CN113155267A - 一种基于二次相关的ofdr***振动检测方法、***、存储介质和终端 - Google Patents
一种基于二次相关的ofdr***振动检测方法、***、存储介质和终端 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法、***、存储介质和终端，方法包括：获取OFDR***的参考信号和测试信号；对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。本发明的二次相关计算过程中，减少了噪声对信号的影响，与基础互相关算法相比可以在更低的信噪比环境中实现振动检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法、***、存储介质和终端。
背景技术
由于光纤具有很强的抗电磁干扰、良好的电绝缘性以及传光特性，近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的分布式光纤传感***在国防、军事、民用设施等方面越来越受到人们的广泛关注。分布式光纤传感技术通过探测及分析光纤内的光学效应来测量沿光纤方向的特征信息。分布式光纤测量与传感技术具有多参量、智能化、大容量、多通道、高灵敏度等不可替代的优势。作为分布式光纤传感***的代表，光频域反射技术(OFDR)具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰性强等优点，并且可连续探测传输过程中的振动、应变及温度等外界干扰的时间变化及空间分布信息。
OFDR原理为：可调谐激光光源发出的光被耦合器分为两束，一束进入待测光纤，一束进入参考光纤。将待测光纤与参考光纤后向瑞利散射信号分别产生的干涉信号作为频率函数，经过采集并进行快速傅里叶变换处理，从而可以得到沿传感光纤构建反射的距离域映射。
在如图1所示的现有技术中，将参考信号和测量信号经相同方式处理后直接进行互相关运算，从而得到振动检测数据。然而在长距离的测量中，由于噪声的影响，取过小的滑动窗将造成信噪比的降低，进而无法实现对外界扰动的测量，选取较大滑动窗能够实现振动的检测，但是空间分辨率因此恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法、***、存储介质和终端。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的第一方面，提供一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法，包括以下步骤：
获取OFDR***的参考信号和测试信号；
对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；
对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：
对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；
对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；
对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。
进一步地，所述对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号，包括：
对参考信号和测量信号分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
对所得到的两组距离域信息，在距离域上用一定大小的窗口滑动分割成N等份，其中每一份为一个分段信号；
对分段信号进行逆傅里叶变换，得到参考信号与测试信号各自的局部瑞利散射光谱，即参考信号与测试信号各自的分段波长域信号。
进一步地，所述对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据，具体计算如下：
R11(τ)＝E[x1(t)x1(t+τ)]
式中，x1(t)和x1(t+τ)分别表示t时刻和t+τ时刻的参考信号的波长域数据，E[]表示
其中M为采样总点数；
所述对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据，具体计算如下：
R12(τ)＝E[x1(t)x2(t+τ)]
式中，x2(t+τ)表示t+τ时刻的测试信号的波长域数据；
所述对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算，具体计算如下：
RRR(τ)＝E[R11(τ)R12(τ)]
进一步地，所述***振动检测方法替换为***应变检测方法，所述振动信息替换为应变信息；或：
所述***振动检测方法替换为***温度检测方法，所述振动信息替换为温度信息。
本发明的第二方面，提供一种基于二次相关的OFDR***振动检测***，包括：
信号获取模块，用于获取OFDR***的参考信号和测试信号；
预处理模块，用于对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；
振动信息计算模块，用于对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：
自相关运算子模块，用于对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；
第一互相关运算子模块，用于对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；
第二互相关运算子模块，用于对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。
进一步地，所述预处理模块包括：
快速傅里叶变换子模块，用于对参考信号和测量信号分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
分段子模块，用于对所得到的两组距离域信息，在距离域上用一定大小的窗口滑动分割成N等份，其中每一份为一个分段信号；
