分布式光纤振动传感设备性能指标测试与评估方法

本发明属于光纤传感技术测试与评估领域，特别涉及一种分布式光纤振动传感设备性能指标测试与评估方法。

背景技术：

1、分布式光纤振动传感设备把光作为信息的载体，光纤作为信息传输的媒介，可实现振动参量的长距离、分布式测量，具有不受电磁干扰，灵敏度高、响应速度快、信噪比高等优势(张旭苹等,相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法.物理学报,2017.66(07):87-100.)。然而，分布式光纤振动传感设备涉及指标众多，且指标之间存在相互制约关系，如何系统全面地进行指标测试，获取单个指标的性能优劣是一项亟待解决的问题。

2、分布式光纤振动传感设备广泛用于地震波勘测(王照勇,卢斌,叶蕾等.分布式光纤声波传感及其地震波检测应用[j].激光与光电子学进展,2021,58(13):83-94.)、城市输油气(王子恒,景洪.分布式光纤声波传感的管道泄漏监测指标分析[j].中国仪器仪表,2021(08):61-65.)和输水管道的泄漏检测(杨洋,沙洲,封皓等.输水管道预警与泄漏定位中φ-otdr技术信号处理法[j].激光与光电子学进展,2018,55(04):98-106.)、海底电缆锚拖和锚落故障检测(lv aq,li j.on-line monitoring system of 35kv 3-coresubmarine power cable based on-otdr[j].sensors and actuators a:physical,2018,273:134-139.)、行人车辆入侵检测、高铁(juarez j c,taylor h f.field test ofa distributed fiber-optic intrusion sensor system for long perimeters[j].applied optics,2007,46(11):1968-1971.)、船舰以及机场运行状态监测(juarez j c,taylor h f.field test of a distributed fiber-optic intrusion sensor systemfor long perimeters[j].applied optics,2007,46(11):1968-1971.)等领域中，不用应用领域对分布式光纤振动传感设备的性能指标需求不同(钟翔等,基于脉冲调制的φ-otdr研究综述.红外与激光工程,2020.49(10):193-202.)，如何根据实际工程应用需求和指标测试结果得出分布式光纤振动传感设备的综合评价结果是一项亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提出了一种分布式光纤振动传感设备性能指标测试与评估方法，既能系统全面地进行分布式光纤振动传感设备的性能指标测试，又可以根据实际工程应用需求和指标测试结果得出分布式光纤振动传感设备的综合评价结果，解决了das传感器多指标相互制约评价困难的问题，为设备开发和工程应用提供了有效方法。

2、本发明的目的在于，提出一种分布式光纤振动传感设备性能指标测试与评估方法，用于解决分布式光纤振动传感设备多指标相互制约评价困难的问题，为设备开发和工程应用提供有效方法。

3、为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于分布式光纤振动传感设备性能指标测试与评估方法，其特征是所述方法包括：

4、对光纤振动传感设备的关键性能指标包括频率响应、灵敏度、空间分辨率、传感距离、多点扰动和温度影响。进行实验，获取分布式光纤振动传感设备输出的数据；分析数据，得出单个指标性能；建立一个性能指标综合评估模型的层次结构，包括三个层次：目标层、中间层和准则层，在目标层，明确定义工程或项目的总体目标，在中间层，列出影响分布式光纤振动传感设备性能的关键指标，在准则层，将每个关键指标分解为具体的评价指标。确定与工程应用相关的评价指标，这些指标，涵盖各种性能参数，并按实际应用需求和测试结果对不同指标进行两两比较，给出相对权重的判断值，从而建立起判断矩阵，计算各评价指标的综合权重，并进行比较，得出性能指标综合评价结果。具体步骤为：

5、步骤1：确定频率响应、灵敏度、空间分辨率、传感距离、多点扰动和温度影响为分布式光纤振动传感设备的关键性能指标；

6、步骤2：对分布式光纤传感设备的频率响应、灵敏度、空间分辨率、传感距离、多点扰动和温度影响指标进行实验，获取分布式光纤振动传感设备输出的数据，其特征在于，测试实验具体包括：

