光纤振动检测系统中差分累加算法间隔行数的计算方法与流程

本发明涉及光纤振动传感技术领域，尤其涉及光纤振动检测系统中差分累加算法间隔行数的计算方法。

背景技术：

在传统传感技术的传感方式、传感灵敏度和实时性等方面均出现瓶颈期的情况下，光纤传感技术作为一种新型传感技术，以光纤为传感介质，具有灵敏度高、传播带宽大、实时性强等优势，在建筑工程、石油化工、生物医疗等领域应用前景巨大，同时光纤传感技术在振动检测领域中的研究更是受到了科研工作者的青睐。

目前的光纤振动检测设备结构复杂，为保证系统的空间分辨率和信噪比等指标，需要对采集的信息进行算法处理，才能提取出振动信号。振动信号的提取算法可分为时域处理算法和频域处理算法。时域中常见的算法有差分累加算法、累加平均算法等，频域中常见的算法有小波变换、短时傅里叶变换等。虽然这些算法能够提取出振动信号，但是采用的连续采样方式带来了数据量庞大且传输时间长的问题，造成系统成本高昂、体积笨重。如果采用触发采样虽然能够减少数据量和缩短传输时间，但是会出现数据丢失、时间不同步等问题。因此对信号提取算法的优化受到较大的关注和研究。

传统的差分累加算法原理是当光纤振动检测系统中采集的瑞利后向散射信号的幅值数据量达到用户设定的数据量(即显示一帧波形需要的数据量)时，将采集的数据按照光纤的长度进行分行，每一行的数据表示光脉冲在传感光纤内传输完成一次。将每行数据与隔n行的数据进行差分并去绝对值运算，最后进行累加运算得到一帧数据。通过帧之间的变化得到振动点的具体位置。

传统的差分累积算法中n值的选取一般是通过多次人为测试得到的值。同时n值的选取非常重要，直接决定系统能否探测到振动点的具体位置。人为取值得到n值的方法需要花费大量时间去测试，并且该n值选取方法没有明确的依据，并不能证明此时的n值为最佳取值。同时系统采用的连续采样方式带来了数据量庞大且传输时间长的问题，造成系统成本高昂、体积笨重等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供光纤振动检测系统中差分累加算法间隔行数的计算方法，在保证检测系统动态范围、信噪比、动态响应、频率范围等性能指标的情况下，减少系统采集的数据量，从而降低系统的成本、减小系统的体积。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

光纤振动检测系统中差分累加算法间隔行数的计算方法，用于在采用差分累加算法提取振动信号时确定两行相减数据之间的间隔行数n，将光纤振动检测中的振动信号视为一个正弦信号，一个周期的正弦信号为360°，包括：

确定振动信号的主频周期；

确定差分累加算法中的间隔相减度数和光脉冲的探测周期；

按照间隔相减度数对一个周期的正弦信号进行分割，得到分割份数；

将振动信号按照分割份数均分，得到振动差分一次所需要的时间；

用振动差分一次所需的时间与光脉冲的探测周期进行除法运算，得出所需的光脉冲个数；

将所需的光脉冲个数进行调整，即可得到差分累积算法的间隔行数n。

进一步，所述间隔相减度数为5°、6°、7°或8°中的一个。

进一步，参照振动信号在采集、处理和传输过程中的时间损耗，对所需的光脉冲个数进行调整，以得到差分累积算法的间隔行数n。

本发明的有益效果：本发明针对光纤振动检测系统在连续采样方式下存在数据量大且传输时间长带来的高成本、大体积的问题，对差分累加算法中n值计算进行了优化。相较于传统的连续采样方式下通过多次调试得到n值的方法，本发明通过理论分析得到的n值可以应用到触发采样的方式，既解决了光纤振动检测系统存在的上述问题，同时实现了在触发采样方式下，进行振动信号检测的功能。降低了系统成本，减少了设备体积，便于光纤振动检测系统的携带和安装。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光纤振动检测系统中差分累加算法间隔行数的计算方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的差分累中n值选取原理示意图；