逆傅里叶变换子模块，用于对分段信号进行逆傅里叶变换，得到参考信号与测试信号各自的局部瑞利散射光谱，即参考信号与测试信号各自的分段波长域信号。
进一步地，所述自相关运算子模块的具体计算如下：
R11(τ)＝E[x1(t)x1(t+τ)]
式中，x1(t)和x1(t+τ)分别表示t时刻和t+τ时刻的参考信号的波长域数据，E[]表示
其中M为采样总点数；
所述第一互相关运算子模块的具体计算如下：
R12(τ)＝E[x1(t)x2(t+τ)]
式中，x2(t+τ)表示t+τ时刻的测试信号的波长域数据；
所述第二互相关运算子模块的具体计算如下：
RRR(τ)＝E[R11(τ)R12(τ)]。
进一步地，所述***振动检测***替换为***应变检测***，所述振动信息计算模块替换为应变信息计算模块，振动信息替换为应变信息；或：
所述***振动检测***替换为***温度检测***，所述振动信息计算模块替换为温度信息计算模块，所述振动信息替换为温度信息。
本发明的第三方面，提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法的步骤。
本发明的第四方面，提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法的步骤。
本发明的有益效果是：
在本发明的一示例性实施例中，二次相关计算过程中，自相关运算和第一次互相关运算减少了噪声对信号的影响，通过互相关计算，即可得到各个位置的互相关峰值移动量，在存在扰动信息的数据处会存在互相关波峰的偏移，偏离值对应传感量。因此，与图1所示的基础互相关算法相比可以在更低的信噪比环境中实现振动检测，实现更精确的振动检测，同时提高了空间分辨率。
附图说明
图1为现有技术公开的方法流程图；
图2为本发明一示例性实施例公开的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参见图2，图2示出了本发明的一示例性实施例提供一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法，包括以下步骤：
S11：获取OFDR***的参考信号和测试信号；
S13：对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；
S15：对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：
S151：对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；
S153：对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；
S155：对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。
具体地，在该示例性实施例中，参考信号为不包含振动信息的信号，测试信号为包含振动信息的信号。
对信号进行自相关运算，利用信号和噪声、噪声和噪声之间互不相关的特性达到提高信噪比的目的。假设参考信号的波长域信号x1(t)＝s1(t)+n(t)，其中s1(t)为理想信号，n(t)为噪声信号。则参考信号的波长域信号自运算为：
其中
和
为理想信号与噪声的互相关结果，
为噪声自相关结果，
为理想信号自相关结果。若噪声信号是理想高斯白噪声且与信号不相关，上式中
和
为0。由高斯白噪声的性质可知
是在τ＝0处的冲击函数。但是在实际情况中，噪声不可能达到理想的情况。因此，
和
不严格为0，且在τ≠0的情况下，
总是存在的，但是由于噪声和信号通常被看成不相关，所以其幅度与原噪声相比必然大幅度减小。因此信号在做一次自相关后，提高了信噪比。
对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据，具体计算如下：
假设信号x1(t)＝s1(t)+n1(t)，其中s1(t)为理想信号，n1(t)为噪声信号。x2(t)＝s2(t)+n2(t)，其中s2(t)为理想信号，n2(t)为噪声信号。其中
和
为理想信号与噪声的互相关结果，
为噪声互相关结果，
为理想信号互相关结果。假定噪声为随机高斯白噪声且与信号互不相关，两个噪声n1(t)和n2(t)之间也互不相关。因此
和
都为0。因此可得：
在振动发生之前，参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据几乎相同，因此在振动发生之前也有s1(t)＝s2(t)，则有
则有
实际上仍然为信号s1(t)的自相关函数，如前所述，对两个信号做互相关实际上仍然是对信号做了一次自相关，提高了信噪比。
在二次相关算法计算过程中，减少了噪声对信号的影响，与基础互相关算法相比可以在更低的信噪比环境中实现振动检测。可实现更精确的振动检测，同时提高了空间分辨率。在步骤S151和步骤S153的基础上，通过步骤S155进行互相关计算，即可得到各个位置的互相关峰值移动量，在存在扰动信息的数据处会存在互相关波峰的偏移，偏离值对应传感量。
更优地，在一示例性实施例中，所述对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号，包括：
对参考信号和测量信号分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
对所得到的两组距离域信息，在距离域上用一定大小的窗口滑动分割成N等份，其中每一份为一个分段信号；
对分段信号进行逆傅里叶变换，得到参考信号与测试信号各自的局部瑞利散射光谱，即参考信号与测试信号各自的分段波长域信号。
具体地，在该示例性实施例中，预处理主要包括域转换和分段操作。
更优地，在一示例性实施例中，所述对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据，具体计算如下：
R11(τ)＝E[x1(t)x1(t+τ)]
式中，x1(t)和x1(t+τ)分别表示t时刻和t+τ时刻的参考信号的波长域数据，E[]表示
其中M为采样总点数；
所述对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据，具体计算如下：
R12(τ)＝E[x1(t)x2(t+τ)]
式中，x2(t+τ)表示t+τ时刻的测试信号的波长域数据；
