CN103791935B - 一种脉冲细分叠加信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲细分叠加信号处理方法，旨在提供一种能同时提高BOTDR***空间分辨率和传感距离的信号处理方法。其技术方案的要点是：1)将获得散射谱分别与标准散射谱相减，获得叠加信息谱；2)将获得的叠加信息谱中的第g+1条谱线与第g条谱线做差(g＝2,3，…)，如此依次得到整个光纤的信息谱线；3)最后计算出每条信息谱线零点对应的频率，即可获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布。本发明解决了BOTDR***空间分辨率与脉冲宽度相互制约的问题，使得空间分辨率取决于采样率，在提高空间分辨率的同时提高了传感距离，本发明在分布式光纤传感领域具有巨大的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域中的信号处理方法，特别涉及一种脉冲细分叠加信号处理方法，该方法用于分布式光纤传感***的信号处理。
背景技术
分布式光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐高压、耐腐蚀等优点，近年来受到了越来越多学者的关注，具有巨大的发展前景。分布式光纤传感的空间分辨率随着探测脉冲宽度的增加而减小，所以通常采用减小探测脉冲宽度的办法来提高空间分辨率，但是受到声子寿命的限制，当脉冲宽度小于声子豫驰时间时，将导致声子激发不充分，使得布里渊增益降低以及布里渊散射谱展宽及劣化，最终导致分布式光纤传感器理论上极限空间分辨率只能达到1m。但是在飞行器船体健康诊断以及建筑结构健康监测等领域需要厘米级空间分辨率，因此在这些领域迫切需求提高空间分辨率的方法。
研究发现，空间分辨率内长度光纤被测信息发生变化时，采集到的后向Brillouin散射谱会发生微形变，此形变中隐含着传统技术无法得到的被测信息变化，基于此，我们提出一种脉冲细分叠加信号处理方法，通过将探测脉冲细分获得Brillouin散射谱中隐含的信息量，以得到厘米级空间分辨率，理论分析证明其可行性，数据分析也已验证了该方法的正确性与有效性。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时提高BOTDR***的空间分辨率和传感距离的信号处理方法。
本发明是对探测脉冲光进行等效细分，并对获得的后向散射谱按照该方法规定的运算规则进行处理，以此提高空间分辨率。
为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明方法是通过下述技术方案实现的：
一种脉冲细分叠加信号处理方法，其内容包括如下步骤：
(1)将采集到的实时后向布里渊散射谱与标定温度下获得的标准后向布里渊谱相减获得初步的散射谱差谱——叠加信息谱，将获得的散射谱差谱中的第g+1条谱线与第g条谱线做差(g＝2,3，…)，如此依次得到整个光纤的信息谱线，获得每条信息谱线零点对应的频率，最后利用vBT＝2v-vB，经理论推导计算即可获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布；vBT为空间分辨率内温度变化后对应的频移，vB为室温下的布里渊频移，v为信息谱中每一条谱线的零点对应的频移；D为原空间分辨率，k为每个空间分辨率内的采样点数，取决于采样率；
(2)将实时后向散射谱线与标定温度下获得的标准后向散射谱线做差，获得叠加信息谱；
(3)将获得的重叠信息谱为一组谱线，将该组谱线中的第g+1条谱线与第g条谱线做差(g＝2,3，…)获得信息谱，后用第g条散射谱线减去信息谱中的第g条谱线之前所有的谱线，如此依次得到整个光纤的信息谱线；
(4)获得信息谱中每一条谱线的零点对应的频移v，根据公式vBT＝2v-vB，最终获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布，D为原空间分辨率，k为每个空间分辨率内的采样点数，取决于采样率，vBT为空间分辨率内温度变化后对应的频移，vB为室温下的布里渊频移，v为信息谱中每一条谱线的零点对应的频移；
