CN109540207A - 一种计算型分布式光纤传感方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算型分布式光纤传感方法及***。该方法包括：确定用于调制入射光强度的信号源，信号源为二进制序列；将经信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。本发明提供的计算型分布式光纤传感方法及***具有采样率低、设备复杂度低和成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是涉及一种计算型分布式光纤传感方法及***。
背景技术
分布式光纤传感***(Distributed fiber-optic sensing system)通过检测和分析光纤内的某种特殊光学效应，从而测量得到光纤的特征信息。由于光纤的特征信息随外界环境的影响发生变化，因而可以感知到光纤周围空间中分布的环境参数，例如温度、应力，压力等。分布式光纤传感器件能够采用单根光纤作为传感元件，通过测量传感光纤每点的变化，达到分布式测量外界事件的目的。与传统的分立元件传感技术相比，分布式光纤传感***的最大优势在于可以实现远距离连续测量，具有超过几十甚至几百公里的连续测量能力。分布式光纤传感***主要利用光纤中的自然散射过程实现，例如瑞利散射(Rayleighscattering)，拉曼散射(Raman scattering)，自发或受激布里渊散射(Spontaneous orstimulated Brillouin scattering)，并且利用时域技术(time-domain techniques)或者频域技术(frequency-domaintechniques)完成信号解调，达到测量的目的。一般来说，对于长距离测量(超过几十公里)并具有米量级的空间分辨率，时域技术是主要被采用的技术，因为其结构简单并且***的带宽够高。而频域技术一般需要使用直流光，因而限制了其可以实现的测量距离。传统的时域分布式传感技术通过向光纤内发送一个光学脉冲，并利用光学探测器收集反向散射光，通过光电转换转换成时域电信号之后，采用高速数据采集卡采集；其采样率需要满足Nyquist-Shannon采样定理才能解析具体的空间信息，即采样时间间隔必须小于脉冲宽度的一半。脉冲的宽度决定了分布式传感***的空间分辨率。因而，传统的基于时域技术的分布式传感***一般需要采集模块具有100MHz以上的采样率从而达到小于1m的空间分辨率。而对于长距离的高性能传感***，由于远端的信号较弱，需要高分辨率模数转换器(Analog-to-digital converter)进行采样以达到足够高的动态范围。因而，采集模块需要集成高性能模数转化器与现场可编程门阵列(field-Programmable gatearray)从而可以高速传输和处理大量数据。硬件成本，设计成本，以及编程成本都比较高，这也是分布式传感***比传统传感器价格高昂的一个主要因素，限制了其更大规模的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算型分布式光纤传感方法及***，具有采样率低、设备复杂度低和成本低的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种计算型分布式光纤传感方法，包括：
确定用于调制入射光强度的信号源，所述信号源为二进制序列；
将经所述信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；
以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；
根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；
根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。
可选的，所述信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列。
可选的，所述信号源为随机二进制序列。
可选的，所述根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像，具体包括：
根据确定待探测光信号的时域重构图像，其中，γ为常数，<I(t)>为多个信号源序列加和取平均，<D>为采集到的多个散射光信号加和取平均，<R>为多个积分后的信号源序列加和取平均；当信号源序列为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制序列时，所述信号源序列包括正序列信号源和反序列信号源，积分后的正序列信号源为Ri为第i个正序列信号源Ii(t)在一个周期内的积分，积分后的反序列信号源为 为第i个反序列信号源在一个周期内的积分，T为一个信号源序列持续的时间，<DI(t)>为多组第一乘积加和取平均，所述第一乘积包括DiIi(t)和Di为第i个正序列信号源Ii(t)对应的采集到的散射光信号，为第i个反序列信号源对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组第二乘积加和取平均，所述第二乘积包括RiIi(t)和当信号源序列为随机产生的二进制序列时，积分后的信号源为Rj为第j个随机信号源序列Ij(t)在一个周期内的积分，<DI(t)>为多组DjIj(t)加和取平均，Dj为第j个随机信号源序列Ij(t)对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组RjIj(t)加和取平均。