所述对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算，具体计算如下：
RRR(τ)＝E[R11(τ)R12(τ)]。
更优地，在一示例性实施例中，所述***振动检测方法替换为***应变检测方法，所述振动信息替换为应变信息；或：
所述***振动检测方法替换为***温度检测方法，所述振动信息替换为温度信息。
具体地，在该示例性实施例中，该检测方法不仅可适用于振动检测，还可适用于应变以及温度的检测。
与上述示例性实施例具有相同的发明构思，本发明的又一示例性实施例提供一种基于二次相关的OFDR***振动检测***，包括：
信号获取模块，用于获取OFDR***的参考信号和测试信号；
预处理模块，用于对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；
振动信息计算模块，用于对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：
自相关运算子模块，用于对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；
第一互相关运算子模块，用于对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；
第二互相关运算子模块，用于对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。
更优地，在一示例性实施例中，所述预处理模块包括：
快速傅里叶变换子模块，用于对参考信号和测量信号分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
分段子模块，用于对所得到的两组距离域信息，在距离域上用一定大小的窗口滑动分割成N等份，其中每一份为一个分段信号；
逆傅里叶变换子模块，用于对分段信号进行逆傅里叶变换，得到参考信号与测试信号各自的局部瑞利散射光谱，即参考信号与测试信号各自的分段波长域信号。
更优地，在一示例性实施例中，所述自相关运算子模块的具体计算如下：
R11(τ)＝E[x1(t)x1(t+τ)]
式中，x1(t)和x1(t+τ)分别表示t时刻和t+τ时刻的参考信号的波长域数据，E[]表示
其中M为采样总点数；
所述第一互相关运算子模块的具体计算如下：
R12(τ)＝E[x1(t)x2(t+τ)]
式中，x2(t+τ)表示t+τ时刻的测试信号的波长域数据；
所述第二互相关运算子模块的具体计算如下：
RRR(τ)＝E[R11(τ)R12(τ)]。
更优地，在一示例性实施例中，所述***振动检测***替换为***应变检测***，所述振动信息计算模块替换为应变信息计算模块，振动信息替换为应变信息；或：
所述***振动检测***替换为***温度检测***，所述振动信息计算模块替换为温度信息计算模块，所述振动信息替换为温度信息。
更优地，基于上述任意一方法示例性实施例，在本发明的又一示例性实施例中，提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法的步骤。
更优地，基于上述任意一方法示例性实施例，在本发明的又一示例性实施例中，提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法的步骤。
基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得装置执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取OFDR***的参考信号和测试信号；
对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；
对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：
对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；
对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；
对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法，其特征在于：所述对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号，包括：
对参考信号和测量信号分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
对所得到的两组距离域信息，在距离域上用一定大小的窗口滑动分割成N等份，其中每一份为一个分段信号；
对分段信号进行逆傅里叶变换，得到参考信号与测试信号各自的局部瑞利散射光谱，即参考信号与测试信号各自的分段波长域信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法，其特征在于：所述对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据，具体计算如下：
R11(τ)＝E[x1(t)x1(t+τ)]
式中，x1(t)和x1(t+τ)分别表示t时刻和t+τ时刻的参考信号的波长域数据，E[]表示
所述对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据，具体计算如下：
R12(τ)＝E[x1(t)x2(t+τ)]
式中，x2(t+τ)表示t+τ时刻的测试信号的波长域数据；
所述对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算，具体计算如下：
RRR(τ)＝E[R11(τ)R12(τ)]。
4.根据权利要求1所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法，其特征在于：所述***振动检测方法替换为***应变检测方法，所述振动信息替换为应变信息；或：
所述***振动检测方法替换为***温度检测方法，所述振动信息替换为温度信息。
5.一种基于二次相关的OFDR***振动检测***，其特征在于：包括：
