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(hào)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(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)窗能量比法（STA/LTA）和AR-Akaike信息準(zhǔn)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(duì)振動(dòng)初至信號(hào)的初至拾取效果。結(jié)果表明，“兩步法”能準(zhǔn)確拾取振動(dòng)信號(hào)的波至?xí)r刻；對(duì)振動(dòng)信號(hào)的拾取準(zhǔn)確率遠(yuǎn)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(hào)初至拾取效率和精度，可為后續(xù)管道周邊振動(dòng)事件的自動(dòng)、高精度定位計(jì)算提供借鑒。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)信號(hào)；初至拾取；Φ-OTDR；STA/LTA法；AR-AIC法

管道周邊第三方施工活動(dòng)是管道安全的常見威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)、美國(guó)和歐洲等國(guó)家，此類活動(dòng)所引發(fā)的管道安全事故占比分別為68%、29.8%、28%。因而近年來發(fā)展了相關(guān)的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)[1]。

振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過監(jiān)測(cè)管道周圍的土體振動(dòng)信號(hào)來識(shí)別第三方活動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)主要通過分布式光纖、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(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的傳感與組網(wǎng)，并可靈敏檢測(cè)光纖任一點(diǎn)的振動(dòng)、應(yīng)變、溫度等物理量的空間分布和變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道周邊第三方施工行為的全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2-3]。而實(shí)時(shí)判識(shí)第三方活動(dòng)并精準(zhǔn)定位，一直是管道光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重要內(nèi)容，本文通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)初至拾取方法進(jìn)行對(duì)比研究，提出了先采用STA/LTA 識(shí)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(hào)解調(diào)設(shè)備、信號(hào)處理主機(jī)、探測(cè)光纜等三部分構(gòu)成。主要利用分布式光纖監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的異常變化從而實(shí)現(xiàn)管道本體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

瑞利散射是一種彈性散射現(xiàn)象，由光纖纖芯中尺度遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)的微觀粒子所產(chǎn)生。瑞利散射光波長(zhǎng)、偏振態(tài)與入射光相同。當(dāng)異常事件發(fā)生時(shí)，瑞利散射光強(qiáng)會(huì)發(fā)生波動(dòng)或出現(xiàn)菲涅爾反射峰。通過監(jiān)測(cè)不斷產(chǎn)生的后向瑞利散射光強(qiáng)度變化，可以得到光纖通路上信號(hào)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(hào)初至拾取的第三方活動(dòng)識(shí)別

初至拾取是振動(dòng)信號(hào)處理的關(guān)鍵一步，而振動(dòng)信號(hào)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；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)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渡到人機(jī)互動(dòng)的半自動(dòng)分析以及后來的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2.1  時(shí)窗能量比法（STA/LTA）

STA/LTA比值是一種類似于Signal/Noise方法，STA對(duì)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(duì)于確保兩個(gè)值之間的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性非常重要。根據(jù)因果關(guān)系原則，STA窗口總是引導(dǎo)LTA窗口[5]。

本研究借鑒國(guó)內(nèi)外通用的初至拾取技術(shù)，擬采用STA/LTA（Short–Term Average/Long–Term Average）之比來反映信號(hào)幅度、頻率等特征的變化，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)到達(dá)時(shí)，STA/LTA值會(huì)有一個(gè)突變，當(dāng)其比值大于某一個(gè)閾值R時(shí)，則判定有災(zāi)害事件發(fā)生。R的計(jì)算公式如下：

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

2.2  AR-Akaike信息準(zhǔn)則法（AR-AIC）

AIC法是對(duì)AR過程給定階數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行估計(jì)，試圖檢測(cè)最適合觀測(cè)數(shù)據(jù)的最低階數(shù)。它是衡量估計(jì)統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)雜性和優(yōu)越性的標(biāo)準(zhǔn)，建立在熵的概念基礎(chǔ)上，從信息論和極大似然原理導(dǎo)出的，在振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)波至?xí)r間拾取中用來確定兩種不同平穩(wěn)序列的分界位置[6]。

在振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)記錄中，由于噪聲分量和振動(dòng)信號(hào)分量具有不同的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，可分別看作是一個(gè)局部平穩(wěn)過程來近似處理，并可以用自回歸模型（AR，Autoregressive model）進(jìn)行表示，假設(shè)第k點(diǎn)是噪聲分量和振動(dòng)信號(hào)分量的最佳分界處，則信號(hào)在第k點(diǎn)被分成兩段，對(duì)應(yīng)的AR-AIC值可表示為：

