[发明专利]优化变分模态分解的分布式光纤声传感系统的信号处理方法

说明书

本发明涉及信号源监测领域，具体为一种优化变分模态分解的分布式光纤声传感系统的信号处理方法。本发明对采集的声振信号S(p,q)按照光纤沿线长度分段S(p,i)进行变分模态分解处理并记录存在故障的各段数，1≤i≤q；输出光纤长度存在故障报警段数。本发明旨在通过优化变分模态分解算法：在保证处理分布式光纤声传感系统采集的多通道声信息处理实时性的同时对环境噪声进行抑制和对目标信号进行识别，解决了现有基于分布式光纤声波传感系统中无法有效提取强背景噪声下皮带机轴承早期损伤振动信号中的故障特征频率，难以对胶带机轴承早期损伤状态进行及时诊断和实时定位问题。

技术领域

本发明涉及信号源监测领域，具体为一种优化变分模态分解的分布式光纤声传感系统的信号处理方法。

背景技术

决定冶金和煤矿行业持续高效生产的关键技术是保障技术路线中各个环节尽可能的有效运行。原料输送胶带机以输送能力大、输送距离长、结构简单、维护方便、通用性强等优点，成为散装材料运输中的首选设备。但是原料输送胶带机操作、维护作业具有极大风险，且一个简单的故障或者某一小部分出现异常警报，都会引起后续工作暂停甚至瘫痪等问题。修复某些故障可能需要很长时间，需要工作人员在故障诊断、确保安全、首次操作决策、拆解、材料运输、维修和装配等领域进行大量参与。然而，胶带机托辊早期故障特征信号微弱、设备运行环境恶劣、背景噪声强等因素导致监测系统无法检测到这些故障。因此，强背景噪声条件下原料输送胶带机的托辊故障、胶带撕裂等诊断与运行趋势预测尤为必要。

原料输送胶带机的实时早期故障监测的传统手段是采用点式的电学加速度或振动传感器，但是由于原料输送胶带机传输距离长，现场工况环境恶劣，传统的点式电学传感器往往无法实现长距离连续监测和故障的精准定位。相比于传统点式电学传感器，基于相敏型光时域反射仪的分布式光纤声传感系统在原料输送胶带机的故障监测定位应用领域具有长距离分布式检测，环境适应性强等突出优势，但是由于监测现场背景噪声强等因素的影响，使得常规的信号时频分析方法无法实现对故障信息的有效检测和准确定位。

发明内容

针对上述胶带机轴承早期损伤状态进行及时诊断和实时定位难题，本发明提供了一种优化变分模态分解的分布式光纤声传感系统的信号处理方法。本发明从强背景噪声环境中采集声传感系统发射脉冲并获取光纤长度的声振信号，通过变分模态分解处理所获取的声振信号并对存在故障全部段数实时报警。本发明能够很好地解决强背景噪声环境中的微弱故障特征信号提取难题，能够在低信噪比的原始声振信号中检测出光纤沿线全部存在故障段数并实时定位报警，实现基于分布式光纤声传感对多点故障的实时判别和定位。

一种优化变分模态分解的分布式光纤声传感系统的信号处理方法，包括以下步骤：

步骤s1：分布式光纤声传感系统对传感光纤发射探测光脉冲，对传感光纤沿线的声振信息进行实时定量监测，并获取原始声振信号S(p,q)，其中p为获取脉冲个数，q为光纤沿线声振信号获取段数。

步骤s2：对步骤s1获取的原始声振信号S(p,q)按照光纤沿线长度分段S(p,i)(1≤i≤q)进行优化变分模态分解处理，并记录存在故障全部段数；

步骤s21：通过对采集数据的变分模态分解分析，根据变分模态分解结果确定变分模态分解的最佳分解层数K与惩罚因子α，无需通过算法对每一分段数据分别优化分解参数，使用测试数据进行测试并成功提取故障信号，从而达到算法简化的目的；

步骤s22：通过希尔伯特(Hilbert)变换计算每个数组S(p,i)的解析信号，各解析信号分别与预估中心频率相乘，将每个模态的频谱调制到相应的基频带得到的各个模态解调信号；

步骤s23：计算步骤s22得到的各个模态解调信号的梯度的平方L²范数，根据约束变分模型估计出各个模态解调信号的带宽，受约束的变分模型表达式为：