CN106679790B - 一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法 - Google Patents

一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于分布式光纤振动传感技术领域，提供一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法。本发明方法首先运用正交解调法，对分布式光纤传感***采集到的外差相干拍频信号进行去载频和低通滤波得到幅度和相位信息，进而基于互相关运算，得到幅度和相位信息的互相关系数，基于此互相关信号进行频谱分析，实现更高灵敏度和准确度的提取出振动相关信息。

Description

一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法
技术领域
本发明属于分布式光纤振动传感技术领域，涉及一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法。
背景技术
基于相位敏感光时域反射技术的分布式光纤振动传感***，用光纤作为传感单元实现全分布式振动实时监测，其基本原理是：利用高相干激光器作为传感光源(一般要求激光源线宽<10kHz)，从光纤一端注入高相干激光脉冲，脉冲光在光纤沿线激发高相干后向瑞利散射光，根据散射光相对于注入光脉冲的时间差，即可实现空间定位，由于注入的脉冲光有一定的时间脉宽(几十ns量级)，光纤中保持时空同步的后向瑞利散射光将发生多光束干涉现象，当光纤线路由于振动、冲击、入侵或者声波等发生扰动时，相应位置处光纤的折射率及长度将会发生动态变化，导致该位置处瑞利散射光的干涉谱发生相应变化，通过对瑞利散射光干涉谱的幅度及相位信息进行解调，即可获得振动扰动的全部信息。
分布式光纤振动传感其单通道监测距离可以达到50公里以上，振动监测频率范围可实现1kHz以上，空间定位精度可以达到5米以内，目前已有的长距离分布式光纤振动传感***技术实现的振动探测灵敏度基本可达到100nε量级，但针对一些高灵敏度振动监测的场合，如微弱振动、声波侦听等领域，传统分布式光纤振动传感***的灵敏度仍远远不够，从而造成振动信号识别方面容易出现误报和漏报，针对这一方面的问题，在保持传统分布式光纤振动传感***基本架构基础上，进一步发展一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法，实现振动传感灵敏度和准确度的大大提升。
在目前已有的基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术中，实现振动信号解调的方法，有如下三种方式，一是直接强度解调法(Proc.SPIE 75031O,1(2009))，直接探测并采集后向瑞利散射光干涉强度信号，通过对时间采样得到的散射光干涉强度信号序列进行相邻差分来实现振动信号的判别，此方案的缺点是仅可初步判断出来振动的位置，而很难准确收集振动相关的幅度和频率信息；二是外差相干幅度解调探测法(J.Lightwave Technol.28,3243-3249(2010))，先将后向瑞利散射光干涉强度信号与光频略有差别的本地相干光进行拍频后，再探测采集拍频信号，从中提取出幅度信号序列进行相邻差分来实现振动信号的判别，此解调方案中的光学相干拍频可实现振动传感灵敏度的较大提高，可较准确收集振动相关的位置和频率信息，但却很难收集振动相关的幅度信息，从而在应用中会出现误判和漏判；三是外差相干相位解调探测法(Proc.SPIE 8311,83110S,(2011))，先将后向瑞利散射光干涉强度信号与光频略有差别的本地相干光进行拍频后，再探测采集拍频信号，从中提取出相位信号序列进行相邻差分来实现振动信号的判别，此解调方案理论上可较准确收集振动的幅度、频率和位置完整相关信息，但由于光相位的累积效应和相位解卷绕中存在的奇点问题，使得此方案在实际应用中极容易出现误差错误，虽然灵敏度稍微有所提高，但振动误判的概率却提高了很多。基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术基本均是采用这三种解调方案中间的某一种，虽可实现部分振动信息的获取，但都存在获取的振动信息不完整、振动传感准确度不高以及灵敏度不够等问题，不适合用于高灵敏度高准确度振动监测的场合，如微弱振动、声波侦听等领域。
发明内容
为了克服在先基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术解调方法的缺点，更好地满足在保持传统分布式光纤振动传感***基本架构基础上，实现振动传感灵敏度和准确度的大大提升，本发明提供一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法。
一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法，其包括如下步骤：
(1)首先，对探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)采集量化为数据序列，将离散信号A(t)分别乘以一个频率与A(t)同频的正弦和余弦离散信号序列，经过低通滤波后，可分别得到去载频的I(t)和Q(t)两路信号；
(2)然后，根据得到的I(t)和Q(t)信号进一步运算：
Figure BDA0001170436910000021
和Δφ(t)＝arctan(Q(t)/I(t))+kπ(k为自然数)，得到幅度解调信号Δr(t)和相位解调信号Δφ(t)两路信号；
(3)其后，基于Δr(t)和Δφ(t)两路信号进行互相关运算，得到互相关函数信号
Figure BDA0001170436910000022
(T为积分周期时间，τ为Δφ(t)信号提前时间量，Δφ(t+τ)为Δφ(t)提前时间τ后的信号)，此互相关函数信号实现了噪声和误差的抑制，以及振动信号的加强；
(4)最后，对
Figure BDA0001170436910000023
进行频谱分析，提取出与振动相关的频谱信息，实现振动传感灵敏度和准确度的提高。
进一步地，探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESEL cos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是光电探测器响应系数，r0为未扰动情况下光纤瑞利散射系数，Δr(t)为振动造成瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤中传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场幅度，EL为本地光场幅度，Δf为外差频率差。
进一步地，探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)的通过如下***获得：采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频Δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号。
与现有技术相比，本发明的特点和优点是：综合利用分布式光纤振动传感解调方案中的幅度解调法和相位解调法的优势，基于幅度和相位信息互相关运算的算法，进一步提取出与振动信号相关的特定频率成分信息，在一定程度上降低了现有解调法的误差，提高了振动传感灵敏度和准确度。
附图说明
图1基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感***结构示意图；
图2本发明的算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
本实例采用的基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感***结构如图1所示，***采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频Δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号，随后进行数据的采集和处理。
探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESEL cos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是光电探测器响应系数，r0为未扰动情况下光纤瑞利散射系数，Δr(t)为振动造成瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤中传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场幅度，EL为本地光场幅度，Δf为外差频率差。
如图2所示，将探测器输出的与振动相关交流电流A(t)分别乘以一个频率为Δf的正弦和余弦信号，经过低通滤波后，可分别得到I(t)和Q(t)两路信号：
I(t)∝Δr(t)cosΔφ(t)
Q(t)∝Δr(t)sinΔφ(t)
进一步解调可以得到：
Figure BDA0001170436910000041
Δφ(t)∝arctan(Q(t)/I(t))+kπ
其中k为自然数，Δr(t)为幅度解调法得到的振动相关信息，Δφ(t)为相位解调法得到的振动相关信息，从解调公式中可以看出，当I(t)趋近于零时，Δφ(t)存在奇点，同时算出主值后还需要判断Δφ(t)处于哪一个象限进而进行解卷绕获取相位信息，在实际信号处理中极容易出现误差错误，因此实际解调信号为：
Figure BDA0001170436910000042
Figure BDA0001170436910000043
上式中nr(t)为幅度解调信号噪声，
Figure BDA0001170436910000044
为相位解调信号噪声。
为了综合利用幅度解调法和相位解调法的优势，同时尽可能的抑制相位解调法存在的缺陷，本发明采用基于幅度和相位互相关运算的算法，对解调得到的Δr(t)和Δφ(t)进行进一步的处理，通过互相关运算得到互相关函数信号
Figure BDA0001170436910000045
Figure BDA0001170436910000046
其中Rs(τ)信号相关的互相关函数，Rn(τ)为噪声相关的互相关函数，在实际应用中，由于nr(t)和
Figure BDA0001170436910000047
均包含有***激光源和探测器等引入的噪声，但对
Figure BDA0001170436910000048
影响最大的是解卷绕误差部分，此噪声成分nr(t)中并不存在，因此nr(t)和
Figure BDA0001170436910000051
只存在较小***噪声相关性。并且积分运算时间2T不会无限长，故实际信号处理中Rn(τ)是一个接近于零的随机变量，表现为剩余的噪声，其噪声频谱基本与振动信号频谱分别开来。即对
Figure BDA0001170436910000052
进行频谱分析，就可以提取出其中与振动相关的频谱信息。