可选的，所述根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像，具体包括：
根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，S(n)为n时刻的待探测光信号，Im(n)为第m个正序列信号源在第n时刻的信号源值，为第m个反序列信号源在第n时刻的信号源值，Dm为采集到的与第m个正序列信号源相对应的散射光信号，为采集到的与第m个反序列信号源相对应的散射光信号，γ为常数。
可选的，在所述根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像之后，在所述根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号之前，还包括：
调整信号源序列的触发信号延迟或调整信号采集器的触发信号时间延迟，重新确定待探测光信号的时域重构图像；
将调整触发信号延迟前和调整触发信号延迟后确定的各所述待探测光信号的时域重构图像逐点交错，得到新的探测光信号的时域重构图像。
本发明还提供了一种计算型分布式光纤传感***，包括：
信号源确定模块，用于确定用于调制入射光强度的信号源，所述信号源为二进制序列；
入射光调制模块，用于将经所述信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；
散射光采集模块，用于以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；
图像重构模块，用于根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；
传感信号确定模块，用于根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。
可选的，所述信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列，或为随机二进制序列；
所述图像重构模块，具体包括：
图像重构单元，用于根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，γ为常数，<I(t)>为多个信号源序列加和取平均，<D>为采集到的多个散射光信号加和取平均，<R>为多个积分后的信号源序列加和取平均；当信号源序列为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制序列时，所述信号源序列包括正序列信号源和反序列信号源，积分后的正序列信号源为Ri为第i个正序列信号源Ii(t)在一个周期内的积分，积分后的反序列信号源为 为第i个反序列信号源在一个周期内的积分，T为一个信号源序列持续的时间，<DI(t)>为多组第一乘积加和取平均，所述第一乘积包括DiIi(t)和Di为第i个正序列信号源Ii(t)对应的采集到的散射光信号，为第i个反序列信号源对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组第二乘积加和取平均，所述第二乘积包括RiIi(t)和当信号源序列为随机产生的二进制序列时，积分后的信号源为Rj为第j个随机信号源序列Ij(t)在一个周期内的积分，<DI(t)>为多组DjIj(t)加和取平均，Dj为第j个随机信号源序列Ij(t)对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组RjIj(t)加和取平均。
可选的，所述信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列；
所述图像重构模块，具体包括：
图像重构单元，用于根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，S(n)为n时刻的待探测光信号，Im(n)为第m个正序列信号源在第n时刻的信号源值，为第m个反序列信号源在第n时刻的信号源值，Dm为采集到的与第m个正序列信号源相对应的散射光信号，为采集到的与第m个反序列信号源相对应的散射光信号，γ为常数。
可选的，所述***还包括：
触发信号延迟调整模块，用于调整信号源序列的触发信号延迟或调整信号采集器的触发信号时间延迟，重新确定待探测光信号的时域重构图像；
重构图像处理模块，用于将调整触发信号延迟前和调整触发信号延迟后确定的各所述待探测光信号的时域重构图像逐点交错，得到新的探测光信号的时域重构图像。
一种计算型光时域反射仪，采用本发明提供的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤各点的特性。
