一种光纤振动检测方法、装置及系统与流程

本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及一种光纤振动检测方法、装置及系统。

背景技术：

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，传输原理是光的全反射。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。

随着光纤技术的发展，近年来光纤振动预警系统取得了广泛的研究。光纤振动预警主要是通过检测光纤中信号的变化来判断光纤的振动，从而判断光纤周围环境的振动情况。在光纤传感器系统方面主要有干涉和反射两类技术。

光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，当光纤上有大的扰动发生导致光纤发生弯曲或者变形时，将在该位置发生后向散射，经光电探测器可测得这些突变，实现光纤上的扰动定位。它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。

OTDR检测的是整根光纤的振动的合成信号，检测定位并发振源时，性能严重下降甚至无法正常工作。并且，OTDR的探测灵敏度很低，由于产生的后向散射光很弱，所以基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统只能进行静态测量，应用范围受限。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤振动检测方法、装置及系统，能够提高光纤振动定位的精度和效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤振动检测方法，该方法包括：当接收到光纤电信号时，获取目标光纤位置多个时刻的信号值；其中，光纤电信号是由光纤反射的光信号转换得到的；确定目标光纤位置在目标时刻和目标时刻之前相邻的共第一数量个时刻对应的信号值的第一平均值；确定目标光纤位置在第一数量个时刻之前相邻的第二数量个时刻对应的信号值的第二平均值；若第一平均值大于第二平均值，记录目标光纤位置为第一状态，若第一平均值小于或等于第二平均值，记录目标光纤位置为第二状态；以及当目标光纤位置的状态发生改变时，确定目标光纤位置发生振动。

其中，该方法还包括：当目标光纤位置的状态发生改变时，以第二平均值与第一平均值的差值作为目标光纤位置在目标时刻的振动幅度；当目标光纤位置的状态未发生改变时，以0作为目标光纤位置在目标时刻的振动幅度。

其中，光纤电信号为数字电信号；其中，数字电信号是由模拟电信号转化得到的，模拟电信号是由光纤反射的光信号转换得到的。

其中，该方法还包括：确定目标光纤位置与光纤起点之间的信号传输距离；根据预设定标数据及信号传输距离确定目标光纤位置与光纤起点之间的实际距离；其中，预设定标数据由多个指定实际距离及根据多个指定实际距离的振动信号计算得到的信号传输距离对比得到。

其中，确定目标光纤位置与光纤起点之间的信号传输距离，具体为：根据公式L＝(c*T/n)/2计算目标光纤位置与光纤起点之间的距离；其中，c为光在真空中的速度，T为目标光纤位置在光纤电信号中的时间长度，n为光纤的折射率。

其中，第一数量小于第二数量。

其中，多个时刻中，相邻的两个时刻之间的时间间隔为1ms。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤振动检测装置，该装置包括：采样模块，用于在接收到光纤电信号时，获取目标光纤位置多个时刻的信号值，其中，光纤电信号是由光纤反射的光信号转换得到的；确定模块，用于确定目标光纤位置在目标时刻和目标时刻之前相邻的共第一数量个时刻对应的信号值的第一平均值；以及确定目标光纤位置在第一数量个时刻之前相邻的第二数量个时刻对应的信号值的第二平均值；记录模块，用于在第一平均值大于第二平均值时，记录目标光纤位置为第一状态，在第一平均值小于或等于第二平均值时，记录目标光纤位置为第二状态；振动确定模块，用于在目标光纤位置的状态发生改变时，确定目标光纤位置发生振动。

其中，该装置还包括：振幅确认模块，用于在所述目标光纤位置的状态发生改变时，以所述第二平均值与所述第一平均值的差值作为所述目标光纤位置在所述目标时刻的振动幅度；或在所述目标光纤位置的状态未发生改变时，以0作为所述目标光纤位置在所述目标时刻的振动幅度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤振动检测系统，该系统包括：信号收发装置，用于从光纤起点输入第一光信号并获取第一光信号在光纤中反射得到的第二光信号；光电转换装置，用于将第二光信号转化为模拟电信号；数模转换装置，用于将模拟电信号转化为数字电信号；以及光纤振动检测装置；其中，光纤振动检测装置是如上的光纤振动检测装置。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明能够通过对一个光纤位置不同时刻的信号进行检测，采用过零检测的方式快速且准确的对光纤中的某一个位置是否振动进行判断，提高了光纤振动监测的灵敏度和效率。

