CN107990970A

CN107990970A - 消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法

Info

Publication number: CN107990970A
Application number: CN201711067989.8A
Authority: CN
Inventors: 何祖源; 刘庆文; 陈典
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Ningbo Lianhe Photonics Technology Co ltd
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2037-11-03
Also published as: CN107990970B

Abstract

一种消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法，通过在接收端按时间顺序对采集到的来自啁啾光脉冲的瑞利背向散射光(RBS)的X态电信号和Y态电信号分别进行排序，并按频段分别分为子信号后对各个子信号进行匹配滤波，然后采用偏振分集处理得到相位旋转的反射率曲线，经叠加后实现干涉衰落和偏振衰落的消除。本发明利用了偏振分集技术将两种偏振态光信号叠加，可以直接消除干涉衰落、偏振衰落，进而消除相位解调错误，达到提高信噪比和准确定位的目的。

Description

消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法

技术领域

本发明涉及的是一种分布式光纤传感领域的技术，具体是一种消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法。

背景技术

分布式光纤声波传感器(Distributed Fiber-optic Acoustic Sensor,DAS)是一种用光纤作为传感探头，可以检测并定位发生在光纤上任意位置处的应变信号，并且可以线性地获得应变信号波形的传感器。目前绝大多数的DAS***结构是基于相位敏感的光时域反射仪(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,-OTDR)的。-OTDR结构变种很多，但基本原理是：发射高相干性的光脉冲到传感光纤中，利用合适的解调算法获得传感光纤上各反射点的瑞利背向散射光(Rayleigh Backscattering,RBS)的强度信息和相位信息。-OTDR具有一定的优势，比如***结构简单可靠、解调算法简单易实现、灵敏度高、可以多点检测等等。

发明内容

本发明针对现有基于瑞利散射光的DAS***会受到衰落噪声(Fading)的影响，提出一种消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法，利用了偏振分集技术将两种偏振态光信号叠加，可以直接消除干涉衰落、偏振衰落，进而消除相位解调错误，达到提高信噪比和准确定位的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法，通过在接收端按时间顺序对采集到的来自啁啾光脉冲的瑞利背向散射光(RBS)的X态电信号和Y态电信号分别进行排序，并按频段分别分为子信号后对各个子信号进行匹配滤波，然后采用偏振分集处理得到相位旋转的反射率曲线，经叠加后实现干涉衰落和偏振衰落的消除。

所述的偏振分集处理是指：以第一个啁啾光脉冲的瑞利背向散射光的X态和Y态电信号的反射率曲线作为参考，与其他啁啾光脉冲的瑞利背向散射光的反射率曲线共轭相乘，得到相位旋转的反射率曲线，经平均运算，得到无干涉衰落的反射率曲线并相加后得到消除干涉衰落和偏振衰落的综合反射率曲线。

所述的反射率曲线，进一步通过检测其相位变化得到光纤应变的精确位置，具体为：将所有反射率曲线相加后得到综合反射率曲线，将其相位项进行自延时差分处理后得到差分相位曲线；再对每个啁啾光脉冲的差分相位曲线上的每一点处求标准差，当相位标准差超过阈值即判定对应点间的光纤发生应变。

本发明涉及一种实现上述方法的消噪单元，包括：依次相连的排序模块、匹配滤波模块、差分相位计算模块以及应变定位模块，其中：排序模块将排序后的X态电信号和Y态电信号分为多个频段的子信号并输出至匹配滤波模块进行分频段匹配滤波，匹配滤波模块匹配滤波后经过偏振分集处理得到综合反射率曲线输出至差分相位计算模块，差分相位计算模块从综合反射率曲线中提取出相位项并进行自延时差分处理得到相位差分曲线，应变定位模块对每个啁啾光脉冲的相位差分曲线中的各点计算标准差并判断得到应变发生精确位置。

附图说明

图1为分布式光纤声波传感器***图；

图2为信号发生器输出的啁啾脉冲序列的时-频分析图。

图3为实施例输出的相位标准差曲线图；

图4为实施例输出的应变波形图；

图5为实施例输出的应变信号功率密度谱图；

图中：1为信号发生模块、2为射频信号放大器、3为激光器、4为保偏光纤耦合器、5为声光调制器、6为掺铒光纤放大器、7为光纤环形器、8为传感光纤、9为分光器、10为偏振分束器、11为偏振分束器、12为平衡光电探测器、13为平衡光电探测器、14为数据采集卡、15为消噪单元。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中包括：作为信号发生模块的信号发生模块1和射频信号放大器2，作为高相干激光模块的激光器3和保偏光纤耦合器4，作为啁啾光脉冲产生模块的声光调制器5和掺铒光纤放大器6，保偏光纤耦合器4，光纤环形器7，传感光纤8，作为偏振分集接收模块的分光器9、偏振分束器11、平衡光电探测器12和平衡光电探测器13以及作为数据采集和处理模块的数据采集卡14和消噪单元15，其中：信号发生模块向啁啾光脉冲产生模块输入功率放大的啁啾脉冲序列，同时向数据采集和处理模块发送触发信号；高相关激光模块中的激光器3产生的高相干、频率和功率恒定的激光输入至保偏光纤耦合器4的第一端口a，保偏光纤耦合器4的第二端口b输出探测光至啁啾光脉冲产生模块，保偏光纤耦合器4的第三端口c输出本地光至偏振分集接收模块；啁啾光脉冲产生模块输出功率放大的啁啾光脉冲序列，从光纤环形器7的第一端口a输入，从第二端口b输出至传感光纤8；传感光纤8产生的RBS，进入光纤环形器7的第二端口b，从第三端口c进入偏振分集接收模块；偏振分集接收模块输出的X态的电信号和Y态的电信号被数据采集卡14转为数字信号传输到消噪单元15中进行数据处理。