一种基于拉曼散射的计算型分布式温度传感器，采用本发明提供的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤各点的温度信息。
一种计算型布里渊光时域反射仪，采用本发明提供的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤的各点的温度值或应变值。
一种计算型布里渊光时域分析仪，采用本发明提供的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤的各点的温度值或应变值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的计算型分布式光纤传感方法及***，利用鬼成像协议对光纤入射光的调制信号以及采集到的光纤散射信号进行相关性计算，重构出了含有光纤中用于传感目的分布式散射点信息的时域曲线，进而根据时域曲线确定光纤的传感信息，相比于传统的基于时域技术的分布式传感***，无需高频采集即可获得准确的传感信息，降低了采样率，进而，降低了设备的复杂度和成本。而且，本发明用于调制入射光的光源信号可以采用Walsh-Hadamard矩阵产生，由于Walsh-Hadamard矩阵是正交的，不存在重复信息，提高了信噪比的同时，也提高了时域曲线的重构效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例计算型分布式光纤传感方法流程图；
图2为本发明实施例射入光纤的光脉冲序列示意图；
图3为本发明实施例光纤散射光采集处理结构示意图；
图4为本发明实施例光纤散射光采集信号处理过程示意图；
图5为本发明实施例触发信号时间延迟调整示意图；
图6为本发明实施例计算型分布式光纤传感***结构示意图；
图7为本发明实施例计算型光时域反射仪结构示意图；
图8为本发明实施例计算型光时域反射仪信号发生、采集和控制***模块图；
图9为本发明实施例基于拉曼散射的计算型分布式温度传感器结构示意图；
图10为本发明实施例基于拉曼散射的计算型分布式温度传感器信号发生、采集和控制***模块图；
图11为本发明实施例计算型布里渊光时域反射仪结构示意图；
图12为本发明实施例计算型布里渊光时域反射仪信号发生、采集和控制***模块图；
图13为本发明实施例计算型布里渊光时域分析仪结构示意图；
图14为本发明实施例计算型布里渊光时域分析仪信号发生、采集和控制***模块图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种计算型分布式光纤传感方法及***，具有采样率低、设备复杂度低和成本低的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
分布式光纤传感***是通过测量光纤中空间分布的散射特性实现传感目的。需要发送光脉冲进入到光纤中，同时测量其背向散射信号，而此时背向散射信号包含了空间分布的散射点信息。由于测量背向散射信号需要在时域测量，因而此时空间的信息变换到了时域中。如果把空间分布的分布式散射点信息看成是空间图像，那么时域的背向散射信号就可以类似的看成是时域图像。入射已知模式的光脉冲序列进入到光纤中，同时传感光纤通过散射效应对散射光进行积分，以足够低的采样率采集背向散射信号，通过相关计算即可对时域图像进行重构，达到传感的目的，而不需要对散射信号进行连续高速采集。
本发明调制入射光信号光强使其具有Walsh-Hadamard二进制序列的模式或随机二进制序列的模式，采用时域中差分鬼成像协议对已知的二进制序列和采集到的背向散射信号进行相关计算，重构出含有光纤中用于传感目的分布式散射点信息的时域曲线(或者称之为时域图像)，从而实现分布式光纤传感的功能。图1为本发明实施例计算型分布式光纤传感方法流程图，如图1所示，本发明提供的计算型分布式光纤传感方法步骤具体如下：
步骤101：确定用于调制入射光强度的信号源，信号源为二进制序列；
步骤102：将经信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；
步骤103：以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；
步骤104：根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；
步骤105：根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。
其中，步骤101：信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列。也可以为随机二进制序列。但是随机二进制序列存在大量重复信息，因而会对计算结果引入额外的噪声，从而需要完成大量测量以达到较高信噪比，因而增加了重构的计算时间。Walsh-Hadamard序列是正交的，不存在重复信息。采用Walsh-Hadamard序列的差分鬼成像协议等同于采集到的信号差分后的反Walsh-hadamard变换，因而本发明不仅可以准确重构出时域的散射曲线，而且大大减少了计算时间。
下面对Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列和反序列的过程进行说明：