图3是本发明实施例提供的正弦信号隔1°～10°递增时sin值的变化坐标图；

图4是本发明实施例提供的连续采样方式的示意图；

图5是本发明实施例提供的触发采样方式的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，光纤振动检测系统中差分累加算法间隔行数的计算方法，用于在采用差分累加算法提取振动信号时确定两行相减数据之间的间隔行数n。由傅里叶变换可知，任何一个信号都可以通过无数个正弦波进行组合形成，且信号的主要能量集中在其主频正弦波上，因此将光纤振动检测中的振动信号可以视为一个正弦信号。一个周期的正弦信号为360°，差分累加算法中将每行数据与隔n行数据进行差分运算实际即为正弦信号隔x°相减，如图2所示，将光纤振动检测中的振动信号视为一个正弦信号，周期为360°。具体的步骤包括：

确定振动信号的主频周期；

确定差分累加算法中的间隔相减度数和光脉冲的探测周期；

按照间隔相减度数对一个周期的正弦信号进行分割，得到分割份数；

将振动信号按照分割份数均分，得到振动差分一次所需要的时间；

用振动差分一次所需的时间与光脉冲的探测周期进行除法运算，得出所需的光脉冲个数；

将所需的光脉冲个数进行调整，即可得到差分累积算法的间隔行数n。

具体的，如图3所示，表示正弦信号隔1°～10°时sin值的变化，横坐标表示从0°开始按照x°递增的十个点，纵坐标表示横坐标对应的sin值，不同的曲线表示sin值按照不同度数递增的结果，其中的虚线表示基准线，可以用来判断不同曲线的线性度。从图3中可以明显的看出正弦信号在间隔5°、6°、7°、8°时sin值变换的线性度好且变化大。因此，本发明中选取的间隔相减度数为5°、6°、7°或8°中的一个。

下面进行举例对本发明进行说明：

当振动源频率为15hz，差分累加算法选择隔5°相减，光脉冲的周期为50us时，n值应取30。详细解释如下：正弦信号按5°相减可以分为72份，振动信号的周期大约为67ms，按照72份均分，得出振动信号减一次的时间大约需要0.93ms，而光脉冲通过传感光纤一次的时间为50us，得出需要大约20次光脉冲的时间才能达到相减一次的0.93ms。同时考虑到信号在采集、传输和处理过程中的时间损耗，故n值取30。

本发明针对光纤振动检测系统在连续采样方式下存在数据量大且传输时间长带来的高成本、大体积的问题，对差分累加算法中n值计算进行了优化。相较于传统的连续采样方式下通过多次调试得到n值的方法，本发明通过理论分析得到的n值可以应用到触发采样的方式，既解决了光纤振动检测系统存在的上述问题，同时实现了在触发采样方式下，进行振动信号检测的功能。降低了系统成本，减少了设备体积，便于光纤振动检测系统的携带和安装。

两种采样方式的比较如图4和图5所示：

传统的连续采样方式如图4所示，传统的连续采样原理是从采样起始点开始采集，为了保证数据的完整性，需要不间断的采集至到采集完m行光纤长度的数据量。其中光纤中光脉冲的周期需要调整为光脉冲在传感光纤中传输完成一次，这样才能保证将采集的数据均分时，每一行数据的开头对应传感光纤的起始位置。但是由于不间断采集使得数据的信息量庞大，不仅增加了系统的成本，而且加大了设备体积。传统的差分n值选择是经过多次调试得到的，增加了的用户的时间成本，且缺乏理论说服力。

修改后的触发采样方式如图5所示，将触发信号的频率与光纤中光脉冲的周期相同，这样采集到的每一行数据的开头对应传感光纤的起始位置。同时该周期只需大于等于光脉冲在传感光纤中传输完成一次的时间即可，采集传输一次的数据量即为一行传感光纤长度的数据，这样数据采集方式可以由连续采样转变到触发采样。同时触发采样不需要连续不间断采集，大大减少了系统的数据量，减少了设备体积。通过优化后的差分n值选取方法，明确了n值的选取思路，使系统存在合理性，便于光纤振动检测系统的携带和安装。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。