CN113124994B - 一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分布式光纤振动传感领域，提供了一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法。本发明方法首先对分布式光纤传感***采集的外差相干拍频信号进行分块滤波处理，其后对数据进行分段插值处理，再进行傅里叶变换，根据声光调制器的中频信号提取出中频信号的幅度和相位信息，对幅度和相位先进行自相关处理后再进行互相关处理，最后进行频谱分析，即可实现在弱信噪比信号下对振动信号的有效解调，增加了信号解调的灵敏度和准确度。

Description

一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法。
背景技术
随着物联网时代的快速发展，信息感知的重要性越来越多的体现在社会生产的各个方面，光纤传感技术是现代众多传感技术中发展最迅速的分支之一，光纤传感器凭借着自身抗电磁干扰、抗腐蚀、损耗小、灵敏度高、响应速度快、成本低等优点迅速成为人们研究的热潮，相比于传统电学方案对于各种特殊环境下的振动检测依然乏力的情况，采用光纤传感技术来进行探测具有更广泛的应用前景。
振动作为信息的载体之一，人类运用它可以获得很多信息。光纤振动传感技术是光纤传感技术的一种，其监控的物理量是外界目标造成的光纤振动，以光作为信息的载体，光纤作为传播媒介，通过解析传感光纤中的光信号来获取其中蕴藏的有用信息的一种新型传感技术，分布式光纤振动传感器区别于一般单点的传感***，它可以实现现实空间连续的全尺度分布式监测，同时它还具有分辨率高、传感和传输距离长等无法取代的独特性能。分布式光纤振动传感技术广泛应用于桥梁等建筑的安全监测、岩石变形测量、道路和场地测量以及周界安防监控中，也可以将分布式光纤振动传感应用于航空航天领域，构成分布式智能传感网络，对飞行器内部机械性能及外部环境进行实时监测，同时分布式光纤振动传感可以监测管道的泄露以及地层下反射上来的地震波传来的振动信号，该振动信号能够有效反应地下看不见的讯息，振动信号在多种场合中携带的信息对当今人们的社会生活有着重要的用途。
特别是对于相位敏感型光时域反射计(φ-OTDR)，对比其他光纤分布式传感技术，它能够在长距离范围内对微弱信号进行分布式多点监测，使用高相干性的窄线宽光源，调制产生短脉宽脉冲，使空间分辨率得到进一步提升，基于φ-OTDR测量参数多、测量距离远、精度高、可靠性高等优点，研究φ-OTDR具有极大的科学与现实意义。目前，基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术中，实现振动信号的解调一般有如下三种方式：一是直接强度解调法，直接探测采集到后向瑞利散射光信号，对采样得到的散射光干涉信号进行相邻差分来检测振动信号，该方式只能简单判定振动点的位置信息，很难收集到振动的相关幅度和频率信息；二是外差相干幅度解调方法，将瑞利散射光干涉信号与本地相干光信号进行拍频后，采集卡采集到拍频信号，从拍频信号中提取幅度信号进行相邻差分来实现振动信号的判别，该方案可以较准确的收集到与振动信号有关的位置及频率信息，很难收集到与振动信号有关的幅度信息；三是外差相干相位解调方法，将瑞利散射光干涉信号与本地相干光信号进行拍频后，采集卡采集到拍频信号，从拍频信号中提取相位信号进行相邻差分处理，该方案可以较完整的收集到与振动信号有关的幅度、频率和位置信息，但是由于相位的累积效应和相位卷绕中的奇点问题，在实际应用中容易出现误差错误，这三种振动传感解调方案均可以实现振动信号的获取，但都存在获取振动信息的不完整，准确度不高等问题，在实际的应用及监测***中噪声的干扰也很容易造成振动信号淹没在噪声信号之中，从而引起振动信号无法有效检测的现象，特别是对于信噪比较差的信号，振动信号的提取更加困难，不适用于要求高灵敏度，准确度高的监测场合，如微弱的振动信号，环境噪声较大等环境。本文提出了一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法，可适用于弱信噪比的情况下对振动信号的有效检测。
发明内容
为了克服以上传统的基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感解调技术中存在的缺陷，更好的满足在保持传统分布式振动传感的架构上，实现对在弱信噪比信号及复杂情况下对振动信息的有效提取，本发明提供了一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法。
一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先，对瑞利散射的反射信号进行分块作矩阵处理，采集到一系列的单个脉冲的反射信号的原始数据，再对原始数据进行低通滤波处理，滤除拍频信号的高频部分；
(2)然后，对瑞利散射的反射信号进行分段插值处理，插值作用使得数据变成整数频点；
(3)其后，对每一个脉冲的反射数据，根据距离分辨率进行分段，分段处理即有效提取振动位置，减小运算量；
(4)最后，对分段后的脉冲反射数据进行傅里叶变换，再根据声光调制器的中频信号提取出中频信号的幅度和相位信息。
进一步地，为提高检测振动信号的灵敏度，在弱信噪比的情况下提取出有效地振动信号，于光纤的某一位置上对中频信号的振幅和相位的脉冲串的时间方向分别作自相关处理。