依据自然序列的2k维度的Walsh-Hadamard矩阵：
上式是在整数k≥2时的递推公式，其最低阶为
我们调制入射光信号强度产生Walsh-Hadamard二进制序列，每一个序列从公式(1)中矩阵的每一行产生。我们产生Walsh-Hadamard序列Ii(t)和反序列,其中，i＝1,2,…,2k决定了Walsh-Hadamard序列的长度,同时代表了一个序列中每一个比特的时间。序列中Ii(ti)的值为二进制，当在中相对应的值为+1时，Ii(ti)＝1。当在中相对应的值为-1时，Ii(ti)＝0。同时定义反序列为每一个序列的总持续时间为T＝2kΔt，其中，Δt是单个比特的周期。因此，设置采集背向信号的采样率为采样率大大降低。
步骤103：以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号，设定采样率为
步骤104：对于由正序列调制的入射光信号对应的采集信号为Di和反序列调制的入射光信号对应的采集信号可以表达为：
其中，常数γ是光电转换器的响应率并且包含后续电路的增益。S(t)代表了需要探测的散射光强，包含了光纤中分布的散射点信息，是需要重构的时域图像，用来实现传感目的。对于瑞丽散射(Rayleigh scattering),拉曼散射(Raman scattering)，或者自发布里渊散射(spontaneous Brillouin scattering)来说：
其中，z＝ct/2n代表了光纤中的位置，n是光纤中的群折射率，c是真空中的光速。Pp(z)是在位置z时脉冲的峰值功率，Aeff是光纤的有效模场面积，Δz＝cΔt/2n是散射的有效长度。而对于受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering)的情况来说：
其中，g(z)是布里渊增益系数，Ps(z)是直流的探测光的强度。这时，Δz是泵浦脉冲光Pp(z)与Ps(z)的相互作用长度。注意，公式(6)是在小增益情况下的近似表达式，也是基于受激布里渊散射的高性能分布式光纤传感***的工作条件。在此条件下，泵浦耗尽和过量增益情况可以忽略，从而达到最佳传感效果。
因此，包含光纤中分布式散射点信息的S(t)可以看成是时域影像，可以利用下面公式重构出来：
其中，根据确定待探测光信号的时域重构图像，其中，γ为常数，<I(t)>为多个信号源序列加和取平均，<D>为采集到的多个散射光信号加和取平均，<R>为多个积分后的信号源序列加和取平均；当信号源序列为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制序列时，所述信号源序列包括正序列信号源和反序列信号源，积分后的正序列信号源为
Ri为第i个正序列信号源Ii(t)在一个周期内的积分，积分后的反序列信号源为
为第i个反序列信号源在一个周期内的积分，T为一个信号源序列持续的时间，<DI(t)>为多组第一乘积加和取平均，所述第一乘积包括DiIi(t)和Di为第i个正序列信号源Ii(t)对应的采集到的散射光信号，为第i个反序列信号源对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组第二乘积加和取平均，所述第二乘积包括RiIi(t)和当信号源序列为随机产生的二进制序列时，积分后的信号源为Rj为第j个随机信号源序列Ij(t)在一个周期内的积分，<DI(t)>为多组DjIj(t)加和取平均，Dj为第j个随机信号源序列Ij(t)对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组RjIj(t)加和取平均。
公式(8)和(9)不需要测量。注意，<…>需要进行N＝2k+1次平均。如果采用随机序列，一般来说平均次数将远大于2k+1来得到比较高的信噪比。通过利用Walsh-Hadamard矩阵的特性，以及公式(3)，(4)，(8)和(9)，公式(7)可以被化简为
其中，代表了采集信号的差分向量。其中，S(n)为n时刻的待探测光强，Im(n)为第m个正序列信号源在第n时刻的信号源值，为第m个反序列信号源在第n时刻的信号源值，Dm为采集到的与第m个正序列信号源相对应的散射光信号，为采集到的与第m个反序列信号源相对应的散射光信号，γ为常数。因而，采用Walsh-Hadamard二进制序列的差分鬼成像协议等同于对采集到的差分信号进行反Walsh-Hadamard变换。由于Walsh-Hadamard是正交的，保证了重构图像的精确性，因而可以减少计算时间。当然，本发明的方法也可以采用随机序列，都可以达到同样降低采样率的目的。
下面对本发明提供的计算型分布式光纤传感方法进行举例说明：
步骤1：根据待测光纤的长度，和所要达到的分布式传感的空间分辨率要求，确定Walsh-Hadamard的二进制序列的长度2k以及单个比特的周期Δt。通过Walsh-hadamard矩阵产生Walsh-Hadamard序列Ii(t)和反序列(i＝1,2,…,2k)。或者，产生随机序列。此时，***的采样率可以根据序列的总长度确定下来，每一个序列的总时间为T＝2kΔt。因此，背向信号***的采样率可以选择为此步骤可以通过计算机或者微型控制器等实现。