附图说明

图1是本发明光纤振动检测方法一实施方式的流程示意图；

图2是本发明光纤振动检测方法一实施方式中光纤电信号的示意图；

图3是本发明光纤振动检测方法一实施方式中不同光纤位置的振幅示意图；

图4是本发明光纤振动检测装置一实施方式的结构示意图；

图5是本发明光纤振动检测装置另一实施方式的结构示意图；

图6是本发明光纤振动检测系统一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明光纤振动检测方法一实施方式的流程示意图，该方法包括：

S11：当接收到光纤电信号时，获取目标光纤位置多个时刻的信号值；其中，光纤电信号是由光纤反射的光信号转换得到的。

可选的，光纤反射的光信号是从光纤起点通入的第一光信号在光纤中各个位置经过瑞利散射形成的并反射的第二光信号。

可选的，光纤电信号为数字电信号；其中，数字电信号是由模拟电信号转化得到的，模拟电信号是由光纤反射的光信号转换得到的。由于背向散射的光信号及其微弱，且其信噪比较小，在对光信号处理的过程中难度较大、精度较小，因此将光信号转化为模拟电信号便于信号的处理。这里可以通过一般的光电转换器进行转换，例如APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)等。

可选的，将模拟电信号转换为数字电信号可以采用模数转换器。

可选的，采样的频率可以根据检测的精度任意设置，在一种实施方式中，采样的频率可以根据第一光信号的通入频率来决定。例如，第一光信号为连续通入的脉冲光信号，在通入第一光信号后，在光纤起点不断的对反射的第二光信号进行采样，然后通过光电转换和模数转换得到数字电信号。例如，第一光信号为脉冲宽度为10ns的光信号，根据公式L＝(c*T/n)/2，假设取光速c＝3*10⁸m/s，T＝10ns，n＝1.5，则L＝1m，即每1米光纤都可以获取到一个信号值，那么每隔1ms就可以采样得到光纤起点到光纤100公里处共100000个信号值。

进一步，下一个1ms就又会得到从光纤起点到终点共100000个位置的信号，这样，同一个位置在每1ms就会得到一个信号值了，即可以获得目标光纤位置每1ms的信号值。

值得注意的是，这里的10ns和1ms均为举例，在实际运用中，可以根据光纤的长度，采样的频率来任意设置。

S12：确定目标光纤位置在目标时刻和目标时刻之前相邻的共第一数量个时刻对应的信号值的第一平均值。

其中，信号值为目标光纤位置在某一时刻的振幅。

可选的，目标时刻是指需要判断目标光纤位置在某个时刻是否振动的时刻，由于振动检测是实时性的，主要用于判断光纤当前时刻是否有振动，我们往往需要在检测到振动时立即发出通知信息，因此目标时刻可以是获取到最新的光纤电信号的当前时刻。若是对已有的数据进行处理，用以判断光纤曾经是否有过振动，该目标时刻也可以是过去的任意一时刻。

由于目标光纤位置在一个时刻的信号值的随机性太强，可能由于信号干扰等内部或外部的原因导致这个时刻的信号值异常，因此这里选用包括目标时刻在内的多个时刻的信号值的平均值。

参阅图2，本发明光纤振动检测方法一实施方式中目标光纤位置的信号值示意图。

A表示第一数量个时刻对应的信号值，B表示第二数量个时刻对应的信号值。这里图中的第一数量为5个、第二数量为20个仅为示意。

S13：确定目标光纤位置在第一数量个时刻之前相邻的第二数量个时刻对应的信号值的第二平均值。

可选的，第二数量大于第一数量。由于接下来需要将第一数量个信号值的平均值与之前的第二数量个信号值的平均值做比较，因此在一实施方式中，可以将第二数量设置的较大，这样可以更好的体现出第一数量中的信号相对于之前的信号的变化。在其他实施方式中，也可以令第一数量和第二数量相等，或者第二数量小于第一数量。

S14：若第一平均值大于第二平均值，记录目标光纤位置为第一状态，若第一平均值小于或等于第二平均值，记录目标光纤位置为第二状态。

可选的，第一数量为16，即16ms，第二数量为128，即128ms。其中，第一平均值为DataVector，第二平均值为MeanData，对目标光纤位置的状态设置一当前状态标记flag以及上一次状态标记pre_flag，以“1”为第一状态，以“-1”为第二状态。可以理解的，随着时间的变化，第一平均值DataVector、第二平均值MeanData、当前状态标记flag以及上一次标记pre_flag都是不断变化的。

