CN111765960B - 基于分布式光纤传感的opgw光缆地震信号的提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法包括如下步骤：a、通过分布式光纤振动检测装置采集OPGW光缆振动数据，并将采集的数据存储为原始数据文件；b、对原始数据文件中的数据进行解析，FFT频谱分析，并提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据；c、作频率‑时间折线图；d、从频率‑时间折线图的变化率中筛选出突变点，并将突变点信息与地震台网发布的地震信息进行匹配；e、对突变点附近的数据进行三个频带数据提取及分析，得到三个频段的频率‑时间数据；f、根据三个频段的频率‑时间数据作热力图，并从热力图中查找扇状纹理。本发明无需架设地震波检波传感器，成本较低，简单实用。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种地震信号提取方法，特别涉及一种成本低且简单实用的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法。
【背景技术】
目前，地震波探测系统多在国家专业机构使用，地震波探测装置多为精密仪器，其价格昂贵，体积较大，且这些地震波探测装置需要安装预埋到特定地域和深度。因而，现有的地震监测系统存在占地面积大、成本较高、不利于大面积推广使用等缺陷。
分布式光纤传感具有传感与信号传输双重特点，可实现沿光纤分布的连续测量。分布式光纤振动传感技术与点式传感器、准分布式传感器相比具有明显优势，其整条光纤都对外界信号具有敏感性，监测范围广、抗干扰能力强、工程部署方便。在地震波监测方面，光纤相比于传统电子检波器，其成本、空间分辨率、信号抗干扰、施工便捷性具有巨大优势，近年来在振动监测领域得到了广泛应用。因此，如果能将现有的分布式光纤传感技术应用到地震监测中，则可克服现有地震监测系统存在的上述缺陷。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种无需额外架设地震波检测波传感器，成本低且简单实用的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，该方法包括如下步骤：
a、在变电站机房安装分布式光纤振动检测装置，通过分布式光纤振动检测装置采集OPGW光缆振动数据，并将采集的数据存储为原始数据文件；
b、对原始数据文件中的数据进行解析，然后进行FFT频谱分析，并提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据；
c、将步骤b中提取的频谱数据以时间为横坐标，280Hz～380Hz频带区间的频率累加为纵坐标作频率-时间折线图；
d、从步骤c得到的频率-时间折线图的变化率中筛选出突变点，并将突变点信息与地震台网发布的地震信息进行匹配；
e、对突变点附近的原始数据文件中的数据进行三个频带数据提取及分析，得到三个频段的频率-时间数据；
f、根据步骤e中的三个频段的频率-时间数据作热力图，并从热力图中查找扇状纹理，以分析判断地震波到达输电线路时间、影响范围及结束时间信息。
步骤a中，将采集的数据按5～6秒的时间间隔为单位分别存储为一组原始数据文件，每组原始数据文件为包含振动强度变化的空间与时间的三维数据。
步骤b中，所述原始数据文件中的数据解析得到以每个空间采样点在5～6秒内的强度分布所表示的每个文件空间点的时域数据，然后对每个文件空间点的时域数据进行FFT频谱分析。
进一步地，所述FFT频谱分析为分别对每个文件空间点的时间采样数据进行FFT频谱分析，从频谱数据中提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据进行累加，以每个文件为一组，对每组文件空间上的280Hz～380Hz频谱累加取均值，得到时间-频率点值。
步骤c中，所述时间为各组文件的采集时间。
步骤d中，通过对频率-时间折线图作一阶差分处理，筛选出突变点，所述突变点特征可通过峰值时间点、上升耗时、上升高度、上升速率、下降耗时、下降高度、下降速率中的一种或多种进行表征，且当差分数据波动平稳时为非地震时期，当差分数据有明显突变时为地震时期。
进一步地，当筛选出突变点后，将突变点对应的时间与地震台网发布的地震信息进行时间匹配，互相验证，查验地震发布时间与提取的突变时间是否吻合。
步骤e中，所述三个频带分别为：第一频带20～150Hz，第二频带140～280Hz，第三频带270～400Hz，所述数据提取方法为：分别对每个文件空间点的数据进行FFT频谱分析，提取频谱中三个频带累计数据，得到当前文件时间的每一空间点三个频带频率累加值，最后将每一文件处理后的数据在时间上进行拼接。
步骤f中，所述热力图为三个频带数据绘制在同一张图中的三维色谱图，其中，x轴为空间位置，y轴为时间，z轴为频带频率累加值，所述扇状纹理为受到地震波的影响产生的突变。
进一步地，所述空间位置用杆塔编号表示。