进一步地，对振幅和相位的自相关信号做互相关处理，再对互相关信号做傅里叶变化，得到互相关函数的功率谱密度，该过程可有效抑制背景噪声，进一步提取出振动信号，
探测器输出的与振动相关的电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESELcos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是平衡探测器的响应系数，r0为未扰动情况下光纤的瑞利散射系数，Δr(t)为振动所造成的光纤瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场的振幅，EL为本地光场的振幅，Δf为外差频率差。
进一步地，平衡探测器所输出的与振动相关的交流电流A(t)通过如下的***获得：采用高相干的窄线宽激光器作为光源，经过一个90:10的耦合器分成两束光，其中一束光经过声光调制器调制成光脉冲序列，使用光放大器将光脉冲序列放大后进入到环形器的1端口，由环形器的2端口输入到振动传感光纤中，振动传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器，从环形器的3端口反射出来，与第一个90:10的耦合器中的另一光束一起进入到一个50:50的耦合器中，在该耦合器中进行外差拍频，拍频的光信号再经过平衡探测器，将光信号转换为电信号，最后电信号被数据采集卡采集。
与现有技术相对比，本发明的特点和优点是：综合利用分布式振动传感解调方案中的幅度调制法和相位调制法的优势，分块滤波，分段插值处理，对得到的中频信号的相位和幅度信息先进行自相关处理，再做互相关操作，即可进一步提取出与振动信号有关的频率信息，一定程度上降低了现有解调法的误差，对于弱信噪比的信号该方法也可以较为准确的提取出与振动信号有关的频率和相位信息。
附图说明
图1为本发明的算法流程图。
图2为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。
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，***采用高相干的窄线宽激光器作为光源，经过一个90:10的耦合器分成两束光，其中一束光经过声光调制器调制成光脉冲序列，使用光放大器将光脉冲序列放大后进入到环形器的1端口，由环形器的2端口输入到振动传感光纤中，振动传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器，从环形器的3端口反射出来，与第一个90:10的耦合器中的另一光束一起进入到一个50:50的耦合器中，在该耦合器中进行外差拍频，拍频的光信号再经过平衡探测器，将光信号转换为电信号，最后电信号被数据采集卡采集。
探测器输出的与振动相关的电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESELcos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是平衡探测器的响应系数，r0为未扰动情况下光纤的瑞利散射系数，Δr(t)为振动所造成的光纤瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场的振幅，EL为本地光场的振幅，Δf为外差频率差。
如图2所示，先对平衡探测器输出的与振动相关的交流电流信号A(t)进行起点定位，然后进行分块和低通滤波处理，再进行分段插值处理，对分段插值后的反射信号做傅里叶变换，再根据声光调制器的中频信号提取出中频信号的幅度与相位信息。
在提取中频信号的幅度和相位信息时，信号的实部为I(t)虚部为S(t)，则对应的振幅与相位信号为：
Figure BDA0003080026270000041
Δφ(t)∝arctan(S(t)/I(t))+kπ
其中k为自然数，Δr(t)为与振动信号有关的幅度信息，Δφ(t)为与振动信号有关的相位信息，从相位公式中可以看出，当I(t)趋于0时，相位中存在着奇点，在实际信号处理中容易产生误差。因此实际的振幅与相位信号为：
Figure BDA0003080026270000042
Figure BDA0003080026270000043
上式中，nr(t)为幅度调制的信号噪声，
Figure BDA0003080026270000044
为相位调制的信号噪声。
为了尽可能抑制信号调制所产生的噪声以及相位解调所带来的奇点缺陷，我们在使用分段插值及傅里叶变换提取振动信号的相位和幅度之后，再对相位和幅度进行自相关算法处理，各自自相关之后，对振幅和相位的自相关信号再做互相关处理得到互相关函数：
Figure BDA0003080026270000051
其中RS(τ)为信号相关的互相关函数，Rn(τ)为噪声相关的互相关函数，该式之中可以看到对相位解缠绕影响较大的噪声部分
Figure BDA0003080026270000052
并不存在，提高了检测振动信号的灵敏度和对弱信噪比信号的检测能力，再对互相关信号进行频谱分析就可以得到振动信号的频率信息。
本发明的一个具体实施例中，窄线宽激光器的激光线宽为2kHz，激光出射功率10dBm，声光调制器输出的脉冲宽度为300ns,峰值功率为8dBm，两个耦合器的耦合比分别为90:10和50:50，振动传感光纤长度20km，在该振动传感光纤20km末端，施加了100Hz-500Hz的正弦波振动信号，该方法均可有效地检测和提取振动信号的幅度、相位和频率信息。

