基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法与流程

本发明涉及拉曼散射光在线监测领域，特别涉及一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法。

背景技术：

大口径供水混凝土管道在城市供水系统中占有重要地位，一旦供水管道发生泄漏，不仅造成资源的浪费，还对城市安全和人们的生活造成巨大的损失。因而，需要对大口径供水混凝土管道进行在线实时监测和泄漏的处理。近年来，随着光纤传感技术的发展，利用光纤测温系统进行供水管道的泄漏检测成为监测人员使用的普遍方法。但是在实际检测中，由于混凝土供水管道所处地形较为复杂以及部分恶劣环境的影响，所得检测信号中存在较多的噪声信号，使得监测时无法准确识别管道具体泄漏点，有的甚至无法辨别管道有无泄漏发生以及误判断没有产生泄漏的点，给检测人员带来了较多不便，因此如何对采集的光信号进行有效地滤波从而准确找到泄漏点就成为了一直困扰着工作人员的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置及方法，提高通过光信号得到的温度信号的检测精度。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置，包括储水箱、模拟泄漏管道、水泵和分布式光纤系统；所述分布式光纤系统包括传感光纤、激光源、定向耦合器、波分复用器和光电信号采集卡；

所述模拟泄漏管道用于模拟城市大口径混凝土供水管道，在该管道外壁底部布设传感光纤，传感光纤在管道连接处绕制至少2圈，传感光纤一端连接定向耦合器；所述激光源连接定向耦合器后接入波分复用器输入端；所述光电信号采集卡连接波分复用器输出端，用于采集传感光纤的斯托克斯光和反斯托克斯光信号；

所述模拟泄漏管道的一端连接储水箱的出水阀，另一端经过水泵连接储水箱的进水阀；

所述光电信号采集卡将采集的光信号传输给pc端；所述pc端对反斯托克斯光信号进行滤波，得到光强突变点对应的位置，从而实现泄漏检测。

一种利用上述装置进行混凝土管道泄漏实验的方法，该方法包括：

步骤1：打开储水箱开关，通过分布式光纤系统记录反斯托克斯光信号数据；

步骤2：对采集的信号数据进行滤波，具体如下：

(1)根据反斯托克斯光信号数据得到滤波前的位置-光强曲线；

(2)假设滤波后的位置-光强曲线为y＝a0+a1x+a2x²+a3x³+…+akx^k，当每个位置的横坐标代入曲线方程时，所得的值与该点的纵坐标之差的平方和最小时，该曲线的拟合程度最高；

(3)根据滑动窗口的最小二乘拟合确定假设的位置-光强曲线在该点的纵坐标p(n)，具体为：

根据公式得到最小二乘拟合的残差值εn，其中x(n)为滤波前的位置-光强曲线在该点的纵坐标，-m为位置-光强曲线的原点，m为位置-光强曲线的最大横坐标；

(4)根据残差值最小的原则确定假设的位置-光强曲线函数中的系数，具体为：

为了使残差值最小，通过令残差值对各系数的导数为零，再通过使用卷积系数表中的卷积系数确定a0,a1,...,ak的大小，确定方法如下：

其中b0,...,bk的值可通过卷积系数表确定。

步骤3：根据滤波后的位置-光强曲线，得到光强突变点对应的位置，从而得到泄漏点。

本发明的有益效果如下：本发明提出了一种反斯托克斯光信号去噪方法，采用了savitzky-golay滤波器算法对原始反斯托克斯光强信号数据进行去噪处理，提高了经过光信号转换处理后的温度信号的检测精度，有利于检测人员对泄漏信号的判别，提高泄漏检测率。

附图说明

图1为本发明混凝土管道泄漏实验装置结构示意图；

图2为本发明混凝土管道泄漏实验装方法实施例的流程图；

图3为采用本发明方法对信号处理前后的对比图。

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。

如图1所示，本发明提供的一种基于反斯托克斯光滤波的混凝土管道泄漏实验装置，该装置包括储水箱、模拟泄漏管道、水泵和分布式光纤系统；所述分布式光纤系统包括传感光纤、激光源、定向耦合器、波分复用器和光电信号采集卡；

所述模拟泄漏管道用于模拟城市大口径混凝土供水管道，在该管道外壁底部布设传感光纤，传感光纤在管道连接处绕制至少2圈，传感光纤一端连接定向耦合器后接入波分复用器输入端；所述激光源连接波分复用器输入端；所述光电信号采集卡连接波分复用器输出端，用于采集传感光纤的斯托克斯光和反斯托克斯光信号；在光纤发生温度变化时，在斯托克斯光和反斯托克斯光中采用波分复用器收集带有温度信息的背向拉曼散射光；所述模拟泄漏管道的一端连接储水箱的出水阀，另一端经过水泵连接储水箱的进水阀；

所述光电信号采集卡将采集的光信号传输给pc端；所述pc端对反斯托克斯光信号进行滤波，得到光强突变点对应的位置，从而实现泄漏检测。

如图2所示，利用混凝土管道泄漏实验装置进行泄漏实验的方法，该方法包括：

步骤1：打开储水箱开关，通过分布式光纤系统记录反斯托克斯光信号数据；

在获取原始检测信号之前，将传感光纤沿所要检测的混凝土泄漏管道的外壁布放，然后对分布式光纤系统进行温度校准、位置校准。设置测量通道、测量时间、断纤报警长度、报警分区。在混凝土管道内进行管道泄漏检测，保存所得到的拉曼散射光信号，即基于混凝土输水管道泄漏时产生的光信号。

步骤2：对采集的信号数据进行滤波，具体如下：

(1)根据反斯托克斯光信号数据得到滤波前的位置-光强曲线；

(2)假设滤波后的位置-光强曲线为y＝a0+a1x+a2x²+a3x³+…+akx^k，当每个位置的横坐标代入曲线方程时，所得的值与该点的纵坐标之差的平方和最小时，该曲线的拟合程度最高；

(3)根据滑动窗口的最小二乘拟合确定假设的位置-光强曲线在该点的纵坐标p(n)，具体为：

根据公式得到最小二乘拟合的残差值εn，其中x(n)为滤波前的位置-光强曲线在该点的纵坐标，-m为位置-光强曲线的原点，m为位置-光强曲线的最大横坐标；

(4)根据残差值最小的原则确定假设的位置-光强曲线函数中的系数，具体为：

为了使残差值最小，通过令残差值对各系数的导数为零，再通过使用卷积系数表中的卷积系数确定a0,a1,...,ak的大小，确定方法如下：

其中b0,...,bk的值可通过卷积系数表确定。

步骤3：根据滤波后的位置-光强曲线，得到光强突变点对应的位置，从而得到泄漏点。

在一个具体的示例中，传感光纤的长度设置为200米；设置泄漏处距离激光发射源约170米。模拟泄漏管道为大口径混凝土输水管道，管道由8米一节的子管道连接构成，管道与连接点的中心设置在同一水平线上。

图3为采用本发明的装置及方法对信号处理前后的对比图。图3示意了原始信号图、savitzky-golay滤波图的对比图，从图3可以看出经过本发明的装置和方法处理后可在图中明显看出在170米左右处由于模拟泄漏管道的泄漏导致该处反斯托克斯光突变，证明了本发明的实用性。

本发明采用savitzky-golay滤波算法对采集的传感光纤反斯托克斯光信号曲线进行多项式卷积；根据卷积系数表分离出光信号中的高频和低频部分；拟合信号中的低频部分，将高频部分平滑出去，得到滤波后的光信号曲线；提高了经过光信号转换处理后的温度信号的检测精度，有利于检测人员对泄漏信号的判别，提高泄漏检测率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。