(5)至此获得的了***空间分辨率D/k，该空间分辨率完全取决于数据的采样速度。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种脉冲细分叠加信号处理方法，与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明首先将一个空间分辨率为1m的脉冲分为若干单元，各单元的光在光纤中传播时会分别产生后向散射，获得的实时后向散射谱为一个空间分辨率内的所有单元散射谱的叠加。温度变化的光纤段内后向Brillouin散射光谱发生形变，形变中隐含了温度变化信息。其次将此时的后向散射谱与整个传感光纤周围相应位置处的标准后向散射谱作差得到叠加信息谱谱线。将该谱线在空间上依次减去前边所有谱线的变化量，去除前面光谱中隐含的温度信息对此光纤对应光谱中隐含的温度信息的影响，进而得到每个细分脉冲单元空间长度内的散射谱变化量信息。最后根据频移与温度变化存在的线性关系，可得到此时整段光纤的温度分布情况，该温度分布情况体现的是厘米量级空间分辨率内的信息。采用本发明方法则空间分辨率仅取决于采样速度，解决了传统BOTDR***空间分辨率与脉冲宽度相互制约的问题。
本发明方法操作简单，解决了空间分辨率和传感距离是一对矛盾的问题，极大地提高了***性能，是一种理想的信号处理方法。
附图说明
图1是布里渊散射谱产生的原理；
图2是光纤周围未发生温度变化时，每隔0.1m进行一次采样得到的10m到11m内的布里渊后向散射谱分布情况，即为标准谱线；
图3是光纤周围温度变化后，每隔0.1m进行一次采样得到的10m到11m内的布里渊后向散射谱分布情况，即为实时谱线；
图4是是实时谱线与标准谱线的差，即为叠加信息谱；
图5是经过对叠加信息谱进行处理得到的谱线，即为信息谱；
图6是进过信息谱得到的具体频移值；
图7是每0.1m内的温度分布情况。
具体实施方式
下面结合附图与具体实例对本发明作进一步的说明：
一种脉冲细分叠加信号处理方法，其内容包括如下步骤：
(1)将采集到的实时后向布里渊散射谱与标定温度下获得的标准后向布里渊谱相减获得初步的散射谱差谱——叠加信息谱，将获得的散射谱差谱中的第g+1条谱线与第g条谱线做差(g＝2,3，…)，如此依次得到整个光纤的信息谱线，获得每条信息谱线零点对应的频率，最后利用vBT＝2v-vB，经理论推导计算即可获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布；vBT为空间分辨率内温度变化后对应的频移，vB为室温下的布里渊频移，v为信息谱中每一条谱线的零点对应的频移；D为原空间分辨率，k为每个空间分辨率内的采样点数，取决于采样率；
如图1所示，c为真空中光速，τ为探测脉冲宽度，n为光纤折射率。阴影部分长度cτ/n为探测脉冲长度，假设脉冲光前端点传播至光纤P1处时，产生散射单元S1，此时脉冲光继续传播，散射单元S1则开始沿相反方向传播。当脉冲光前端点传播至P2处时，产生散射单元S2，而此时散射单元S1恰好传播至光纤P1处，与脉冲光后端点在P1处产生的散射单元重合。在探测脉冲光从P1处传播至P4处的过程中，除了前端点外，其余每个位置都会产生散射单元。所以，此时P5处的散射单元为探测脉冲光前端点经过整个P1到P4之间的光纤时，在所有位置产生的子散射光谱的叠加，而P1到P5的距离为探测脉冲空间长度的一半，所以分布式光纤传感的空间分辨率为D＝cτ/2n，即探测脉冲空间长度的一半。
基于以上散射机理，假设温度为20℃时，普通单模光纤对应的Brillouin频移为11.2GHz。在任意探测脉冲宽度情况下，假设整根传感光纤前端10m置于20℃常温下，并将第10.1m到10.2m、10.5m到10.6m和10.7m到10.8m内的光纤分别升温至50℃、70℃和60℃。
此时将任意宽度的探测脉冲光注入发生温度变化的传感光纤中，对得到的后向布里渊散射光，采用2GHz采样率对后向散射谱进行采样，获得的第10m到11m光纤内后向布里渊散射谱如图2所示。已知当整根光纤与标准温度中获得的标准后向布里渊散射谱如图3所示。
(2)将实时后向散射谱线与标定温度下获得的标准后向散射谱线做差，获得叠加信息谱；首先，将图3对应的实时后向散射谱与图2对应的标准谱相减得到初步的散射谱差，即为叠加信息谱，如图4所示。
