一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法技术

本发明专利技术公开一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法，通过在长距离的大型基础设施上铺设传感光纤，并利用相位敏感光时域反射计采集待测基础设施的传感光纤上的不同个振动采样点在不同个探测脉冲下的RBS幅值，有效利用振动采样点处差分累加幅值的最大信噪比的极大值点与极小值点对应的差分步长估测待测基础设施的振动频率，并将待测基础设施在当前状态下振动频率与稳定状态下振动频率进行比较，判断待测基础设施的结构是否健康安全。本发明专利技术充分利用传统幅值差分累加算法中差分步长与振动频率的强依赖性，实现了对振动频率的准确估测，并利用动频率判断待测基础设施的健康情况，避免待测基础设施破坏性情况的发生，结构简单，易于实施且可靠。易于实施且可靠。易于实施且可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体涉及一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着国家的不断发展，我国长距离的大型基础设施(如桥梁、隧道、铁路等)越来越多，这些基础设施作为重要的基础设施对国家安全和经济活力具有重要意义，一旦发生事故(如桥梁和隧道坍塌、铁路轨道损坏等)，将导致巨大的损失，人民的生命也将受到威胁。因此，如何对这些大型基础设施进行安全监测，以保障大型基础设施的结构健康安全问题变得尤为重要。当前对大型基础设施的结构健康安全进行监测主要采用的是利用仪器设备检测或监控设备监测的方式。然而由于桥梁、隧道、铁路等设施其距离较长，人工进行实地检测或者在长距离范围内安装监控设备来监测设施的结构健康状况耗资较多，且将会浪费大量人力物力。此外，在荒凉和恶劣等复杂环境中，人工检测、监控设备等方式受外部环境条件的影响并不总是能够实时反映基础设施的结构健康状况。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的现有对大型基础设施进行结构健康安全监测所存在的问题，提供一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法。
[0004]为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法，包括步骤如下：
[0006]步骤Ⅰ、对处于稳定状态下的待测基础设施执行振动频率计算过程，计算稳定状态下待测基础设施的振动频率；
[0007]步骤Ⅱ、对处于当前状态下的待测基础设施执行振动频率计算过程，计算当前状态下待测基础设施的振动频率；
[0008]步骤Ⅲ、将当前状态下待测基础设施的振动频率与稳定状态下待测基础设施的振动频率进行比较：若当前状态下待测基础设施的振动频率若当前状态下待测基础设施的振动频率f
s
与稳定状态下待测基础设施的振动频率F
s
的差值的绝对值超过阈值γ，则判断待测基础设施当前发生破坏性事件；否则，判断待测基础设施当前安全；
[0009]上述振动频率计算过程具体如下：
[0010]步骤1、利用相位敏感光时域反射计采集待测基础设施的传感光纤上的N个振动采样点在M个探测脉冲下的后向瑞利散射信号幅值，构成幅值矩阵；幅值矩阵的第m行第n列的幅值为第m个探测脉冲下传感光纤上第n个振动采样点处的后向瑞利散射信号的幅值；其中m＝1,2,
…
,M；n＝1,2,
…
,N；M表示探测脉冲的数量；N表示传感光纤上振动采样点的数量；
[0011]步骤2、每相隔k行对幅值矩阵进行差分运算，得到每个差分步长下的差分幅值矩阵；其中k为差分步长，k＝1,2,
…
,M
‑
1；
[0012]步骤3、将每个差分步长下的差分幅值矩阵的各列分别进行累加，得到每个差分步
长下的差分累加幅值向量；
[0013]步骤4、计算每个差分步长下的差分累加幅值向量的信噪比，得到每个差分步长下的信噪比向量；
[0014]步骤5、找出每个差分步长下的信噪比向量中的最大信噪比，并绘制横坐标为差分步长，纵坐标为最大信噪比的差分步长与最大信噪比的关系图；
[0015]步骤6、基于差分步长与最大信噪比的关系图，确定信噪比的极大值和极小值，以及信噪比的极大值和极小值所对应的差分步长；其中信噪比的极大值位于为差分步长与最大信噪比的关系图的每个波峰处，信噪比的极小值位于为差分步长与最大信噪比的关系图的每个波谷处；
[0016]步骤7、利用信噪比的极大值和极小值所对应的差分步长计算待测基础设施的振动频率；
[0017]振动频率f
s
为：
[0018][0019]式中，p表示信噪比的极大值的个数，q表示信噪比的极小值的个数，k
1α
表示每个信噪比的极大值点所对应的差分步长，k
2β
表示每个信噪比的极小值点所对应的差分步长，T为探测光脉冲的重复周期。
[0020]上述步骤2中，差分步长k下的差分幅值矩阵B
