CN112985639B - 基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法 - Google Patents

基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，涉及光纤传感测量技术领域，解决现有分布式光纤传感***受限于接收机带宽而难以实现大测量范围、高空间分辨率测量的技术问题。本发明具体为使用去啁啾技术获取大频率范围的瑞利散射信号；使用时域子啁啾脉冲提取算法将获取到的大频率范围的瑞利散射信号转换为大应变范围瑞利散射图样，光纤在未受扰动时得到瑞利散射参考图样，受扰动后得到瑞利散射测量图样；然后通过延迟估计算法，分析瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的移动信息，定量的解调出不同位置的扰动信息，本申请适用于动态和静态传感、对空间分辨率牺牲较小、测量范围大、测量精度高。

Description

基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法
技术领域
本发明涉及光纤传感测量技术领域，具体是指基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法。
背景技术
分布式光纤传感***目前已广泛用于地质探矿、结构健康监测、轨道交通在线监测等领域。目前基于分布式光纤传感的定量测量有几种典型的方案：1)相位解调型：通过解调光时\频域反射计瑞利散射信号的相位信息，得到沿光纤温度或应变变化的定量信息。但这种方法受到干涉衰落影响非常严重，且测量范围由于三角函数的周期性而被限制在2π之内。2)基于啁啾脉冲相位敏感型光时域反射计：通过计算扰动引起的啁啾脉冲时移来来定量计算光纤扰动信息。这种方法不受干涉衰落影响，但是其空间分辨率取决于脉冲宽度，所以和传感距离、测量灵敏度相互限制。此外，这种方法需要很高的采样率来保证量化误差。3)基于瑞利散射图样解调。这种方法可以实现很高的测量精度，没有干涉衰落，且测量范围取决于扫频范围，从而可以通过增大扫频范围来提升。但传统的基于相干光时域反射计的方法需要多次扫频来获取瑞利散射图样，使得其测量速度极为受限。基于子啁啾脉冲提取的相干光时域反射计可以避免扫频过程实现瑞利散射图样的单次获取。但由于电学设备如探测器带宽，ADC采样率，以及后端数字信号处理器的处理能力等的限制，过大的频率范围会使得接收机后端压力过大，甚至无法处理。
发明内容
基于以上问题，本发明提供了基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，适用于动态和静态传感、空间分辨率高、测量范围大、测量精度高。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，包括如下步骤：
步骤一、使用去啁啾技术获取大频率范围的瑞利散射信号；
步骤二、使用时域子啁啾脉冲提取算法将获取到的大频率范围的瑞利散射信号转换为大应变范围瑞利散射图样；其中在光纤未受扰动时，获取的瑞利散射图样叫瑞利散射参考图样；在光纤受到扰动时，获取的瑞利散射图样叫瑞利散射测量图样；
步骤三、通过延迟估计算法，分析瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的移动信息，定量的解调出不同位置的扰动信息。
进一步，所述使用去啁啾技术获取大频率范围的瑞利散射信号的过程包括：设置扫频光源输出大频率范围的探测啁啾信号，并将其注入光纤，得到反向瑞利散射信号；将得到的大频率范围瑞利散射信号与另一个本地啁啾信号混频，得到去啁啾之后的信号。
进一步，所述另一个本地啁啾信号，为啁啾斜率与探测啁啾信号的啁啾斜率相同的信号，或为与啁啾斜率不同的信号。
进一步，使用时域子啁啾脉冲提取算法将获取到的大频率范围的瑞利散射信号转换为大应变范围瑞利散射图样，其具体过程为：将去啁啾之后的信号用一系列的时域窗分割，然后按照时域窗的顺序重组为矩阵；将该矩阵转换到距离域；取距离域的强度值或幅度值，即可得到大应变范围瑞利散射图样。
进一步，所述时域窗为矩形窗或汉宁窗或汉明窗或高斯窗或切比雪夫窗，所述相邻两个滑动窗之间有重叠。
进一步，所述通过延迟估计算法来获取扰动信息，其过程为：计算瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的互相关曲线或加权互相关曲线；得到的互相关曲线的最大值对应的横坐标即为频率轴的移动信息；根据瑞利散射温度或者应变对应的频移关系，即可定量地得到沿光纤的温度或者应变信息。
进一步，所述加权互相关算法，权重可以由Roth处理器或相干平滑变换或相位变换或Eckart滤波器或HT处理器得到。
进一步，所述通过延迟估计算法来获取扰动信息，其过程为：计算瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的最小均方误差，得到的最小均方误差曲线的最小值对应的横坐标即为频率轴的移动信息；根据瑞利散射温度或应变对应的频移关系，即可定量地得到沿光纤的温度或应变变化信息。
进一步，通过插值的方式来减小估计过程中的量化误差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过去啁啾技术可以极大地降低***对接收机的需求。通过子啁啾脉冲提取技术，获取大频率范围的瑞利散射图样，从而实现动态和静态传感、空间分辨率高、测量范围大、测量精度高的分布式声波传感，且不会受到瑞利散射的相干衰落的影响。
附图说明
图1为本实施例的流程图；
图2为实施例1中去啁啾技术的示意图；
图3为实施例1中对得到的瑞利散射信号加一系列的时域窗；
图4为实施例1中得到的瑞利散射图样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例1