本发明的有益效果为：本发明通过分布式光纤振动检测装置采集OPGW光缆振动数据，将采集的数据经解析及FFT频谱分析后，提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的累加数据，并作频率-时间图，根据频率时间变化率快速筛选出地震发生时刻，然后从绘制三个频段的频率-时间三维色谱图中提取地震波扇状纹理。本发明提取的地震波信号可用于分析判断地震波到达输电线路时间、影响范围、结束时间信息。本发明通过现有的分布式光传感振动监测系统，基于分布式光纤传感监测采集的OPGW光缆振动数据，在满足振动监测的同时亦可提取出地震波信号。本发明无需架设地震波检波传感器，成本较低，简单实用，从而可利用输电线路的网络分布形成大面积推广与地震波监测预警。
【说明书附图】
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的频率-时间折线图。
图3是本发明的突变点时刻位置放大图。
图4是本发明的热力图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
如图1所示，本发明的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，包括如下步骤：
S10、通过分布式光纤振动检测装置采集OPGW光缆振动数据，并将采集的数据存储为原始数据文件。
该步骤中，首先在变电站机房安装分布式光纤振动监测装置，通过分布式光纤振动检测装置采集OPGW光缆振动数据，并将采集的数据存储为原始数据文件。当然，分布式光纤振动检测装置不限于安装在变电站机房，可安装在任何有光纤接口的地方。其中，先检查采集的原始数据文件的时间是否连续，本实施例中，将采集的数据按5～6秒的时间间隔为单位分别存储为一组原始数据文件，每组原始数据文件为包含振动强度变化的空间与时间的三维数据。本实施例中的输电线路光纤复合架空地线(OPGW)内部光纤可直接作为传感器，当发生地震时，地震波横波向四周扩散，输电线路一般为几十或几百公里，各杆塔受地震波影响存在时间差，地震波纵坡可沿铁塔传导到线路导致OPGW光缆振动出现异常，因此通过监测OPGW振动信号可实现地震信号的测量。
S20、对原始数据文件中的数据进行解析，FFT频谱分析，并提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据。
该步骤中，原始数据文件中的数据解析后表示为每个空间采样点在5～6秒内的振动强度分布，解析得到每个文件空间点的时域数据，然后对每个文件空间点的时域数据进行FFT频谱分析。FFT频谱分析为分别对每个文件空间点的时间采样数据进行FFT频谱分析，从频谱数据中提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据进行累加，以每个文件为一组，对每组文件空间上的280Hz～380Hz频谱累加取均值，得到时间-频率点值。
S30、作频率-时间折线图。
该步骤中，以时间为横坐标，频率为纵坐标作频率-时间折线图。其中，时间为各组文件的采集时间，频率为280Hz～380Hz频带区间的频率累加。这样每个文件可以得到一个值，将采集的文件数据依此方法提取后绘制频率-时间折线图，可以快速发现异常时刻。本实施例中，以2019年7月2日～2019年7月5日数据为例，频率-时间折线图如图2所示。
S40、从频率-时间折线图的变化率中筛选突变点，并将突变点信息与地震台网发布的地震信息进行匹配。
该步骤中，对频率-时间折线图作一阶差分，筛选出突变点，其中，突变点特征可通过峰值时间点、上升耗时、上升高度、上升速率、下降耗时、下降高度、下降速率中的一种或多种进行表征。且当差分数据波动平稳时为非地震时期，当差分数据有明显突变时为地震时期。具体地，从图2可知，在处理2019年7月2日～2019年7月5日期间的数据中，有8个明显的突变点。查询中国地震台网在设备安装地附近的地震信息如表1所示：
表1中国地震台网发布的地震信息
将表1的数据与图2进行对比验证，发现中国地震台网发布地震发生时间与图2的突变点时间差完全吻合。为进一步精确异常突变时刻，以及方便筛选，对频率-时间折线图进行一阶差分，提取数据变化率特征。本实施例选取2019-07-04 10:17:58时刻的数据进行具体分析，突变点位置放大图如图3所示，根据突变波形可提取如下特征：峰值时间点、上升耗时、上升高度、上升速率、下降耗时、下降高度、下降速率；此次地震为5.6级，震源深度较浅，可以看到处理后的频率-时间折线图在地震到来时存在较大的异常突变。利用上述数据处理方法可有效减少数据维度，可在海量的原始数据文件中快速检测发现异常时刻，还可结合异常突变特征与地震强度的关联模型，以对数据进行筛选、剔除干扰。
S50、对突变点附近的数据进行三个频带数据提取及分析，得到三个频段的频率-时间数据。