步骤2：产生序列后，作为信号源去调制光强，使光信号强度具有已知的序列的模式。在此步骤中，根据不同产品为了实现不同功能，需要测量不同散射的信号，而同时调节光脉冲的峰值功率，以达到最好的传感效果。然后把光序列依次发送到传感光纤中，如图2。
步骤3：散射回来的光信号通过光电转换器转换成电信号，按照步骤1中确定的采样率，通过数据采集模块进行采样得到Di和并存储到计算机或者微型处理器中，如图3。
步骤4：在测得Di和的过程中，按照公式(7)进行计算。也可以在所有Di和都测量完毕后，按照公式(10)进行计算。如果不采用Walsh-Hadamard序列，而采用随机序列，只能够按照公式(7)进行计算。可见，可以通过计算的方法，得到光纤的散射点分布信息，从而实现传感的目的。如图4所示。计算得到的时域图像包含了光纤中分布的散射点信息，其采样点间隔等于已知序列的单个比特的持续时间。
步骤5：为了增加时域图像的采样点数，可以采用以下两种不同方案：
方案一是重复步骤2-4，在步骤2中，通过调整序列的触发信号延迟，使每一次重构的曲线在时间上有个小的偏移，此偏移量由触发延迟决定。而触发信号的延迟，决定了最终得到时域图像的采样间隔。步骤2-4的重复次数为M，可以由单个比特的持续时间除以触发信号的延迟得到，如图5所示。因而可以得到M个时域图像。
方案二可以在步骤3中的数据采集模块中采用M个模数转换器(Analog-to-digital converter)。通过控制进入每个模数转换器的触发信号时间延迟，达到与方案一相同的目的。触发信号的延迟决定时域图像的采样间隔。M的确定与方案一中的确定方法一致。因而，可以通过一次测量，同时得到M个时域图像。
对于方案一或者方案二，对M个时域图像进行逐点交错，得到一条最终的时域曲线，用于获取传感信息。
步骤6：根据计算得到的光纤中分布式散射点信息，进行分析，从而确定外界对于光纤的影响，进而确定光纤的损耗特性、外界的温度变化以及应力变化，即传感信息可以为光纤的损耗特性、外界的温度变化或应力变化。
本发明还提供了一种计算型分布式光纤传感***，如图6所示，该***包括：
信号源确定模块601，用于确定用于调制入射光强度的信号源，信号源为二进制序列；
入射光调制模块602，用于将经信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；
散射光采集模块603，用于以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；
图像重构模块604，用于根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；
传感信号确定模块605，用于根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。
其中，信号源可以为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列，也可以为随机二进制序列，根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，γ为常数，<I(t)>为多个信号源序列加和取平均，<D>为采集到的多个散射光信号加和取平均，<R>为多个积分后的信号源序列加和取平均；当信号源序列为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制序列时，所述信号源序列包括正序列信号源和反序列信号源，积分后的正序列信号源为Ri为第i个正序列信号源Ii(t)在一个周期内的积分，积分后的反序列信号源为 为第i个反序列信号源在一个周期内的积分，T为一个信号源序列持续的时间，<DI(t)>为多组第一乘积加和取平均，所述第一乘积包括DiIi(t)和Di为第i个正序列信号源Ii(t)对应的采集到的散射光信号，为第i个反序列信号源对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组第二乘积加和取平均，所述第二乘积包括RiIi(t)和当信号源序列为随机产生的二进制序列时，积分后的信号源为Rj为第j个随机信号源序列Ij(t)在一个周期内的积分，<DI(t)>为多组DjIj(t)加和取平均，Dj为第j个随机信号源序列Ij(t)对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组RjIj(t)加和取平均。
当信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列时，还可以采用
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，其中，S(n)为n时刻的待探测光信号，Im(n)为第m个正序列信号源在第n时刻的信号源值，为第m个反序列信号源在第n时刻的信号源值，Dm为采集到的与第m个正序列信号源相对应的散射光信号，为采集到的与第m个反序列信号源相对应的散射光信号，γ为常数。
本发明提供的***还包括：
触发信号延迟调整模块，用于调整信号源序列的触发信号延迟或调整信号采集器的触发信号时间延迟，重新确定待探测光信号的时域重构图像；
