何俊 胡至華 柳寅 李召 李昆洪 王永琦

西南管道公司

 

摘要：管道光纜振動(dòng)信號的精確拾取是振動(dòng)事件時(shí)空定位的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文利用Φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器采集光纜振動(dòng)信號數據，對時(shí)窗能量比法（STA/LTA）和AR-Akaike信息準則法（AR-AIC）進(jìn)行改進(jìn)，提出融合STA/LTA和AR-AIC的“兩步法”新算法，分析比較不同算法對振動(dòng)初至信號的初至拾取效果。結果表明，“兩步法”能準確拾取振動(dòng)信號的波至時(shí)刻；對振動(dòng)信號的拾取準確率遠優(yōu)于單一的STA/LTA和AR-AIC法，誤差分布范圍也較理想。新算法的提出一定程度上提升了光纜振動(dòng)信號初至拾取效率和精度，可為后續管道周邊振動(dòng)事件的自動(dòng)、高精度定位計算提供借鑒。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)信號；初至拾��；Φ-OTDR；STA/LTA法；AR-AIC法

 

管道周邊第三方施工活動(dòng)是管道安全的常見(jiàn)威脅。據統計，在中國、美國和歐洲等國家，此類(lèi)活動(dòng)所引發(fā)的管道安全事故占比分別為68%、29.8%、28%。因而近年來(lái)發(fā)展了相關(guān)的監測預警技術(shù)[1]。

振動(dòng)信號監測技術(shù)主要通過(guò)監測管道周?chē)�的土體振動(dòng)信號來(lái)識別第三方活動(dòng)。振動(dòng)信號主要通過(guò)分布式光纖、加速度傳感器和振動(dòng)電纜等三種方式采集。其中，分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖傳感與傳輸于一體，可實(shí)現長(cháng)距離、大范圍的傳感與組網(wǎng)，并可靈敏檢測光纖任一點(diǎn)的振動(dòng)、應變、溫度等物理量的空間分布和變化，從而實(shí)現對管道周邊第三方施工行為的全天候、實(shí)時(shí)監測[2-3]。而實(shí)時(shí)判識第三方活動(dòng)并精準定位，一直是管道光纜振動(dòng)監測技術(shù)研究的重要內容，本文通過(guò)對振動(dòng)信號初至拾取方法進(jìn)行對比研究，提出了先采用STA/LTA 識別振動(dòng)事件，初步確定初至范圍，然后再使用AR-AIC 方法精確初至拾取的“兩步法”新算法。

1  基于Φ-OTDR的光纖傳感原理

基于Φ-OTDR技術(shù)的傳感。其中，硬件部分主要由光信號解調設備、信號處理主機、探測光纜等三部分構成。主要利用分布式光纖監測周?chē)�環(huán)境的異常變化從而實(shí)現管道本體的實(shí)時(shí)監測[4]。

瑞利散射是一種彈性散射現象，由光纖纖芯中尺度遠小于入射波長(cháng)的微觀(guān)粒子所產(chǎn)生。瑞利散射光波長(cháng)、偏振態(tài)與入射光相同。當異常事件發(fā)生時(shí)，瑞利散射光強會(huì )發(fā)生波動(dòng)或出現菲涅爾反射峰。通過(guò)監測不斷產(chǎn)生的后向瑞利散射光強度變化，可以得到光纖通路上信號的衰減變化，從而得到光纖異常變化點(diǎn)的位置（圖 1）[3]。

圖 1 基于Φ -OTDR的光纖傳感原理

2  基于振動(dòng)信號初至拾取的第三方活動(dòng)識別

初至拾取是振動(dòng)信號處理的關(guān)鍵一步，而振動(dòng)信號初至的精確拾取是第三方活動(dòng)定位的關(guān)鍵技術(shù)之一。早期的拾取方法是人工、非實(shí)時(shí)分析；隨著(zhù)計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，初至拾取技術(shù)也由早期的人工分析過(guò)渡到人機互動(dòng)的半自動(dòng)分析以及后來(lái)的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測。

2.1  時(shí)窗能量比法（STA/LTA）

STA/LTA比值是一種類(lèi)似于Signal/Noise方法，STA對時(shí)間序列振幅的快速變化非常敏感，而LTA則提供了關(guān)于背景噪聲的信息。為避免STA和LTA窗口重疊，對于確保兩個(gè)值之間的統計獨立性非常重要。根據因果關(guān)系原則，STA窗口總是引導LTA窗口[5]。

本研究借鑒國內外通用的初至拾取技術(shù)，擬采用STA/LTA（Short–Term Average/Long–Term Average）之比來(lái)反映信號幅度、頻率等特征的變化，當振動(dòng)信號到達時(shí)，STA/LTA值會(huì )有一個(gè)突變，當其比值大于某一個(gè)閾值R時(shí)，則判定有災害事件發(fā)生。R的計算公式如下：

其中，Wιta、Wsta分別是長(cháng)、短時(shí)窗長(cháng)度；A(i)是信號的幅度值。

2.2  AR-Akaike信息準則法（AR-AIC）

AIC法是對AR過(guò)程給定階數的統計模型進(jìn)行估計，試圖檢測最適合觀(guān)測數據的最低階數。它是衡量估計統計模型的復雜性和優(yōu)越性的標準，建立在熵的概念基礎上，從信息論和極大似然原理導出的，在振動(dòng)信號數據波至時(shí)間拾取中用來(lái)確定兩種不同平穩序列的分界位置[6]。

