应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，包括中央处理器，中央处理器通过调控器与三个发光单元连接，三个发光单元分别通过第一开关和第二开关控制，即可利用开关实现分时间段的对气体进行检测；其中，中央处理器中包括降噪模块，降噪模块的具体降噪方法包括如下步骤:步骤一是利用投影追踪指标融合法确定稀疏度K，步骤二是通过相关系数关系确定每次迭代选择的原子个数，步骤三是计算最小二乘解，更新残差；通过本方法进行降噪处理，提高了降噪效率及精确性；本发明专利技术通过多个开关控制激光器，实现了对其气体的分时间段检测，降低了检测成本；另外通过降噪处理提高了检测数据的精确性。

Distributed Optical Fiber Sensor System for Underground Pipe Gallery

The invention discloses a distributed optical fiber sensor system applied to underground pipeline gallery, which includes a central processing unit (CPU), which is connected with three light-emitting units through a controller, and three light-emitting units are controlled by the first switch and the second switch respectively, so that gas can be detected in different time periods by using switches; among them, the central processing unit includes a noise-reducing module and a noise-reducing module. The specific noise reduction method of the module includes the following steps: the first step is to determine the sparsity K by using projection pursuit index fusion method; the second step is to determine the number of atoms selected by each iteration through correlation coefficient relationship; the third step is to calculate the least square solution and update the residual error; the noise reduction efficiency and accuracy are improved by using this method; the invention controls the excitation through multiple switches. Optical device realizes the detection of gas in different time periods and reduces the cost of detection. In addition, the accuracy of detection data is improved by noise reduction processing.

【技术实现步骤摘要】
应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统
本专利技术涉及传感器检测领域，特别涉及一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统。
技术介绍
地下管廊属于密闭场所，因此管廊内可能存在甲烷、硫化氢等有毒有害气体，传统用于监测甲烷的检测仪主要采用载体催化、热导、光干涉、红外原理制成，监测硫化氢和氧气主要采用电化学原理制成的检测仪，由于管廊内环境高度潮湿，因此上述传统检测仪容易被腐蚀，导致监测稳定性差、寿命短、运维频繁等问题。另外，针对不同的气体要使用不同的检测仪，环境检测成本极高。光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，将被测量物质转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器，其原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。因此光纤传感器的耐腐蚀、抗电磁干扰等性能较好，相较于传统的传感器而言更适用于管廊环境监测。但是在管廊特殊环境下，光纤传感器在采集信号和传输信号过程中常常会引入噪声，这是不可避免地，因此传感信号的实时监测要求降噪算法具有更高的效率以及高精度的信号恢复，以此来提高后续参数解调的精度，进而提高测量的精度。CN201110076020.3公开了一种分布式光纤多参量传感器及多参量测量方法，包括光源、光源驱动模块、波分复用器模块、探测光纤、光电探测模块、数据采集及控制电路模块和外调制器，光源驱动模块的输出端与光源的输入端相连，外调制器的输入端与光源的输出端相连，激光外调制器的输出端与波分复用器模块的输入端相连，波分复用器的输出端分别与探测光纤的输出端和光电探测模块的输入端相连，光电探测模块的输出端与数据采集及控制电路模块相连，数据采集及控制电路模块的输出端与光源驱动模块的输入端相连，上述参考文件可以在一套分布式光纤传感器上测量温度、振动、损耗和故障多个参量的功能，属于本领域的一次有益尝试。因此本领域技术人员致力于开发一种监测精度高、稳定性好、成本低的光纤传感器。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，其能够解决现有检测仪不能对多参数进行检测造成的环境监测成本高以及现有光纤传感器降噪效率低造成的检测精度差的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，包括中央处理器，中央处理器通过调控器与光源部连接；光源部由第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元并联组成；第一发光单元和第二发光单元的输出端与耦合器连接，耦合器的输出端分别与第一光电探测器和第一气室连接，第一光电探测器的输出端与中央处理器连接，耦合器与第一气室之间串联有第一开关，第一气室输出端通过第二光电探测器与中央处理器连接；第三发光单元的输出端分别与第一光电探测器和第二气室连接，第二气室的输出端与中央处理器连接，第三发光单元与第二气室之间串联有第二开关。较佳的，中央处理器内包括降噪模块和运算器，降噪模块的信号输入端与第二光电探测器的信号输出端连接，降噪模块输出端与运算器连接。进一步，降噪模块按下列步骤进行降噪处理：1)通过投影追踪进行多指标融合，确定多指标融合的拐点值，该拐点值即为稀疏度K；2)输入原始信号x，通过公式y＝Φx+e计算出观测向量；其中，x-原始信号，y-带噪音信号的观测向量，Φ-测量矩阵，e-噪音信号；3)初始化残差res＝y，索引集支撑集t＝1；其中，res-残差，J0-索引集，Λ0-支撑集，t-迭代次数；4)计算第t次迭代{ut|ut＝<rest，Φ>}，降序排列，取相关系数变化量小于ε的n个较大值，将其角标构成的集合记为j，更新索引集记为Jt，更新支撑集记为其中，ut-相关系数，ε-设定的变化量百分比；5)计算最小二乘解；6)更新残差；7)t＝t+1，如果size(Jt，2)＜K，返回步骤4)继续迭代，否则循环结束。较佳的，调控器包括温度控制单元和电流控制单元。较佳的，第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元均为分布式反馈激光器，第一发光单元发出波长为1645nm的光，第二发光单元发出波长为764nm的光，第三发光单元发出波长为1578nm的光。较佳的，第一气室用于检测两个吸收波长差距大的两种物质。较佳的，第一气室和第二气室各为多个。本专利技术采用分布式传感系统，通过调控器控制多个激光器，对应不同类型的气室，再配合相应的开关，可以分时间段对地下管廊内的气体进行检测，因此本专利技术能够用一个传感系统同时对多种气体进行检测，大大降低了地下管廊气体检测成本，另外本系统还针对光纤传感器采集数据进行了降噪处理，通过中央处理器的降噪模块，清除噪音，提高中央处理器最终计算出的检测结果的精确性。附图说明图1是本专利技术实施例一的结构示意图；图2是本专利技术实施例二的流程结构示意图；图3是未进行噪音处理的光谱重构效果图；图4是本专利技术实施例二中进行噪音处理后的光谱重构效果图；图5是本专利技术中光谱综合指标Z与稀疏度K的关系图；图6是本专利技术中不同迭代相关系数降序排列后的前20个相关系数点；图中：1-中央处理器；11-降噪模块；12-运算器；2-调控器；21-温度控制单元；22-电流控制单元；3-光源部；31-第一发光单元；32-第二发光单元；33-第三发光单元；4-耦合器；5a-第一气室；5b-第二气室；6a-第一开关；6b-第二开关；7-第二光电探测器；8-第一光电探测器。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，需注意的是，在本专利技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。实施例一如图1所示，一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，包括中央处理器1，中央处理器1通过调控器2与光源部3连接；光源部3由第一发光单元31、第二发光单元32和第三发光单元33并联组成；第一发光单元31和第二发光单元32的输出端与耦合器4连接，耦合器4的输出端分别与第一光电探测器8和第一气室5a连接，第一光电探测器8的输出端与中央处理器1连接，耦合器4与第一气室5a之间串联有第一开关6a，第一气室5a输出端通过第二光电探测器7与中央处理器1连接；第三发光单元33的输出端分别与第一光电探测器8和第二气室5b连接，第二气室5b的输出端与中央处理器1连接，第三发光单元33与第二气室5b之间串联有第二开关6b。本专利技术通过中央处理器1控制调控器2，对光源部3的光源进行调整，由于光源部3具有多个光源，因此可以用于检测多种气体，然后每个光源对应配置相应的光开关和气室，假设每种气体检测时间为t，光开关控制的每路时间为3t，由于所有光源共用第一光电探测器8和第二光电探测器7，其中，第一光电探测器8为参考光，三种气体需要分时来测，当然对应的光源也需要分时控制。由于第一气室需要检测两种气体，因此使用时第一发光单元31和第二发光单元32共同打开时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，其特征是：包括中央处理器(1)，所述中央处理器(1)通过调控器(2)与光源部(3)连接；所述光源部(3)由第一发光单元(31)、第二发光单元(32)和第三发光单元(33)并联组成；所述第一发光单元(31)和第二发光单元(32)的输出端与耦合器(4)连接；所述耦合器(4)的输出端分别与第一光电探测器(8)和第一气室(5a)连接；所述第一光电探测器(8)的输出端与所述中央处理器(1)连接；所述耦合器(4)与第一气室(5a)之间串联有第一开关(6a)；所述第一气室(5a)输出端通过第二光电探测器(7)与中央处理器(1)连接；所述第三发光单元(33)的输出端分别与第一光电探测器(8)和第二气室(5b)连接；所述第二气室(5b)的输出端与中央处理器(1)连接；所述第三发光单元(33)与第二气室(5b)之间串联有第二开关(6b)。

