[发明专利]一种光纤感知事件的垂直偏移距离及威胁级别判断方法

说明书

本发明公开了一种光纤感知事件的垂直偏移距离及威胁级别判断方法，通过分布式光纤振动传感系统感知和采集埋地光缆沿线的振动信号，对事件影响范围内沿埋地光纤分布各个空间点的纵向时间信号进行频域信号处理构建能量衰减特征序列，并用机器学习方法学习在不同威胁程度下能量衰减的空间分布特征差异，识别地面上振动源与光缆的垂直偏移距离，从而判断振动源对光缆的威胁程度并给予精准预警。

技术领域

本发明属于埋地光电线缆及油气管道安全监测及界线安防管控技术领域，具体涉及一种复杂埋地条件下光纤感知事件的垂直偏移距离及威胁级别判断方法。

背景技术

基于相敏光时域反射技术的分布式光纤振动传感系统在长距离光电线缆及油气管道安全监测、周界安防等领域有广泛应用。可利用现有埋地光缆感知光纤沿线各种振动及声源，对机械施工、人为挖掘等威胁安全的危险事件进行实时检测、识别与定位，防患于未然。随着该技术的进一步应用，维护及管理人员更关心危险振动源的威胁级别，或者危险源与光缆的垂直偏移距离，根据垂直偏移距离远近判定其威胁级别大小，以达到精准出勤或出警的目的。

但现有技术中均是对各种振动源进行检测识别，并对其沿光纤的纵向位置进行定位，较少涉及对振动源与光纤的垂直偏移距离进行估计及威胁级别判断的方法。上海光机所利用天线阵列信号处理方法MUSIC处理光纤接收的声传感阵列信号，估计空气及水介质中声源信号的空间位置信息，因为在空气或水中，传输介质比较单一，容易根据阵列信号的波达关系确定声源的空间位置。Samaneh Azadi等人利用埋地光缆采集信号，通过多点计算时延差来确定地震源方位，该方法对于估计埋地条件下远距离的振动源比较有效。但在复杂埋地条件下，土壤介质比空气和水复杂，光缆一般放置在地下缆沟，振动及声源传播到光缆实际经过了多层混合土壤介质、水泥或金属管廊、空气等多种介质，传播过程复杂，影响信号接收延时的因素多、波动大；特别对于近距离(如10米以内)的振动源，到达光纤的传播时间短，复杂的地下传播路径带来较大的时延波动影响其偏移距离估计的准确性，给振动源的垂直偏移距离估计和威胁级别判断带来了较大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于：解决现有方法中多是仅对各种危险振动源进行检测识别和沿光纤纵向位置定位，不能判定振动源与光纤的垂直偏移距离远近进而判断威胁程度，并且由于埋地条件复杂和近距离振动源到达光纤传播延时影响因素多，波动大，对振动源偏离埋地光纤的垂直距离准确估计有较大难度，提出了一种光纤感知事件的垂直偏移距离及威胁级别判断方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种光纤感知事件的垂直偏移距离及威胁级别判断方法，方法包括：

采集沿埋地光纤分布各个空间点的纵向时间信号，得到沿光纤分布的全线时空信号；

确定振动事件沿埋地光纤分布的中心位置，根据振动事件影响范围在中心位置左右各选取沿光纤空间分布的若干个纵向时间信号组成信号阵列，对该选取区域内的每一个空间点时间信号进行频域信号处理后得到其能量特征，并将不同空间点的能量特征值按空间顺序拼接构建该事件信号沿光纤分布的能量衰减特征序列；

离线训练时，采集某一振动事件发生时不同垂直偏移距离下的事件信号，构建事件样本数据集，并计算得到每一个事件信号样本沿光纤分布的能量衰减特征序列作为训练集，输入一个多个分类器融合的机器学习模型中进行训练，得到振动源与光纤的垂直偏移距离的分类模型；

在线测试时，将某一振动事件信号影响范围内的沿光纤分布的能量衰减特征序列输入构建并训练好的分类模型中，识别得到该振动源与光纤的垂直偏移距离，进而得到该垂直偏移距离对应的威胁级别。

进一步，如前所述一种光纤感知事件的垂直偏移距离及威胁级别判断方法，构建事件信号沿光纤分布的能量衰减特征序列的具体方法为：

S2.1时域到频域的转换：对各个空间点的时间信号分别进行傅里叶变换，获取频率域上的功率谱；