所述的传感光纤8为非保偏单模光纤，全长为10公里。

如图2所示，所述的信号发生器1输出的啁啾脉冲序列包括：多个等时间间距T、相同啁啾频率范围ΔF和相同脉冲宽度τ_p的啁啾脉冲。

所述的啁啾脉冲序列的时间间距T为100微秒，扫频范围ΔF为150～250MHz，脉冲宽度τ_p为2微秒。

所述的保偏光纤耦合器4的分光比为90比10。

所述的平衡光电探测器的带宽为AC-400MHz。

所述的数据采集卡14的采样率为1GSPS，量化分辨率为8比特。

本实施例涉及上述***的信号处理方法，包括以下步骤：

步骤1、数据采集卡14采集到的来自一个啁啾光脉冲的瑞利背向散射光(RBS)的X态电信号{x(k)；k＝1,...,100000}和Y态电信号{y(k)；k＝1,...,100000}，其中k表示长度单位，对应10公里所述传感光纤8，每个长度单位的长度为0.1米；当已知共200个啁啾光脉冲时，对所有X态电信号和Y态电信号按时间顺序排序，即：X态信号为{x(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000}，Y态信号为{y(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000}；消噪单元15产生三个频段分别为150-200MHz、175-225MHz和200-250MHz的数字带通滤波器，将每个电信号再分成三个子信号，即：

{x_l(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}和

{y_l(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}。

步骤2、消噪单元15中的匹配滤波模块生成上述的各个子信号的匹配滤波器{h_l(k)；k＝1,...,2000；l＝1,2,3}，对各个子信号做匹配滤波，得到传感光纤8的反射率曲线，即：

其中：i为索引符号，*表示共轭运算。

步骤3、取第一个啁啾光脉冲的瑞利背向散射光(RBS)的X态反射率曲线{RX_l(1,k)；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}和Y态反射率曲线{RY_l(1,k)；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}作为参考，与其他反射率曲线共轭相乘，得到相位旋转的反射率曲线，即：

和

{RY_l'(n,k)＝RY_l(n,k)×RY_l ^*(1,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}。

步骤4、对上一步骤得到的相位归零的反射率曲线做平均运算，得到无干涉衰落的反射率曲线，即：

和

步骤5、对X态的无干涉衰落反射率曲线和Y态的无干涉衰落反射率曲线直接相加，得到无干涉衰落和无偏振衰落的综合反射率曲线，即：

{R(n,k)＝RX”(n,k)+RY”(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；}。

步骤6、将综合反射率曲线的相位项，即相位曲线{φ(n,k)＝angle[R(n,k)]；n＝1,…,200；k＝1,…,100000}，延迟50个长度单位k，将延时前后的相位曲线做差分运算，得到差分相位曲线，即：

{Δφ(n,k)＝φ(n,k)-φ(n,k-50)；n＝1,…,200；k＝1,…,100000}。

步骤7、对所有200条差分相位曲线的各点处求标准差，得到一条相位标准差曲线，如图3所示；该相位标准差曲线中从k＝97630到k＝97730的标准差大于0.05rad，则判定该段光纤发生应变，其实际距离为z＝9763米到z＝9773m处，应变波形如图4所示。

本实施例基于本发明提出的无干涉衰落和偏振衰落的分布式光纤声波传感器，从图3可以看出所有的衰落点被消除，传感光纤末端的应变准确定位，提取的应变波形如图4和图5所示，具有非常好的线性度和信噪比。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种消除分布式光纤声波***中衰落噪声的方法，其特征在于，通过在接收端按时间顺序对采集到的来自啁啾光脉冲的瑞利背向散射光的X态电信号和Y态电信号分别进行排序，并按频段分别分为子信号后对各个子信号进行匹配滤波，然后采用偏振分集处理得到相位旋转的反射率曲线，经叠加后实现干涉衰落和偏振衰落的消除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的偏振分集处理是指：以第一个啁啾光脉冲的瑞利背向散射光的X态和Y态电信号的反射率曲线作为参考，与其他啁啾光脉冲的瑞利背向散射光的反射率曲线共轭相乘，得到相位旋转的反射率曲线，经平均运算，得到无干涉衰落的反射率曲线并相加后得到消除干涉衰落和偏振衰落的综合反射率曲线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的反射率曲线，进一步通过检测其相位变化得到光纤应变的精确位置，具体为：将所有反射率曲线相加后得到综合反射率曲线，将其相位项进行自延时差分处理后得到差分相位曲线；再对每个啁啾光脉冲的差分相位曲线上的每一点处求标准差，当相位标准差超过阈值即判定对应点间的光纤发生应变。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的反射率曲线具体为：