(3)将获得的重叠信息谱为一组谱线，将该组谱线中的第g+1条谱线与第g条谱线做差(g＝2,3，…)获得信息谱，后用第g条散射谱线减去信息谱中的第g条谱线之前所有的谱线，如此依次得到整个光纤的信息谱线；
再次，将图4中的空间上第二条谱线减去第一条谱线，然后将第三条谱线减去第一条与第二条谱线的差，依次类推即可获得正段光纤上的信息谱线，如图5所示。
(4)获得信息谱中每一条谱线的零点对应的频移v，根据公式vBT＝2v-vB，最终获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布；
(5)至此获得***空间分辨率D/k，该空间分辨率完全取决于数据的采样速度。
最后通过图5以及图6即可获得对应谱线零点的频移，v分比为11.228GHz、11.223GHz和11.217GHz，此时通过vBiT1＝2v-vB即可获得10m到11m光纤段内每10cm的布里渊频移信息，即vBT分别为11.234GHz、11.256GHz和11.245GHz，进而获得温度信息，如图7所示。
具体数据如表1所示。
表1温度分布的具体数据
表1显示了10m到11m光纤内具体Brillouin频移以及温度分布的具体数据，从表中可以看出，脉冲细分叠加技术可以在脉冲宽度为10ns时解调出每0.1m长度光纤段内的温度变化量以及发生温度变化的位置。上面举例描述了该方法的原理，根据实际采样率，可以实现厘米量级的分辨率。所以理论分析与仿真试验表明，脉冲细分叠加技术解决了空间分辨率与探测脉冲宽度相互制约的问题，并且将空间分辨率提高至厘米量级，为分布式光纤传感在高空间分辨率探测领域提供了一种有效的方法。
Claims (1)
1.一种脉冲细分叠加信号处理方法，其特征在于：该方法内容包括如下步骤：
(1)将采集到的实时后向布里渊散射谱与标定温度下获得的标准后向布里渊谱相减获得初步的散射谱差谱——叠加信息谱，将获得的散射谱差谱中的第g+1条谱线与第g条谱线做差，其中g＝2、3、…，如此依次得到整个光纤的信息谱线，获得每条信息谱线零点对应的频率，最后利用vBT＝2v-vB，经理论推导计算即可获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布；vBT为空间分辨率内温度变化后对应的频移，vB为室温下的布里渊频移，v为信息谱中每一条谱线的零点对应的频移；D为原空间分辨率，k为每个空间分辨率内的采样点数，取决于采样率；
(2)将实时后向散射谱线与标定温度下获得的标准后向散射谱线做差，获得叠加信息谱；
(3)将获得的重叠信息谱为一组谱线，将该组谱线中的第g+1条谱线与第g条谱线做差，其中g＝2、3、…，获得信息谱，后用第g条散射谱线减去信息谱中的第g条谱线之前所有的谱线，如此依次得到整个光纤的信息谱线；
(4)获得信息谱中每一条谱线的零点对应的频移v，根据公式vBT＝2v-vB，最终获得整个光纤每D/k光纤长度内的温度分布；
(5)至此获得***空间分辨率，该空间分辨率D/k完全取决于数据的采样速度。
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| CN101140175A (zh) * | 2007-09-28 | 2008-03-12 | 南京大学 | 用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法 |
| CN101144729A (zh) * | 2007-09-30 | 2008-03-19 | 南京大学 | 基于快速傅立叶变换的布里渊光时域反射测量方法 |
| JP4933981B2 (ja) * | 2007-08-14 | 2012-05-16 | 横河電機株式会社 | 光ファイバ特性測定装置 |
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| 提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法;王峰 等;《光学学报》;20080131;第28卷(第1期);43-49页 * |
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