重构图像处理模块，用于将调整触发信号延迟前和调整触发信号延迟后确定的各待探测光信号的时域重构图像逐点交错，得到新的探测光强信号的时域重构图像。
本发明提供的计算型分布式光纤传感方法及***，利用鬼成像协议对光纤入射光的调制信号以及采集到的光纤散射信号进行相关性计算，重构出了含有光纤中用于传感目的分布式散射点信息的时域曲线，进而根据时域曲线确定光纤的传感信息，相比于传统的基于时域技术的分布式传感***，无需高频采集即可获得准确的传感信息，降低了采样率，进而，降低了设备的复杂度和成本。而且，本发明用于调制入射光的光源信号可以采用Walsh-Hadamard矩阵产生，由于Walsh-Hadamard矩阵是正交的，不存在重复信息，提高了信噪比的同时，也提高了时域曲线的重构效率。此外，Walsh-Hadamard矩阵不需要存储，大大减少了存储空间。
本发明提供的计算型分布式光纤传感方法及***能够应用在基于瑞丽散射的光时域反射仪，基于拉曼散射的分布式温度传感器，基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射仪和基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪中。
1、计算型光时域反射仪
通过测量光纤中瑞丽散射，感知待测光纤的特性，包括损耗，焊点，以及连接点等。主要结构如图7所示。
在计算机或者微型处理器中按照本发明的方法确定所需产生的二进制序列，然后通过信号发生器，采集与控制***产生光序列，通过光纤701进入光环形器。光环形器的功能是光只能从光纤701进入到待测光纤中。在待测光纤中反向瑞丽散射回来的光只能进入光纤702中。散射回来的光通过光电转换器变成电信号，再由信号发生，采集与控制***按照本发明方法的采样率进行采集。然后，通过计算机或者微型处理器按照本发明的方法进行计算，得出待测光纤的分布式瑞丽散射曲线，从而确定待测光纤每点的性质。最后，通过显示与用户操作界面提供给用户感兴趣的信息。信号发生、采集与控制***如图8所示。
信号发生器与数据采集装置通过触发信号进行同步，信号发生器调制激光源产生光序列。具体产品不应局限于图7和图8的结构，对于不同结构的***，只要采用本发明方法，应予以保护。
与现有技术中的光时域反射仪相比，本发明提供的计算型光时域反射仪对采集模块的要求低，进而，降低了光时域反射仪的复杂性和成本。
2、计算型分布式温度传感器
通过测量光纤中拉曼散射，感知待测光纤的温度分布，从而确定周边环境的温度分布。主要结构如图9所示。
在计算机或者微型处理器中按照本发明的方法确定所需产生的序列，然后通过信号发生，采集与控制***产生光序列，通过光纤901进入光环形器。光环形器的功能是光只能从光纤901进入到待测光纤中。在待测光纤中反向拉曼散射回来的光只能进入光纤902中。拉曼散射回来的光通过波分复用器件分为两路，一路是斯托克斯光，另一路是反斯托克斯光。两路光分别通过光电转换器变成两路电信号，再由信号发生，采集与控制***按照本发明方法的采样率对两路信号同时分别进行采集。然后，通过计算机或者微型处理器按照本发明的方法进行计算，得出待测光纤的两条分布式拉曼散射曲线，然后对两条曲线进行逐点求比值，从而确定待测光纤每点的温度信息。最后，通过显示与用户操作界面提供给用户感兴趣的温度信息。信号发生，采集与控制***如图10所示。信号发生器与数据采集装置通过触发信号同步，信号发生器调制激光源产生光序列。数据采集模块需要有两路进行同时的数据采集。具体产品不应局限于图9和图10的结构，对于不同结构的***，只要采用本发明方法，应予以保护。
与现有技术中的基于拉曼散射的分布式温度传感器相比，本发明提供的基于拉曼散射的计算型分布式温度传感器对采集模块的要求低，进而，降低了分布式温度传感器的复杂性和成本。
3、计算型布里渊光时域反射仪
通过测量光纤中分布式布里渊频谱(自发布里渊散射)的移动，感知外部温度或者应变的变化。主要结构如图11所示。
在计算机或者微型处理器中确定激光1101与激光1102的频率差调谐范围与间隔，同时按照本发明的方法确定所需产生的序列。然后通过信号发生，采集与控制***固定一个激光1101与激光1102的频率差之后，再产生光序列(激光1101)，通过光纤1103进入光环形器。光环形器的功能是光只能从光纤1103进入到待测光纤中。在待测光纤中反向布里渊散射回来的光只能进入光纤1104中。布里渊散射回来的光通过耦合器与激光1102耦和。激光1102在耦合之前先通过扰偏器扰偏。扰偏器也可以放到激光1101的路径上，位置是在光纤1103段，在激光1101与光环型器之间。耦合之后的光通过光电转换器转换成电信号，然后通过特定的电滤波器进行滤波。滤波之后的信号，通过包络探测器探测其包络，然后由信号发生，采集与控制***按照本发明的采样率进行采集。通过计算机或者微型处理器按照本发明的方法进行计算，得出在激光1101与激光1102的一个频率差下的分布式布里渊散射曲线。接下来，改变激光1101与激光1102的频率差，得到第二条曲线。以上步骤一直重复，按照预先设定的频率间隔改变一个频率，得到一条曲线，直到完成预先设定的所有频率测量，从而得到光纤中分布式布里渊频谱。接下来，对于每一点的频谱进行拟合，得到光纤中每一点的布里渊频率值。由于布里渊频率值与外界温度或者应变成线性关系，从而可以测量温度与应变。最后，通过显示与用户操作界面提供给用户感兴趣的温度或者应变信息。信号发生，采集与控制模块如图12所示。