【技术特征摘要】
1.一种应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，其特征是：包括中央处理器(1)，所述中央处理器(1)通过调控器(2)与光源部(3)连接；所述光源部(3)由第一发光单元(31)、第二发光单元(32)和第三发光单元(33)并联组成；所述第一发光单元(31)和第二发光单元(32)的输出端与耦合器(4)连接；所述耦合器(4)的输出端分别与第一光电探测器(8)和第一气室(5a)连接；所述第一光电探测器(8)的输出端与所述中央处理器(1)连接；所述耦合器(4)与第一气室(5a)之间串联有第一开关(6a)；所述第一气室(5a)输出端通过第二光电探测器(7)与中央处理器(1)连接；所述第三发光单元(33)的输出端分别与第一光电探测器(8)和第二气室(5b)连接；所述第二气室(5b)的输出端与中央处理器(1)连接；所述第三发光单元(33)与第二气室(5b)之间串联有第二开关(6b)。2.如权利要求1所述的应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，其特征是：所述中央处理器(1)内包括降噪模块(11)和运算器(12)；所述降噪模块(11)的信号输入端与所述第二光电探测器(7)的信号输出端连接；所述降噪模块(11)输出端与运算器(12)连接。3.如权利要求2所述的应用于地下管廊的分布式光纤传感器系统，其特征是：所述降噪模块(11)按下列步骤进行降噪处理：1)通过投影追踪进行多指标融合，确定多指标融合的拐点值，该拐点值即为稀疏度K；2)输入原始信号x，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘航，王波，程家林，郎代志，黄荣强，
申请(专利权)人：重庆梅安森科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50