Claims (1)

1.一种基于弱信噪比信号的分布式振动传感解调方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先，对瑞利散射的反射信号进行分块作矩阵处理，采集到一系列的单个脉冲的反射信号的原始数据，再对原始数据进行低通滤波处理，滤除拍频信号的高频部分；
(2)然后，对瑞利散射的反射信号进行分段插值处理，插值作用使得数据变成整数频点；
(3)其后，对每一个脉冲的反射数据，根据距离分辨率进行分段，分段处理即有效提取振动位置，减小运算量；
(4)最后，对分段后的脉冲反射数据进行傅里叶变换，再根据声光调制器的中频信号提取出中频信号的幅度和相位信息；
为提高检测振动信号的灵敏度和抑制信号调制所产生的噪声，在弱信噪比的情况下提取出有效地振动信号，于光纤的某一位置上对中频信号的振幅和相位的脉冲串的时间方向分别作自相关处理，自相关处理后，对振幅和相位的自相关信号再做互相关处理得到互相关函数：
Figure FDA0003799600550000011
其中RS(τ)为信号相关的互相关函数，Rn(τ)为噪声相关的互相关函数，该式之中可以看到对相位解缠绕影响较大的噪声部分并不存在，提高了检测振动信号的灵敏度和对弱信噪比信号的检测能力，再对互相关信号做傅里叶变化，得到互相关函数的功率谱密度，该过程可有效抑制背景噪声，进一步提取出振动信号；
探测器输出的与振动相关的电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESELcos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是平衡探测器的响应系数，r0为未扰动情况下光纤的瑞利散射系数，Δr(t)为振动所造成的光纤瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场的振幅，EL为本地光场的振幅，Δf为外差频率差；平衡探测器所输出的与振动相关的交流电流A(t)通过如下的***获得：采用高相干的窄线宽激光器作为光源，经过一个90:10的耦合器分成两束光，其中一束光经过声光调制器调制成光脉冲序列，使用光放大器将光脉冲序列放大后进入到环形器的1端口，由环形器的2端口输入到振动传感光纤中，振动传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器，从环形器的3端口反射出来，与第一个90:10的耦合器中的另一光束一起进入到一个50:50的耦合器中，在该耦合器中进行外差拍频，拍频的光信号再经过平衡探测器，将光信号转换为电信号，最后电信号被数据采集卡采集。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113824661B (zh) * 2021-11-22 2022-03-15 高勘(广州)技术有限公司 一种通信***调制与解调方法
CN115389007B (zh) * 2022-10-26 2023-03-10 之江实验室 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法
CN117073990B (zh) * 2023-10-16 2024-01-26 常州灵动芯光科技有限公司 一种窄线宽激光器的线宽测试***及测试方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102128639A (zh) * 2010-12-24 2011-07-20 中国计量学院 基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪
CN106679790A (zh) * 2016-12-05 2017-05-17 华南理工大学 一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法
CN111157102A (zh) * 2020-01-02 2020-05-15 河海大学常州校区 一种分布式光纤传感***中消除频率干扰的定位方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8526831B2 (en) * 2009-12-18 2013-09-03 Alcatel Lucent Receiver algorithms for coherent detection of polarization-multiplexed optical signals

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102128639A (zh) * 2010-12-24 2011-07-20 中国计量学院 基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪
CN106679790A (zh) * 2016-12-05 2017-05-17 华南理工大学 一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法
CN111157102A (zh) * 2020-01-02 2020-05-15 河海大学常州校区 一种分布式光纤传感***中消除频率干扰的定位方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Optical fiber distributed acoustic sensing based on the self-interference of Rayleigh backscattering;Ying Shang et al.;《Measurement》;20161231;第222-227页 *
基于DFB光纤激光拍频解调的高分辨率声发射检测技术;贾青等;《石家庄铁道大学学报(自然科学版)》;20200925(第03期);第86-96页 *
基于FFT 的分布式振动传感信号解调分析;司召鹏等;《中国激光》;20220725;第1-15页 *

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