k
[M
‑
k,N]的第i行第n列的差分幅值等于幅值矩阵A[M,N]的第i+k行第n列的幅值减去第i行第n列的幅值的绝对值；其中i＝1,2,
…
,M
‑
k；n＝1,2,
…
,N；k为差分步长，M表示探测脉冲的数量，N表示传感光纤上振动采样点的数量。
[0021]上述步骤3中，差分步长k下的差分累加幅值向量C
k
[N]的第n个差分累加幅值等于差分步长k下的差分幅值矩阵B
k
[M
‑
k,N]的第1行第n列的差分幅值至第M
‑
k行第n列的差分幅值的累加值；其中n＝1,2,
…
,N；k为差分步长，M表示探测脉冲的数量，N表示传感光纤上振动采样点的数量。
[0022]上述步骤4中，差分步长k下的信噪比向量SNR
k
[N]的第n个信噪比snr
k
(z
n
)为：
[0023][0024]其中，n＝1,2,
…
,N；c
k
(z
n
)表示差分步长k下的差分累加幅值向量C
k
[N]的第n个差分累加幅值，c
k
(z1):c
k
(z
n
‑1),c
k
(z
n+1
):c
k
(z
N
)表示差分步长k下的差分累加幅值向量C
k
[N]中除第n个差分累加幅值之外的差分累加幅值；max[
·
]表示最大值函数；k为差分步长，N表示传感光纤上振动采样点的数量。
[0025]与现有技术相比，本专利技术通过在长距离的大型基础设施上铺设传感光纤，并利用相位敏感光时域反射计(φ
‑
OTDR)采集待测基础设施的传感光纤上的不同个振动采样点在不同个探测脉冲下的RBS(后向瑞利散射信号)幅值，有效利用振动采样点处差分累加幅值的最大信噪比的极大值点与极小值点对应的差分步长估测待测基础设施的振动频率，并将待测基础设施在当前状态下所估测的频率与稳定状态下所估测的频率进行比较，判断待测
基础设施的结构是否健康安全。本专利技术充分利用传统幅值差分累加算法中差分步长与振动频率的强依赖性，无需对RBS实施相位提取、解缠绕运算、相位空间差分与振动波形恢复，能够减少数据处理所需时间。利用差分步长、采样周期与振动频率之间的关系，实现了对大型基础设施的振动频率的准确估测，并利用所估测的振动频率判断待测基础设施的健康情况，避免待测基础设施破坏性情况的发生，结构简单，易于实施且可靠。
附图说明
[0026]图1为一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法的流程图。
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于幅值差分步长的振动频率估测方法，其特征是，包括步骤如下：步骤Ⅰ、对处于稳定状态下的待测基础设施执行振动频率计算过程，计算稳定状态下待测基础设施的振动频率；步骤Ⅱ、对处于当前状态下的待测基础设施执行振动频率计算过程，计算当前状态下待测基础设施的振动频率；步骤Ⅲ、将当前状态下待测基础设施的振动频率与稳定状态下待测基础设施的振动频率进行比较：若当前状态下待测基础设施的振动频率与稳定状态下待测基础设施的振动频率的差值的绝对值超过阈值γ，则判断待测基础设施当前发生破坏性事件；否则，判断待测基础设施当前安全；上述振动频率计算过程具体如下：步骤1、利用相位敏感光时域反射计采集待测基础设施的传感光纤上的N个振动采样点在M个探测脉冲下的后向瑞利散射信号幅值，构成幅值矩阵；幅值矩阵的第m行第n列的幅值为第m个探测脉冲下传感光纤上第n个振动采样点处的后向瑞利散射信号的幅值；其中m＝1,2,
…
,M；n＝1,2,
…
,N；M表示探测脉冲的数量；N表示传感光纤上振动采样点的数量；步骤2、每相隔k行对幅值矩阵进行差分运算，得到每个差分步长下的差分幅值矩阵；其中k为差分步长，k＝1,2,
…
,M
‑
1；步骤3、将每个差分步长下的差分幅值矩阵的各列分别进行累加，得到每个差分步长下的差分累加幅值向量；步骤4、计算每个差分步长下的差分累加幅值向量的信噪比，得到每个差分步长下的信噪比向量；步骤5、找出每个差分步长下的信噪比向量中的最大信噪比，并绘制横坐标为差分步长，纵坐标为最大信噪比的差分步长与最大信噪比的关系图；步骤6、基于差分步长与最大信噪比的关系图，确定信噪比的极大值和极小值，以及信噪比的极大值和极小值所对应的差分步长；其中信噪比的极大值位于为差分步长与最大信噪比的关系图的每个波峰处，信噪比的极小值位于为差分步长与最大信噪比的关系图的每个波谷处；步骤7、利用信噪比的极大值和极小值所对应的差分步长计算待测基础设施的振动频率；振动频率f
s
为：式中，p表示信噪比的极大值的个数，q表示信噪比的极小值的个数，k
1α
表示每个信噪比的极大值点所对应的差分步长，k
2β
表示每个信噪比的极小值点所对...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦祖军，陈杰恰，陈聪，张泽森，冯宇航，熊显名，张文涛，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：