激光源通过耦合器分为两路，其中一路经过光调制器，调制成光序列作为激光1101。本序列遵从本发明的序列要求。另外一路经过光单边带调制器改变频率作为激光1102，其频率为射频发生源所控制，从而决定了激光1101与激光1102的频率差。信号发生器与数据采集装置通过触发信号同步。具体产品不应局限于图11和图12的结构，对于不同结构的***，只要采用本发明方法，应予以保护。
与现有技术中布里渊光时域反射仪相比，本发明提供的计算型布里渊光时域反射仪对采集模块的要求低，进而，降低了布里渊光时域反射仪的复杂性和成本。
4、计算型布里渊光时域分析仪
通过测量光纤中分布式布里渊频谱(受激布里渊散射)的移动，来感知外部温度或者应变的变化。主要结构如图13所示。
在计算机或者微型处理器中确定激光1301与激光1302的频率差调谐范围与间隔，同时按照本发明的方法确定所需产生的序列。然后通过信号发生，采集与控制***固定一个激光1301与激光1302的频率差之后，再产生光序列(激光1301)，通过光纤1301进入扰偏器然后到达光环形器。激光1302通过隔离器进入待测光纤中。当激光1301与激光1302的频率差接近光纤布里渊频率时，发生受激布里渊散射。激光1302通过待测光纤，与激光1301相互作用，然后通过环形器进入光电转换器，转换成电信号，然后由信号发生，采集与控制***按照本发明的采样率进行采集。激光1301通过待测光纤后由隔离器隔离。然后，通过计算机或者微型处理器按照本发明的方法进行计算，得出在激光1301与激光1302的一个频率差下的分布式受激布里渊散射曲线。接下来，改变激光1301与激光1302的频率差，得到第二条曲线。以上步骤一直重复，按照预先设定的频率间隔改变一个频率，得到一条曲线，直到完成预先设定的所有频率测量，从而得到光纤中分布式受激布里渊频谱。接下来，对于每一点的频谱进行拟合，得到光纤中每一点的布里渊频率值。由于布里渊频率值与外界温度或者应变成线性关系，从而可以测量温度与应变。最后，通过显示与用户操作界面提供给用户感兴趣的温度或者应变信息。信号发生，采集与控制***如图14所示。
与现有技术中的布里渊光时域分析仪相比，本发明提供的计算型布里渊光时域分析仪对采集模块的要求低，进而，降低了布里渊光时域分析仪的复杂性和成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (14)
1.一种计算型分布式光纤传感方法，其特征在于，包括：
确定用于调制入射光强度的信号源，所述信号源为二进制序列；
将经所述信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；
以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；
根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；
根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。
2.根据权利要求1所述的计算型分布式光纤传感方法，其特征在于，所述信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列。
3.根据权利要求1所述的计算型分布式光纤传感方法，其特征在于，所述信号源为随机二进制序列。
4.根据权利要求2或3所述的计算型分布式光纤传感方法，其特征在于，所述根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像，具体包括：
根据确定待探测光信号的时域重构图像，其中，γ为常数，<I(t)〉为多个信号源序列加和取平均，<D〉为采集到的多个散射光信号加和取平均，〈R〉为多个积分后的信号源序列加和取平均；当信号源序列为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制序列时，所述信号源序列包括正序列信号源和反序列信号源，积分后的正序列信号源为Ri为第i个正序列信号源Ii(t)在一个周期内的积分，积分后的反序列信号源为 为第i个反序列信号源在一个周期内的积分，T为一个信号源序列持续的时间，〈DI(t)>为多组第一乘积加和取平均，所述第一乘积包括DiIi(t)和Di为第i个正序列信号源Ii(t)对应的采集到的散射光信号，为第i个反序列信号源对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组第二乘积加和取平均，所述第二乘积包括RiIi(t)和当信号源序列为随机产生的二进制序列时，积分后的信号源为Rj为第j个随机信号源序列Ij(t)在一个周期内的积分，<DI(t)>为多组DjIj(t)加和取平均，Dj为第j个随机信号源序列Ij(t)对应的采集到的散射光信号，<RI(t)〉为多组RjIj(t)加和取平均。
5.根据权利要求2所述的计算型分布式光纤传感方法，其特征在于，所述根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像，具体包括：