具体地，当DataVector＞MeanData时，令flag＝1；当DataVector≤MeanData，令flag＝-1。

S15：当目标光纤位置的状态发生改变时，确定目标光纤位置发生振动。

其中，目标光纤位置的状态发生改变也就是flag发生改变，或者说flag和pre_flag不同。

可选的，可以将当前的状态标记flag与系统保存的上一次状态标记pre_flag进行比较，如果flag-pre_flag的值等于0(即1-1＝0或-1-(-1)＝0)，则表示该目标光纤位置的状态没有发生改变，如果flag-pre_flag的值等于2或者-2(即1-(-1)＝2或-1-(1)＝-2)，则代表该目标光纤位置的状态发生了改变，即目标光纤位置发生振动。

可选的，首次检测时，可以默认pre_flag＝-1；另外，若第一数量和第二数量的个数不满足预设的数量，可以减小数量或者默认pre_flag＝-1。

以上S14和S15以及其可选的实施方式，我们称之为“过零检测”。

可选的，当目标光纤位置的状态发生改变时，以第二平均值与第一平均值的差值作为目标光纤位置在目标时刻的振动幅度；当目标光纤位置的状态未发生改变时，以0作为目标光纤位置在目标时刻的振动幅度。

具体地，若flag-pre_flag的值等于0，该目标光纤位置的振幅为0存入系统，若flag-pre_flag的值等于2或者-2，就把DataVector-MeanData的差的绝对值作为该目标光纤位置的振幅存入系统。

可选的，在一个时刻的状态判断完成之后，把pre_flag更新为当前flag的值，并且更新MeanData和DataVector，继续对后续时刻的信号值进行检测判断。

参阅图3，本发明光纤振动检测方法一实施方式中不同光纤位置的振幅示意图。

其中，横坐标表示光纤位置，即光纤的某一点与光纤起点之间的距离，纵坐标表示某一光纤位置当前时刻的振动幅度(即上述讨论中的0或者DataVector-MeanData的差的绝对值)。由于每个光纤位置的振动幅度是不断变化的，所以图3中每个位置的信号值都是不断变化的，当某一点的状态标记发生了改变，说明该点发生振动，就显示该点的振幅。

例如，我们可以从图3中看到，距离光纤起点120m-140m之间有轻微振动；又例如，距离光纤起点280m-300m之间有较大的振动。

另外，还可以通过全局柱状图+细节柱状图+历史曲线图结合的方式对光纤振动情况进行展示，上述图3为全局柱状图，通过选择或输入某一距离或距离段来显示仅包括有限个(例如9个)距离的细节柱状图；还可以通过选择或输入某一距离或距离段来显示这个距离或距离段的历史振幅。

可选的，S15之后还可以包括：

S16：确定目标光纤位置与光纤起点之间的信号传输距离。

可选的，确定目标光纤位置与光纤起点之间的信号传输距离，具体为：根据公式L＝(c*T/n)/2计算目标光纤位置与光纤起点之间的距离；其中，c为光在真空中的速度，T为目标光纤位置在光纤电信号中的时间长度，n为光纤的折射率。

值得注意的是，这里的T与上述提到的“时刻”是不同的。例如，每1ms向光纤通入第一光信号并反射得到第二光信号，再经过光电转换和模数转换得到光纤电信号。由于不同光纤位置反射光信号的时间不同，且距离光纤起点越远反射的信号越弱，因此，得到的这个光纤电信号是一个持续一个极短的时间(往往远小于1ms)的衰减信号，可以通过这个信号中的不同时间计算得到不同的光纤位置。

S17：根据预设定标数据及信号传输距离确定目标光纤位置与光纤起点之间的实际距离；其中，预设定标数据由多个指定实际距离及根据多个指定实际距离的振动信号计算得到的信号传输距离对比得到。

由于光纤在管道中会有弯折、盘旋等情况，测得的光纤位置仅仅能计算光纤的信号传输距离(即光纤的长度)而不是实际路面或管道的距离，因此可以制作一个光纤位置与实际距离对应的定标数据。

例如，可以人工或机械的采用敲击等方式令指定实际距离的光纤发生振动，同时接收数据计算得到对应的信号传输距离并保持，多次对不同实际位置的光纤进行测量，就可以建立实际距离与信号传输距离一一对应的定标数据。

具体地，当人工或机械敲击指定实际距离的光纤时，根据以上全局柱状图，在振幅变化最大的柱状图上记录与指定实际距离相同的距离值。区别于现有技术，本实施方式通过对一个光纤位置不同时刻的信号进行检测，采用过零检测的方式快速且准确的对光纤中的某一个位置是否振动进行判断，提高了光纤振动监测的灵敏度和效率。