该步骤中，可将突变点对应的时刻作为疑似地震时刻，找到地震发生时刻后需进一步对地震发生时间附近的数据进行处理，以全面了解地震对输电线路造成的影响。因此，本实施例对查找到的突变点对应的时刻附近的原始数据文件中的数据进行三个频带数据分析。具体地，选取三个频带进行三次频率-时间数据提取，分别对每个文件空间点的数据进行FFT频谱分析，分别提取频谱中三个频带累计数据，每个文件数据均进行上述处理，这样可得到不同空间位置的三个频率-时间数据。其中，选取的三个频带分别为：第一频带20～150Hz，第二频带140～280Hz，第三频带270～400Hz。本实施例中，三个频率-时间数据提取方法为：分别对每个文件空间点的数据进行FFT频谱分析，提取频谱中三个频带累计数据，得到当前文件时间的每一空间点三个频带频率累加值，最后将每一文件处理后的数据在时间上进行拼接。
S60、将三个频段的频率-时间数据作热力图，从热力图中查找扇状纹理，以分析判断地震波到达输电线路时间、影响范围及结束时间信息。
该步骤中，将三个频段的频率-时间数据按时间-空间-频率绘制三维热力图，其中，x轴为空间位置，可用杆塔编号表示；y轴为时间，时间为连续的文件采集时间；z轴为频带频率累加值。将三个频带数据叠加在一张三维色谱图中绘制。本实施例对2019-07-0312:26:53发生地震附近时段的数据进行处理，绘制出的三维热力图如图4所示。由图4中可以看到清晰地扇状纹理，且可以看到地震波最先到达输电线路的8～30#杆塔，接着逐渐向大号端扩散。由于扇状纹理为时域数据热力图谱图受到地震波的影响产生的突变，因而可根据提取出的扇状纹理可分析判断地震波到达输电线路时间、影响范围、结束时间等信息。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、在变电站机房安装分布式光纤振动检测装置，通过分布式光纤振动检测装置采集OPGW光缆振动数据，并将采集的数据存储为原始数据文件；
b、对原始数据文件中的数据进行解析，然后进行FFT频谱分析，并提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据，所述原始数据文件中的数据解析后表示为每个空间采样点在5～6秒内的振动强度分布，解析得到每个文件空间点的时域数据，然后对每个文件空间点的时域数据进行FFT频谱分析； FFT频谱分析为分别对每个文件空间点的时间采样数据进行FFT频谱分析，从频谱数据中提取频谱中280Hz～380Hz频带区间的数据进行累加，以每个文件为一组，对每组文件空间上的280Hz～380Hz频谱累加取均值，得到时间-频率点值；
c、将步骤b中提取的频谱数据以时间为横坐标，280Hz～380Hz频带区间的频率累加为纵坐标作频率-时间折线图；
d、从步骤c得到的频率-时间折线图的变化率中筛选出突变点，并将突变点信息与地震台网发布的地震信息进行匹配；
e、对突变点附近的原始数据文件中的数据进行三个频带数据提取及分析，得到三个频段的频率-时间数据；
f、根据步骤e中的三个频段的频率-时间数据作热力图，并从热力图中查找扇状纹理，以分析判断地震波到达输电线路时间、影响范围及结束时间信息。
2.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，步骤a中，将采集的数据按5～6秒的时间间隔为单位分别存储为一组原始数据文件，每组原始数据文件为包含振动强度变化的空间与时间的三维数据。
3.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，步骤c中，所述时间为各组文件的采集时间。
4.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，步骤d中，通过对频率-时间折线图作一阶差分处理，筛选出突变点，所述突变点特征可通过峰值时间点、上升耗时、上升高度、上升速率、下降耗时、下降高度、下降速率中的一种或多种进行表征，且当差分数据波动平稳时为非地震时期，当差分数据有明显突变时为地震时期。
5.如权利要求4所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，当筛选出突变点后，将突变点对应的时间与地震台网发布的地震信息进行时间匹配，互相验证，查验地震发布时间与提取的突变时间是否吻合。
6.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，步骤e中，所述三个频带分别为：第一频带20～150Hz，第二频带140～280Hz，第三频带270～400Hz，所述数据提取方法为：分别对每个文件空间点的数据进行FFT频谱分析，提取频谱中三个频带累计数据，得到当前文件时间的每一空间点三个频带频率累加值，最后将每一文件处理后的数据在时间上进行拼接。
7.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，步骤f中，所述热力图为三个频带数据绘制在同一张图中的三维色谱图，其中，x轴为空间位置，y轴为时间，z轴为频带频率累加值，所述扇状纹理为受到地震波的影响产生的突变。
8.如权利要求7所述的基于分布式光纤传感的OPGW光缆地震信号的提取方法，其特征在于，所述空间位置用杆塔编号表示。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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