分布式光纤传感定位系统中时间延迟估计研究

论文摘要

近年来,随着“西气东输”工程的开展,中国石油及燃气管线的铺设公里数不断增加；随之而来,石油管线的安全问题日益突出,盗油、泄漏等事件不断发生,因此,针对石油管道安全预警与定位系统的研究也正在逐步开展。石油管道安全预警与定位问题属于传统的时间延迟估计问题,但具有其特殊性。在石油管道安全预警与定位系统中,分布式光纤传感器采集石油管线周边的振动信号,并传递到监控中心；监控中心利用时间延迟估计算法对信号进行检测与定位,一旦确定管线周围存在盗油、泄漏等异常状况,则系统立即报警,并将异常发生的位置告知相关工作人员进行排查。分布式光纤的这种工作方式导致其系统采集到的是整条管线上所有的振动信号,信号是众多振动源的某种组合,因此,对真实异常事件发生位置定位而进行的时间延迟估计难度将大大增大。本文针对分布式光纤传感定位系统的这一特点,设计了一整套的数据采集、预处理以及定位的解决方案。本文首先对分布式光纤系统与数据特征进行了分析,构建了时延系统传输模型,并设计了数据提取的解决方案,实现对“事件段”数据的准确分离,同时也对数据质量进行了一定的分析,方便后续对时延估计结果的优劣的判定。然后,本文采用PCA预处理算法和倒谱预处理算法对数据进行一定的预处理,再送入时间延迟估计模块。时间延迟算法方面,本文针对分布式光纤传感定位系统的特点采用一种去相关噪声的改进型广义相关法,以及针对信号带宽较窄的特点而设计的基于MCZT时延估计算法,这两种算法在实际应用测试中取得较好的估计结果。最后,本文为了使时间延迟估计结果更加稳健,采用了概率密度曲线融合与卡尔曼滤波器跟踪的方法。最终,本文设计的分布式光纤传感定位系统在实际数据测试过程中实现了定位精度0.2个采样间隔(800米)的目标,取得了较为稳健的定位结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的理论意义和应用价值
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势
• 1.3 存在的问题及本论文研究目标
• 1.4 本文的主要工作
• 2 时延系统模型构造与数据提取
• 2.1 分布式光纤系统与数据特征分析
• 2.1.1 双马赫-曾德尔干涉定位原理
• 2.1.2 分布式光纤定位系统数据分析
• 2.2 系统数据提取方案与数据质量分析
• 2.2.1 数据提取方案
• 2.2.2 数据质量分析
• 2.3 仿真模型构造与性能分析
• 2.3.1 传输模型构建
• 2.3.2 仿真性能分析
• 2.4 小结
• 3 数据预处理与时间延迟估计
• 3.1 数据预处理算法
• 3.1.1 PCA预处理算法
• 3.1.2 倒谱预处理算法
• 3.2 基本时延算法测试
• 3.2.1 基本时延算法原理
• 3.2.2 基本时延算法性能
• 3.3 时延估计算法的改进
• 3.3.1 改进的广义相关算法
• 3.3.2 基于MCZT的时延估计
• 3.4 小结
• 4 时延结果融合与系统界面
• 4.1 单次时延结果讨论
• 4.2 时延估计结果融合
• 4.2.1 概率密度曲线融合
• 4.2.2 卡尔曼滤波器跟踪
• 4.3 定位系统设计与测试
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