Claims (1)

1.一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先，对探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)采集量化为数据序列，将离散信号A(t)分别乘以一个频率与A(t)同频的正弦和余弦离散信号序列，经过低通滤波后，可分别得到去载频的I(t)和Q(t)两路信号；探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESELcos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是光电探测器响应系数，r0为未扰动情况下光纤瑞利散射系数，Δr(t)为振动造成瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤中传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场幅度，EL为本地光场幅度，Δf为外差频率差；
(2)然后，根据得到的I(t)和Q(t)信号进一步运算：
Figure FDA0004068343590000011
和Δφ(t)＝arctan(Q(t)/I(t))+kπ，k为自然数，得到幅度解调信号Δr(t)和相位解调信号Δφ(t)两路信号；
(3)其后，基于Δr(t)和Δφ(t)两路信号进行互相关运算，得到互相关函数信号
Figure FDA0004068343590000012
T为积分周期时间，τ为Δφ(t)信号提前时间量，Δφ(t+τ)为Δφ(t)提前时间τ后的信号，此互相关函数信号实现了噪声和误差的抑制，以及振动信号的加强；
(4)最后，对
Figure FDA0004068343590000013
进行频谱分析，提取出与振动相关的频谱信息，实现振动传感灵敏度和准确度的提高；
探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)的通过如下***获得：采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频Δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号。
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