式中：N為信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（采樣點(diǎn)數(shù)），k為AR過程階數(shù)，i為2個(gè)局部統(tǒng)計(jì)時(shí)段的分界點(diǎn)，σ22,max和σ21,max為2個(gè)局部統(tǒng)計(jì)時(shí)段的擬合誤差，C為常數(shù)。

為簡(jiǎn)化計(jì)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(shù)的情況下，直接從時(shí)間序列中計(jì)算AIC值，對(duì)應(yīng)的表示式如下：

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

3  實(shí)際應(yīng)用

3.1  現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

采用基于Φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，沿著埋地天然氣管道布設(shè)的同溝敷設(shè)光纜，采集典型的第三方活動(dòng)振動(dòng)信號(hào)。通過距離管道周邊一定距離進(jìn)行錘擊，制造激勵(lì)信號(hào)，利用Φ-OTDR傳感系統(tǒng)對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)反饋信號(hào)值，判斷振動(dòng)信號(hào)位置，并依據(jù)信號(hào)初至?xí)r刻，從而得出各基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光纜長(zhǎng)度，將其與管道里程進(jìn)行匹配（圖 2）。

圖 2 振動(dòng)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集

3.2  數(shù)據(jù)分析

筆者從實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)截取了一段信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析，通過STA/LTA法和AR-AIC法綜合判識(shí)振動(dòng)信號(hào)初至?xí)r刻。

在STA/LTA 法中，振動(dòng)信號(hào)在 R值曲線中對(duì)應(yīng)一個(gè)類似的山峰，當(dāng)曲線陡峭即斜率很大時(shí)初至點(diǎn)相對(duì)容易拾取；當(dāng)曲線比較緩時(shí)初至點(diǎn)很難拾取，而且受信噪比影響很大。AR-AIC 法則是通過判斷AR-AIC 值最小值的方法拾取振動(dòng)事件初至信號(hào)，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)事件到來時(shí)刻的一個(gè)時(shí)間范圍[8-9]。筆者通過“兩步法”，即通過STA/LTA 法確定事件的大致范圍，然后在該范圍內(nèi)計(jì)算AR-AIC 值，最后再判斷AR-AIC 值的最小值，依據(jù)最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)間即事件初至?xí)r刻（圖 3）。

圖 3 基于STA/LTA法和AR-AIC法的“兩步法”信號(hào)初至拾取流程

如圖 4所示，STA/LTA圖包含短時(shí)窗的長(zhǎng)時(shí)窗在時(shí)間軸上逐點(diǎn)移動(dòng)，計(jì)算得出STA和LTA，如果二者比值R大于設(shè)定閾值，則認(rèn)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(hào)的AR-AIC響應(yīng)曲線，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(duì)應(yīng)于時(shí)域信號(hào)系列中幅值突變點(diǎn)，即信號(hào)初至?xí)r刻。

（a）原始信號(hào) （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(hào)拾取

對(duì)55組振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過不同方法拾取準(zhǔn)確率對(duì)比，以人工拾取到時(shí)為準(zhǔn)，誤差±15 ms為準(zhǔn)確的到時(shí)拾取，統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果如表 1所示。經(jīng)對(duì)比分析可知，利用“兩步法”相較于傳統(tǒng)的STA/LTA、AR-AIC法均有所提高，其準(zhǔn)確拾取率可達(dá)94.55%，約高于單獨(dú)任一方法5%左右，且錯(cuò)誤率相對(duì)較低。

表 1 不同初至拾取方法準(zhǔn)確率對(duì)比

4  結(jié)論

本研究利用Φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器對(duì)管道光纜振動(dòng)信號(hào)的采集，通過改進(jìn)STA/LTA法、AR-AIC法，提出了一種“兩步法”的光纜振動(dòng)信號(hào)初至拾取思路。該法充分結(jié)合STA/LTA 方法算法簡(jiǎn)單、計(jì)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(xiàn)快速、精準(zhǔn)確定事件初至?xí)r刻，以便快速預(yù)警與研判。但新算法識(shí)別效果受信號(hào)采集和閾值點(diǎn)選取影響較大，如何有效快速選取最佳識(shí)別參數(shù)、壓制環(huán)境噪聲的干擾，提升信號(hào)初至識(shí)別率將是下一步工作的重點(diǎn)。

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