7、(1)频率响应、灵敏度、空间分辨率、传感距离、多点扰动测试装置包括：分布式光纤振动测量仪、传感光纤、振源；

8、(2)温度影响测试装置包括：分布式光纤振动测量仪、传感光纤、恒温装置；

9、(3)频率响应指标测试将振源频率设置为0到设备标称最大脉冲重复频率的一半，且振源幅值保持不变；

10、(4)灵敏度指标测试将振源的频率固定，幅值依次减小，直至分布式光纤振动测量仪测量不到振动信号；

11、(5)空间分辨率指标测试在传感光纤上设置两个扰动点，施加频率不同、幅值相同的振动信号，设置扰动距离等于空间分辨率；

12、(6)按照公式(1)，依据设备标称的最大脉冲重复频率或按照设备标称的最大光纤测量长度确定传感距离，传感距离指标测试将振源频率设置为0到设备标称最大脉冲重复频率的一半，且振源幅值保持不变；

13、

14、(7)多点扰动指标测试同时设置三个及三个以上的扰动点；

15、(8)温度影响指标测试，应将传感光纤段放置于恒温装置中，设置起始温度为20℃，以10℃为间隔进行升温，直至到100℃，再以10℃为间隔进行降温，直至到20℃；

16、步骤3：分析数据，得出单个指标性能，具体方法如下：

17、(1)对频率响应测试数据进行fft变换，将可测量到的频率最大值与脉冲重复频率的一半做差值；

18、(2)对灵敏度测试数据进行fft变换，确定施加频率处的信号幅值，当分辨不出该频率时，前一个振动信号幅值即为该设备的幅值响应；

19、(3)对空间分辨率测试数据进行fft变换，判断系统是否可以识别出两个扰动点的频率值；

20、(4)将传感距离测试数据进行fft变换，将可测量到的频率最大值与最小脉冲重复频率的一半做差值；

21、(5)采用瀑布图对多点扰动测试数据进行分析，判断瀑布图上识别出的扰动点与施加扰动点是否一致；

22、(6)采用小波包变换对温度影响测试数据进行分析，观察不同频率信号的能量是否随温度的变化而变化；

23、步骤4：建立性能指标综合评估模型，并分为三层，分别是目标层、中间层和准则层，其特征在于，目标层设置为1个因素，为评估分布式光纤振动传感设备性能，中间层包含6个因素，分别为频率响应、灵敏度、空间分辨率、传感距离、多点扰动和温度影响，准则层包含3个因素，分别为优秀、一般和较差；

24、步骤5：根据工程应用需求，计算各评价指标的综合权重，并进行比较，得出性能指标综合评价结果，具体方法如下：

25、(1)将每一层的因素进行两两对比，按表1比较尺度的取值方法，结合单个指标测试性能优劣和工程实际需求，确定每一层的几个因素相对于上一层某个因素的相对重要性，建立目标层相对于中间层的判断矩阵a和频率响应、灵敏度、空间分辨率、传感距离，多点扰动和温度影响相对于准则层的判断矩阵b、c、d、e、f、g、h，其中矩阵a中的元素aij表示中间层因素i和j相对于目标层重要性，aji＝1/aij(i≠j)；

26、表1比较尺度的取值方法

27、

28、(2)对各判断矩阵进行层次单排序过程，按公式(2)计算判断矩阵a的特征值λ和中间层所有因素相对于目标层的权重值wa，同理，求解出判断矩阵b、c、d、e、f、g、h的特征值和权重值，完成层次单排序过程；

29、

30、(3)对各判断矩阵进行一致性检验，按公式(3)计算随机性一致性比率cr，当cr<0.10时，判断矩阵一致性检验通过，反之则需要重新调整判断矩阵，重复步骤1-3，直至cr<0.10；

31、

32、(4)分别计算中间层所有因素、准则层所有因素相对于目标层的权重值，完成层次总排序过程，将最终得到的权重值进行比较，确定分布式光纤振动传感设备性能指标评价结果。

33、所述分布式光纤振动测量仪可以是基于cotdr、基于-otdr等原理的所有分布式光纤振动设备或仪器。

34、所述传感光纤可以是裸纤、护套光纤和光缆。

35、所述振源可以是声音振动或机械振动等原理的所有施加振动的装置或设备。

36、所述恒温装置可以是恒温水浴锅、恒温水浴箱等可以设置和维持温度的装置。

37、本发明的有益效果：1、本发明充分考虑分布式光纤振动传感设备的性能指标，系统全面地进行分布式光纤振动传感设备的性能指标测试，可准确测量分布式光纤振动传感设备的各项性能指标上限值；2、本发明提出的综合评价方法能够根据工程实际得出分布式光纤振动传感设备的性能和适用性评价结果，解决了分布式光纤振动传感设备多指标相互制约评价困难的问题，为设备开发和工程应用提供了有效方法；3、本发明提出的性能指标评价方法计算简单，便捷性和有效性高。