信号获取模块，用于获取OFDR***的参考信号和测试信号；
预处理模块，用于对参考信号和测试信号进行预处理，得到参考信号和测试信号各自的分段波长域信号；
振动信息计算模块，用于对所有对应分段的参考信号的波长域信号和测试信号的波长域信号进行处理，得到振动信息，包括：
自相关运算子模块，用于对参考信号的波长域数据进行自相关运算，得到自相关运算数据；
第一互相关运算子模块，用于对参考信号的波长域数据和测试信号的波长域数据进行互相关运算，得到第一互相关运算数据；
第二互相关运算子模块，用于对自相关运算数据和第一互相关运算数据进行互相关运算。
6.根据权利要求5所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测***，其特征在于：所述预处理模块包括：
快速傅里叶变换子模块，用于对参考信号和测量信号分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
分段子模块，用于对所得到的两组距离域信息，在距离域上用一定大小的窗口滑动分割成N等份，其中每一份为一个分段信号；
逆傅里叶变换子模块，用于对分段信号进行逆傅里叶变换，得到参考信号与测试信号各自的局部瑞利散射光谱，即参考信号与测试信号各自的分段波长域信号。
7.根据权利要求5所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测***，其特征在于：所述自相关运算子模块的具体计算如下：
R11(τ)＝E[x1(t)x1(t+τ)]
式中，x1(t)和x1(t+τ)分别表示t时刻和t+τ时刻的参考信号的波长域数据，E[]表示
其中M为采样总点数；
所述第一互相关运算子模块的具体计算如下：
R12(τ)＝E[x1(t)x2(t+τ)]
式中，x2(t+τ)表示t+τ时刻的测试信号的波长域数据；
所述第二互相关运算子模块的具体计算如下：
RRR(τ)＝E[R11(τ)R12(τ)]。
8.根据权利要求5所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测***，其特征在于：所述***振动检测***替换为***应变检测***，所述振动信息计算模块替换为应变信息计算模块，振动信息替换为应变信息；或：
所述***振动检测***替换为***温度检测***，所述振动信息计算模块替换为温度信息计算模块，所述振动信息替换为温度信息。
9.一种存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于：所述计算机指令运行时执行权利要求1-4中任意一项所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法的步骤。
10.一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，其特征在于，所述处理器运行所述计算机指令时执行权利要求1-4中任意一项所述的一种基于二次相关的OFDR***振动检测方法的步骤。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110254214.1A Pending CN113155267A (zh) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | 一种基于二次相关的ofdr***振动检测方法、***、存储介质和终端 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113155267A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168337A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-12-05 | 哈尔滨工业大学 | Ofdr应变边缘优化方法及测量方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080077343A1 (en) * | 2006-09-08 | 2008-03-27 | Johansson Leif A | Implementation of coded optical time-domain reflectometry |
| CN106872071A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-06-20 | 江苏骏龙光电科技股份有限公司 | 一种基于光频域反射技术的测温方法 |
-
2021
- 2021-03-09 CN CN202110254214.1A patent/CN113155267A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080077343A1 (en) * | 2006-09-08 | 2008-03-27 | Johansson Leif A | Implementation of coded optical time-domain reflectometry |
| CN106872071A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-06-20 | 江苏骏龙光电科技股份有限公司 | 一种基于光频域反射技术的测温方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杨顺智 等: "基于二次相关算法的双M-Z光纤传感器的定位方法", 《光子学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168337A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-12-05 | 哈尔滨工业大学 | Ofdr应变边缘优化方法及测量方法 |
| CN117168337B (zh) * | 2023-07-04 | 2024-06-04 | 哈尔滨工业大学 | Ofdr应变边缘优化方法及测量方法 |
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