根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，S(n)为n时刻的待探测光信号，
Im(n)为第m个正序列信号源在第n时刻的信号源值，为第m个反序列信号源在第n时刻的信号源值，Dm为采集到的与第m个正序列信号源相对应的散射光信号，为采集到的与第m个反序列信号源相对应的散射光信号，γ为常数。
6.根据权利要求1所述的计算型分布式光纤传感方法，其特征在于，在所述根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像之后，在所述根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号之前，还包括：
调整信号源序列的触发信号延迟或调整信号采集器的触发信号时间延迟，重新确定待探测光信号的时域重构图像；
将调整触发信号延迟前和调整触发信号延迟后确定的各所述待探测光信号的时域重构图像逐点交错，得到新的探测光信号的时域重构图像。
7.一种计算型分布式光纤传感***，其特征在于，包括：
信号源确定模块，用于确定用于调制入射光强度的信号源，所述信号源为二进制序列；
入射光调制模块，用于将经所述信号源调制后的光脉冲作为入射光信号射入光纤；
散射光采集模块，用于以设定采样率采集经光纤散射后的散射光信号；
图像重构模块，用于根据入射光信号和散射光信号，采用基于时域的差分鬼成像协议确定待探测光信号的时域重构图像；
传感信号确定模块，用于根据待探测光信号的时域重构图像确定光纤的传感信号。
8.根据权利要求7所述的计算型分布式光纤传感***，其特征在于，所述信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列，或为随机二进制序列；
所述图像重构模块，具体包括：
图像重构单元，用于根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，γ为常数，〈I(t)〉为多个信号源序列加和取平均，〈D>为采集到的多个散射光信号加和取平均，<R>为多个积分后的信号源序列加和取平均；当信号源序列为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制序列时，所述信号源序列包括正序列信号源和反序列信号源，积分后的正序列信号源为Ri为第i个正序列信号源Ii(t)在一个周期内的积分，积分后的反序列信号源为 为第i个反序列信号源在一个周期内的积分，T为一个信号源序列持续的时间，<DI(t)>为多组第一乘积加和取平均，所述第一乘积包括DiIi(t)和Di为第i个正序列信号源Ii(t)对应的采集到的散射光信号，为第i个反序列信号源对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组第二乘积加和取平均，所述第二乘积包括RiIi(t)和当信号源序列为随机产生的二进制序列时，积分后的信号源为Rj为第j个随机信号源序列Ij(t)在一个周期内的积分，<DI(t)>为多组DjIj(t)加和取平均，Dj为第j个随机信号源序列Ij(t)对应的采集到的散射光信号，<RI(t)>为多组RjIj(t)加和取平均。
9.根据权利要求7所述的计算型分布式光纤传感***，其特征在于，所述信号源为Walsh-Hadamard矩阵产生的二进制正序列以及二进制正序列对应的二进制反序列；
所述图像重构模块，具体包括：
图像重构单元，用于根据
确定待探测光信号的时域重构图像，其中，S(n)为n时刻的待探测光信号，Im(n)为第m个正序列信号源在第n时刻的信号源值，为第m个反序列信号源在第n时刻的信号源值，Dm为采集到的与第m个正序列信号源相对应的散射光信号，为采集到的与第m个反序列信号源相对应的散射光信号，γ为常数。
10.根据权利要求7所述的计算型分布式光纤传感***，其特征在于，所述***还包括：
触发信号延迟调整模块，用于调整信号源序列的触发信号延迟或调整信号采集器的触发信号时间延迟，重新确定待探测光信号的时域重构图像；
重构图像处理模块，用于将调整触发信号延迟前和调整触发信号延迟后确定的各所述待探测光信号的时域重构图像逐点交错，得到新的探测光信号的时域重构图像。
11.一种计算型光时域反射仪，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤各点的特性。
12.一种基于拉曼散射的计算型分布式温度传感器，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤各点的温度信息。
13.一种计算型布里渊光时域反射仪，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤的各点的温度值或应变值。
14.一种计算型布里渊光时域分析仪，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的计算型分布式光纤传感方法，确定光纤的各点的温度值或应变值。
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