在振動(dòng)信號數據記錄中，由于噪聲分量和振動(dòng)信號分量具有不同的統計性質(zhì)，可分別看作是一個(gè)局部平穩過(guò)程來(lái)近似處理，并可以用自回歸模型（AR，Autoregressive model）進(jìn)行表示，假設第k點(diǎn)是噪聲分量和振動(dòng)信號分量的最佳分界處，則信號在第k點(diǎn)被分成兩段，對應的AR-AIC值可表示為：

式中：N為信號數據長(cháng)度（采樣點(diǎn)數），k為AR過(guò)程階數，i為2個(gè)局部統計時(shí)段的分界點(diǎn)，σ22,max和σ21,max為2個(gè)局部統計時(shí)段的擬合誤差，C為常數。

為簡(jiǎn)化計算自回歸方程，Maeda[7]提出了新的AIC拾取方程，它可在不使用自回歸模型系數的情況下，直接從時(shí)間序列中計算AIC值，對應的表示式如下：

式中，k為輸入信號波形的第k個(gè)采樣點(diǎn)，var{χ(1, k)}表示信號波形中χ(1)、χ(2)…χ(k)的方差，var{χ(k+1, N)}表示信號波形中χ(k+1)、χ(k+2)…χ(N)的方差。

3  實(shí)際應用

3.1  現場(chǎng)實(shí)驗

采用基于Φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)驗，沿著(zhù)埋地天然氣管道布設的同溝敷設光纜，采集典型的第三方活動(dòng)振動(dòng)信號。通過(guò)距離管道周邊一定距離進(jìn)行錘擊，制造激勵信號，利用Φ-OTDR傳感系統對各個(gè)基準點(diǎn)的激勵信號進(jìn)行探測。根據反饋信號值，判斷振動(dòng)信號位置，并依據信號初至時(shí)刻，從而得出各基準點(diǎn)所對應的光纜長(cháng)度，將其與管道里程進(jìn)行匹配（圖 2）。

圖 2 振動(dòng)信號現場(chǎng)采集

3.2  數據分析

筆者從實(shí)際振動(dòng)數據截取了一段信號進(jìn)行測試分析，通過(guò)STA/LTA法和AR-AIC法綜合判識振動(dòng)信號初至時(shí)刻。

在STA/LTA 法中，振動(dòng)信號在 R值曲線(xiàn)中對應一個(gè)類(lèi)似的山峰，當曲線(xiàn)陡峭即斜率很大時(shí)初至點(diǎn)相對容易拾��；當曲線(xiàn)比較緩時(shí)初至點(diǎn)很難拾取，而且受信噪比影響很大。AR-AIC 法則是通過(guò)判斷AR-AIC 值最小值的方法拾取振動(dòng)事件初至信號，所以需要初步確定這個(gè)“局部”的大概范圍，該“局部”實(shí)際上就是包含振動(dòng)事件到來(lái)時(shí)刻的一個(gè)時(shí)間范圍[8-9]。筆者通過(guò)“兩步法”，即通過(guò)STA/LTA 法確定事件的大致范圍，然后在該范圍內計算AR-AIC 值，最后再判斷AR-AIC 值的最小值，依據最小值對應的時(shí)間即事件初至時(shí)刻（圖 3）。

圖 3 基于STA/LTA法和AR-AIC法的“兩步法”信號初至拾取流程

如圖 4所示，STA/LTA圖包含短時(shí)窗的長(cháng)時(shí)窗在時(shí)間軸上逐點(diǎn)移動(dòng)，計算得出STA和LTA，如果二者比值R大于設定閾值，則認為第三方活動(dòng)事件發(fā)生，其中R值突變處即為初至點(diǎn)。AR-AIC圖顯示了振動(dòng)信號的AR-AIC響應曲線(xiàn)，在10 s附近可清晰地看到有一個(gè)全局最小值，此點(diǎn)正好對應于時(shí)域信號系列中幅值突變點(diǎn)，即信號初至時(shí)刻。

（a）原始信號 （b） STA/LTA法 （c） AR-AIC法
圖 4 基于時(shí)窗能量比和AR-AIC法的初至信號拾取

對55組振動(dòng)信號進(jìn)行數據分析，通過(guò)不同方法拾取準確率對比，以人工拾取到時(shí)為準，誤差±15 ms為準確的到時(shí)拾取，統計對比結果如表 1所示。經(jīng)對比分析可知，利用“兩步法”相較于傳統的STA/LTA、AR-AIC法均有所提高，其準確拾取率可達94.55%，約高于單獨任一方法5%左右，且錯誤率相對較低。

表 1 不同初至拾取方法準確率對比

4  結論

本研究利用Φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器對管道光纜振動(dòng)信號的采集，通過(guò)改進(jìn)STA/LTA法、AR-AIC法，提出了一種“兩步法”的光纜振動(dòng)信號初至拾取思路。該法充分結合STA/LTA 方法算法簡(jiǎn)單、計算速度快的優(yōu)點(diǎn)和AR-AIC法拾取初至精度高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現快速、精準確定事件初至時(shí)刻，以便快速預警與研判。但新算法識別效果受信號采集和閾值點(diǎn)選取影響較大，如何有效快速選取最佳識別參數、壓制環(huán)境噪聲的干擾，提升信號初至識別率將是下一步工作的重點(diǎn)。

 

參考文獻：

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作者簡(jiǎn)介：何俊，1988年生，助理工程師，貴陽(yáng)輸油氣分公司遵義作業(yè)區管道工程師，現主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：13638526326，765161821@qq.com。