关键词:
分布式光纤声学传感
大数据分析
既有通信光缆
公路环境信息
地球物理探测
摘要:
基于相位敏感光时域反射(φ-OTDR)的分布式光纤声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing,DAS),凭借其探测距离远、空间分辨率高、抗环境干扰因素强等优势,逐步应用于铁路沿线监测、石油管道监测、海洋环境安全监测、建筑结构健康监测及周界安防等各个领域。当前,全世界范围内铺设掩埋了大量的备用通信光缆,DAS这一技术可以充分利用既有通信光缆中的光纤,将其转换为成千上万的探测阵列,有望彻底解决多种领域的探测难题,在地球物理监测和自然灾害监测等多领域中具有广阔的应用前景。在实际应用中,由于探测距离较长、预埋光缆的环境未知等状况,使得通信光缆对地球物理和自然的探测发展受阻,因此如何整合传感光纤对各种未知环境特征信号的探测获取技术成为了一个难题。DAS传感技术通过外界振动对光纤折射率的变化产生影响,使光纤中探测光的相位信息发生改变,并对光相位进行解调来获取外界信息和感知数据特征。基于此,本文提出了一种DAS大数据分析方法,以获取既有通信光缆周围的环境特征,对DAS信号进行研究分析,在经过综合信号滤波处理和图像处理后,进一步提取特征包括交通信息和地理特征等。在高速公路交通案例中,将道路下铺设掩埋的既有通信光缆作为传感阵列,完成了36km通信光缆沿线环境特征的数据分析和整合,验证了DAS大数据分析方法的可行性。大数据分析方法将极大促进DAS在既有通信光缆领域的应用发展,赋予DAS新的探测能力,该方法将有助于研究人员对既有通信光缆实际路径走向的研究和发展,并进一步推动地球物理信号的探测和研究。论文主要包括以下内容:(1)介绍基于φ-OTDR分布式光纤传感技术的发展和国内外研究现状,阐述OTDR和φ-OTDR的技术原理、系统结构和传感原理。设计搭建φ-OTDR系统,并分析系统的硬件结构。本文使用的DAS设备使用重复频率为50hz的探测光脉冲,具有20m空间分辨率以及1m定位精度的系统性能。(2)完成DAS系统对全长36km通信光缆的实际探测,并连续采集24小时的数据信号。之后对DAS系统探测信号进行预处理,包括基于时域的信号差分和基于时频域的小波变换及中值滤波处理。通过时频转换、频率能量积分和采样点幅值叠加的方法,从而获取通信光缆沿线车流量分布以及昼夜间车流量的对比情况。(3)经过信号预处理的时-空域信号转换为时-空域图像,完成图像的预处理,包括基于互补去雾法的图像增强、图像二值化法等。将预处理后的时-空图,经Canny边缘检测和Hough变换,可获取光缆沿线车辆的行驶轨迹和速度等特征。并根据轨迹在时域和空域上的连续性,进一步区分和获取光纤冗余和道路岔路口位置特征,在全长36km道路上共获取8个光纤冗余位置和5个道路岔路口位置。(4)通过地下掩埋的通信光缆感知环境特征,整合研究分析全长36km高速公路沿线的各种环境特征,包括车流量分布情况、车辆行驶速度、冗余光纤定位、公路岔路口判断等。此外,还存在4个固定位置的外界持续振动特征,以及光纤灵敏度较大路段特征等。通过DAS大数据分析的方法对既有通信光缆的环境特征进行整合研究,有利于推动既有通信光缆的路径走向研究以及地球物理探测的进一步发展。