应传感光纤上1米的距离。

所述的信号调理电路5为带通滤波器，所述的数据采集卡6为A/D转换器。带通滤波器对光电探测器传输的光脉冲进行滤波处理，滤除高频和低频噪声，提高整个系统的信噪比，并通过A/D转换器将光脉冲模拟量转化为数字量，继而将数字量收集，转化为二维数组，提供给个人计算机7进行数据处理，实现信号的数字化处理，快速可靠。

所述的个人计算机7为装有LabVIEW软件的计算机，使用LabVIEW软件对数据采集卡采集的二维数组进行Sobel运算，利用Sobel进行边缘检测，以实现检测振动的目的。用于在检测到振动时进行报警的扬声器8，连接个人计算机7。

图2所示为基于Sobel算子的分布式光纤振动检测的算法流程，包括以下步骤：

执行步骤一101，设定阈值参数，光纤传感的采集参数，采样时间等；

其中阈值因位置和环境不同应灵活设置，本实施例中，设定阈值A＝1200；

执行步骤二102，，光纤传感器以50MHz采样频率进行检测，并将检测的模拟量发送给数据采集单元；

执行步骤三103，数据采集单元中的带通滤波器对模拟量进行滤波并传输至A/D转换器；

执行步骤四104，A/D转换器将模拟信号转变成数字信号，并发送给个人计算机7；

执行步骤五105，利用Sobel算子进行卷积运算；

其中，Sobel算子是由两个卷积核g₁(x,y)与g₂(x,y)对原图像f(x,y)进行卷积运算而得到的。其数学表达式为：

式中，max(a,b)函数意义为取a,b中的最大值，即取点(i,j)的g₁值和g₂值分别对点(m,n)进行卷积，取两者中的最大值最为S(x,y)的值。但此算法在微处理器中工作量较大，所以不予采用。

实际上Sobel边缘算子所采用的算法是先进行加权平均，然后进行微分运算，我们可以用差分代替一阶偏导，算子的计算方法如下：

式中，利用点(x,y)周围的八个点进行差分运算，分别计算出该点水平方向和垂直方向的梯度，式1为垂直方向梯度的计算，式2为水平方向梯度的计算。

执行步骤六106，计算每个点的阈值并进行图像边缘检测以判断是否有振动的产生；

本发明只比较数组垂直方向上各点数值的梯度变化，因此只需要利用Sobel算子水平方向的模版，利用Sobel算子水平方向的模版对信号数组进行卷积运算，其模版为：

二维数组可以划分为一系列小矩阵与Sobel算子垂直方向的模版进行卷积，进而得到每个点的空间梯度，运算结果是一幅体现边缘幅度的图像；

执行步骤七107，将每个点的空间梯度值与阈值比较，籍此判断是否存在振动点，当检测到某点卷积后的值超过阈值，我们就可以说此处有振动产生，籍此实现对脉冲信号振动位置的检测功能；

执行步骤八108，个人计算机检测到有振动产生时，报警单元工作，提示相关工作人员进行检查。