如图1所示，通过去啁啾技术获取大扫频范围啁啾信号的瑞利散射信号，使用时域子啁啾脉冲提取算法获取瑞利散射图样，以相同的方法，当光纤未受扰动时，获取瑞利散射参考图样；当光纤受到扰动时，获取瑞利散射测量图样，然后利用延迟估计算法分析不同位置下频率轴的移动情况，即可获取沿光纤的扰动信息，具体方法如下：
步骤一、获取大扫频范围啁啾信号的瑞利散射信号；
首先设置扫频光源的扫频范围Bp、起始频率f0和扫频斜率k，将该啁啾信号注入到光纤，其瑞利散射信号如图2的矩形框部分所示，使用一个本地啁啾信号，如图2的线条所示与瑞利散射信号拍频，从图2中可以看出，拍频后的信号带宽为Bmea，其值远小于啁啾信号的扫频范围，从而使得接收机的压力被极大地减小。
步骤二、将去啁啾技术得到的信号通过时域子啁啾脉冲提取算法，重构成与频率、距离相关的瑞利散射图样，并获取瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样；
如图3所示，使用一系列的时域窗分割去啁啾得到的信号，然后按照时域窗的顺序重组为矩阵；将该矩阵转换到距离域；取距离域的强度值或幅度值，即可得到大应变范围瑞利散射图样，其中，在光纤未受到扰动时，得到的为瑞利散射参考图样
Figure BDA0002937598450000031
在光纤受到扰动时，得到的为瑞利散射测量图样
Figure BDA0002937598450000032
步骤三、通过延迟估计算法，分析瑞利散射参考图样
Figure BDA0002937598450000033
和瑞利散射测量图样
Figure BDA0002937598450000034
在不同位置下频率轴的移动信息，定量的解调出不同位置的扰动信息；
其中，延迟估计算法为通过计算瑞利散射参考图样
Figure BDA0002937598450000035
和瑞利散射测量图样
Figure BDA0002937598450000036
在不同位置下频率轴的互相关曲线或加权互相关曲线；得到的互相关曲线的最大值对应的横坐标即为频率轴的移动信息；根据瑞利散射温度或者应变对应的频移关系，即可定量地得到沿光纤的温度或者应变信息，另外，在加权互相关算法中，权重可以由Roth处理器或相干平滑变换或相位变换或Eckart滤波器或HT处理器得到。另外，可通过插值的方式来减小估计过程中的量化误差。
实施例2
本实施例中采用另一种方式获取扰动信息，具体为：
计算瑞利散射参考图样
Figure BDA0002937598450000037
和瑞利散射测量图样
Figure BDA0002937598450000038
在不同位置下频率轴的最小均方误差，得到的最小均方误差曲线的最小值对应的横坐标即为频率轴的移动信息；根据瑞利散射温度或者应变对应的频移关系，即可定量地得到沿光纤的温度或者应变信息，另外，可通过插值的方式来减小估计过程中的量化误差。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、使用去啁啾技术获取大频率范围的瑞利散射信号；
步骤二、使用时域子啁啾脉冲提取算法将获取到的大频率范围的瑞利散射信号转换为大应变范围的瑞利散射图样；其中在光纤未受扰动时，获取的瑞利散射图样叫瑞利散射参考图样；在光纤受到扰动时，获取的瑞利散射图样叫瑞利散射测量图样；
步骤三、通过延迟估计算法，分析瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的移动信息，定量的解调出不同位置的扰动信息；
使用时域子啁啾脉冲提取算法将获取到的大频率范围的瑞利散射信号转换为大应变范围瑞利散射图样，其具体过程为：将去啁啾之后的信号用一系列的时域窗分割，然后按照时域窗的顺序重组为矩阵；将该矩阵转换到距离域；取距离域的强度值或幅度值，即可得到大应变范围瑞利散射图样。
2.根据权利要求1所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述使用去啁啾技术获取大频率范围的瑞利散射信号的过程包括：设置扫频光源输出大频率范围的探测啁啾信号，并将其注入光纤，得到反向瑞利散射信号；将得到的大频率范围瑞利散射信号与另一个本地啁啾信号混频，得到去啁啾之后的信号。
3.根据权利要求2所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，所述另一个本地啁啾信号，为啁啾斜率与探测啁啾信号的啁啾斜率相同的信号，或为与啁啾斜率不同的信号。
4.根据权利要求1所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述时域窗为矩形窗或汉宁窗或汉明窗或高斯窗或切比雪夫窗。
5.根据权利要求1所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述通过延迟估计算法来获取扰动信息，其过程为：计算瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的互相关曲线或加权互相关曲线；得到的互相关曲线的最大值对应的横坐标即为频率轴的移动信息；根据瑞利散射温度或者应变对应的频移关系，即可定量地得到沿光纤的温度或者应变信息。
6.根据权利要求5所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于：加权互相关算法，权重可以由Roth处理器或相干平滑变换或相位变换或Eckart滤波器或HT处理器得到。
7.根据权利要求1所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述通过延迟估计算法来获取扰动信息，其过程为：计算瑞利散射参考图样和瑞利散射测量图样在不同位置下频率轴的最小均方误差，得到的最小均方误差曲线的最小值对应的横坐标即为频率轴的移动信息；根据瑞利散射温度或者应变对应的频移关系，即可定量地得到沿光纤的温度或应变信息。
8.根据权利要求5或7所述的基于去啁啾和时域子啁啾脉冲提取的分布式光纤传感方法，其特征在于：通过插值的方式来减小估计过程中的量化误差。
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