<mrow> <mo>{</mo> <msub> <mi>RX</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mn>2000</mn> <mo>-</mo> <mi>i</mi> </mrow> </munderover> <msub> <mi>x</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>h</mi> <mi>l</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mn>200</mn> <mo>;</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mn>100000</mn> <mo>;</mo> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>}</mo> </mrow>

<mrow> <mo>,</mo> <mo>{</mo> <msub> <mi>RY</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mn>2000</mn> <mo>-</mo> <mi>i</mi> </mrow> </munderover> <msub> <mi>y</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>h</mi> <mi>l</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mn>200</mn> <mo>;</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mn>100000</mn> <mo>;</mo> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>}</mo> <mo>,</mo> </mrow>

其中：i为索引符号，*表示共轭运算，{x_l(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}和{y_l(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}为子信号，{x(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000}和{y(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000}分别为X态和Y态信号，k表示长度单位。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的偏振分集处理，包括以下步骤：

①将第一个啁啾光脉冲的瑞利背向散射光的X态反射率曲线和Y态反射率曲线与其他反射率曲线共轭相乘，得到相位旋转的反射率曲线，即：

和{RY_l'(n,k)＝RY_l(n,k)×RY_l ^*(1,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；l＝1,2,3}；

②对得到的相位归零的反射率曲线做平均运算，得到无干涉衰落的反射率曲线，即：

和

<mrow> <mo>{</mo> <msup> <mi>RY</mi> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn> </munderover> <msup> <msub> <mi>RY</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mn>200</mn> <mo>;</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mn>100000</mn> <mo>;</mo> <mo>}</mo> <mo>;</mo> </mrow>

③对X态的无干涉衰落反射率曲线和Y态的无干涉衰落反射率曲线直接相加，得到无干涉衰落和无偏振衰落的综合反射率曲线，即：{R(n,k)＝RX”(n,k)+RY”(n,k)；n＝1,...,200；k＝1,...,100000；}。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的相位变化，通过将所有反射率曲线相加后提取综合反射率曲线的相位项，即相位曲线{φ(n,k)＝angle[R(n,k)]；n＝1,…,200；k＝1,…,100000}，延迟50个长度单位k，将延时前后的相位曲线做差分运算，得到差分相位曲线，即：{Δφ(n,k)＝φ(n,k)-φ(n,k-50)；n＝1,…,200；k＝1,…,100000}；对所有200条差分相位曲线的各点处求标准差，得到相位标准差曲线

7.一种实现上述任一权利要求所述方法的消噪单元，其特征在于，包括：依次相连的排序模块、匹配滤波模块、差分相位计算模块以及应变定位模块，其中：排序模块将排序后的X态电信号和Y态电信号分为多个频段的子信号并输出至匹配滤波模块进行分频段匹配滤波，匹配滤波模块匹配滤波后经过偏振分集处理得到综合反射率曲线输出至差分相位计算模块，差分相位计算模块从综合反射率曲线中提取出相位项并进行自延时差分处理得到相位差分曲线，应变定位模块对每个啁啾光脉冲的相位差分曲线中的各点计算标准差并判断得到应变发生精确位置。

8.一种包含权利要求7所述消噪单元的检测***，其特征在于，包括：作为信号发生模块的信号发生模块和射频信号放大器，作为高相干激光模块的激光器和保偏光纤耦合器，作为啁啾光脉冲产生模块的声光调制器和掺铒光纤放大器，保偏光纤耦合器，光纤环形器，传感光纤，作为偏振分集接收模块的分光器、偏振分束器、平衡光电探测器和平衡光电探测器以及作为数据采集和处理模块的数据采集卡和消噪单元，其中：信号发生模块向啁啾光脉冲产生模块输入功率放大的啁啾脉冲序列，同时向数据采集和处理模块发送触发信号；高相关激光模块中的激光器产生的高相干、频率和功率恒定的激光输入至保偏光纤耦合器的第一端口，保偏光纤耦合器的第二端口输出探测光至啁啾光脉冲产生模块，保偏光纤耦合器的第三端口输出本地光至偏振分集接收模块；啁啾光脉冲产生模块输出功率放大的啁啾光脉冲序列，从光纤环形器的第一端口输入，从第二端口输出至传感光纤；传感光纤产生的RBS，进入光纤环形器的第二端口，从第三端口进入偏振分集接收模块；偏振分集接收模块输出的X态的电信号和Y态的电信号被数据采集卡转为数字信号传输到消噪单元中进行数据处理。