参阅图4，本发明光纤振动检测装置一实施方式的结构示意图，该装置包括：

采样模块41，用于在接收到光纤电信号时，获取目标光纤位置多个时刻的信号值，其中，光纤电信号是由光纤反射的光信号转换得到的。

确定模块42，用于确定目标光纤位置在目标时刻和目标时刻之前相邻的共第一数量个时刻对应的信号值的第一平均值；以及确定目标光纤位置在第一数量个时刻之前相邻的第二数量个时刻对应的信号值的第二平均值。

记录模块43，用于在第一平均值大于第二平均值时，记录目标光纤位置为第一状态，在第一平均值小于或等于第二平均值时，记录目标光纤位置为第二状态。

振动确定模块44，用于在目标光纤位置的状态发生改变时，确定目标光纤位置目标光纤位置发生振动。

可选的，该装置还包括振幅确认模块，用于在所述目标光纤位置的状态发生改变时，以所述第二平均值与所述第一平均值的差值作为所述目标光纤位置在所述当前采样时刻的振动幅度；或在所述目标光纤位置的状态未发生改变时，以0作为所述目标光纤位置在所述当前采样时刻的振动幅度。

可选的，该装置还包括距离确认模块，用于确定目标光纤位置与光纤一端之间的信号传输距离；根据预设定标数据及信号传输距离确定目标光纤位置与光纤一端之间的实际距离；其中，预设定标数据由多个指定实际距离及根据多个指定实际距离的振动信号计算得到的信号传输距离对比得到。

具体地，距离确认模块具体用于根据公式L＝(c*T/n)/2计算目标光纤位置与光纤一端之间的距离；其中，c为光在真空中的速度，T为目标光纤位置在光纤电信号中的时间长度，n为光纤的折射率。

本实施方式是基于上述实施方式的一装置，其实施方式类似，这里不再赘述。

参阅图5，本发明光纤振动检测装置另一实施方式的结构示意图，该装置50包括处理器51、存储器52、输入装置53以及输出装置54。其中，处理器51、存储器52、输入装置53以及输出装置54均可以是一个或多个，图5中仅以一个为例，它们可以通过总线连接。

存储器52用于存储系统程序、运算程序或一些必要数据等。

处理器51用于执行以下步骤：

当接收到光纤电信号时，获取目标光纤位置多个时刻的信号值；其中，光纤电信号是由光纤反射的光信号转换得到的；确定目标光纤位置在目标时刻和目标时刻之前相邻的共第一数量个时刻对应的信号值的第一平均值；确定目标光纤位置在第一数量个时刻之前相邻的第二数量个时刻对应的信号值的第二平均值；若第一平均值大于第二平均值，记录目标光纤位置为第一状态，若第一平均值小于或等于第二平均值，记录目标光纤位置为第二状态；以及当目标光纤位置的状态发生改变时，确定目标光纤位置发生振动。

处理器51还用于执行以下步骤：

当目标光纤位置的状态发生改变时，以第二平均值与第一平均值的差值作为目标光纤位置在目标时刻的振动幅度；当目标光纤位置的状态未发生改变时，以0作为目标光纤位置在目标时刻的振动幅度。

处理器51还用于执行以下步骤：

确定目标光纤位置与光纤起点之间的信号传输距离；根据预设定标数据及信号传输距离确定目标光纤位置与光纤起点之间的实际距离；其中，预设定标数据由多个指定实际距离及根据多个指定实际距离的振动信号计算得到的信号传输距离对比得到。

其中，确定目标光纤位置与光纤起点之间的信号传输距离，具体为：根据公式L＝(c*T/n)/2计算目标光纤位置与光纤起点之间的距离；其中，c为光在真空中的速度，T为目标光纤位置在光纤电信号中的时间长度，n为光纤的折射率。

在本发明所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

上述其他实施方式中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

参阅图6，本发明光纤振动检测系统，该系统包括：

信号收发装置61，用于从光纤起点输入第一光信号并获取第一光信号在光纤中反射得到的第二光信号。

光电转换装置62，用于将第二光信号转化为模拟电信号。

数模转换装置63，用于将模拟电信号转化为数字电信号。

光纤振动检测装置64；其中，光纤振动检测装置64是如以上各个实施方式中的光纤振动检测装置，其实施方式类似，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。