CN116399379A - 分布式光纤声波传感***及其测量方法 - Google Patents

分布式光纤声波传感***及其测量方法 Download PDF

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CN116399379A CN202310664799.3A CN202310664799A CN116399379A CN 116399379 A CN116399379 A CN 116399379A CN 202310664799 A CN202310664799 A CN 202310664799A CN 116399379 A CN116399379 A CN 116399379A
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Abstract

本申请实施例提供一种分布式光纤声波传感***及其测量方法，涉及分布式光纤传感探测技术领域，包括，采集传感光纤沿线中的振动信号在预设时间段内产生的后向瑞利散射信号；对采集到的后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息；通过第一解调信息构建原始二维图像，原始二维图像包括对应预设时间段内传感光纤沿线各个位置的第一解调信息形成的时间‑距离域的图像；对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；根据除噪二维图像重构第二解调信息，第二解调信息包括传感光纤沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息，从而减小了测量误差，提高了分布式光纤声波传感***的测量精度。

Description

分布式光纤声波传感***及其测量方法
技术领域
本申请涉及分布式光纤传感探测技术领域，尤其涉及一种分布式光纤声波传感***及其测量方法。
背景技术
分布式光纤声波传感技术的原理是通过探测沿传感光纤沿线的瑞利散射光的相位变化，来得到所需检测的物理量（如声音、振动等）的变化。分布式光纤声波传感***具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰性强等优点，在周界安防、油气勘探、管道监测等领域具有极高的应用价值。
相关技术中，分布式光纤声波传感***在测量过程中，入射光会与传感光纤沿线某点的后向散射光产生干涉，该点的声波或振动等物理量的变化会引起干涉光相位的变化，因此通过对干涉光相位进行解调，就可以确定该点的声波或振动的变化量。由于传感光纤在空间中是连续分布的，因此，分布式光纤声波传感***可以定量检测到空间中的任意一点的物理量的变化，从而实现分布式传感。
然而，在分布式光纤声波传感***中，受激光相位噪声、偏振噪声、环境噪声等随机噪声波动的影响，对传感光纤沿线各个位置的信息进行解调时，所得到的解调结果中会包含多个异常信息。并且，由于解调结果是从带噪信息中获得的，因此，解调结果的时域波形和幅值波动也较大，从而带来测量误差。
发明内容
本申请实施例提供了一种分布式光纤声波传感***的测量方法，以解决现有技术中分布式光纤声波传感器具有较大的测量误差的技术问题。
本申请实施例提供一种分布式光纤声波传感***的测量方法，包括，采集传感光纤沿线中的振动信号在预设时间段内产生的后向瑞利散射信号；
对采集到的后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，第一解调信息包括传感光纤沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息；
通过第一解调信息构建原始二维图像，原始二维图像包括对应预设时间段内传感光纤沿线各个位置的第一解调信息形成的时间-距离域的图像；
对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；
根据除噪二维图像重构第二解调信息，第二解调信息包括传感光纤沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
在一种可行的实现方式中，对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，包括，
通过离散小波变换函数将原始二维图像进行小波分解，得到原始二维图像对应的多个子图像。
在一种可行的实现方式中，对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，还包括，
调整小波分解的级别以得到对应个数的子图像，获取并处理子图像的高频分量和低频分量，以消除子图像上的异常值得到除噪子图像。
在一种可行的实现方式中，小波分解的级别存在调整阈值，在调整阈值内，小波分解的级别越高，得到除噪子图像的异常值越少。
在一种可行的实现方式中，对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，还包括，将除噪子图像的高频分量和低频分量采用逆离散小波变换函数进行小波重构，得到除噪二维图像。
在一种可行的实现方式中，根据除噪二维图像重构第二解调信息之后，包括，提取第二解调信息中振动信号的时域信息。
在一种可行的实现方式中，原始二维图像和除噪二维图像均包括时间-距离域的二维图形信息或者时间-距离域的二维矩阵信息。
本申请实施例还提供了一种分布式光纤声波传感***，包括解调单元和控制器，解调单元和控制器通过信号连接；
解调单元被配置为采集预设时间段内的后向瑞利散射信号，后向瑞利散射信号包括振动信号在分布式光纤声波传感***产生的信号；
解调单元，还被配置为对采集到的后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，第一解调信息包括传感光纤沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息；
控制器被配置为通过第一解调信息构建原始二维图像，二维图像包括对应预设时间段内传感光纤沿线各个位置的第一解调信息形成的时间-距离域图像；
控制器还被配置为对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；
控制器还被配置为根据除噪二维图像重构第二解调信息，第二解调信息包括传感光纤沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
本申请实施例提供了一种分布式光纤声波传感***的测量方法，本申请实施例通过解调后向瑞利散射信号，得到第一解调信息，将第一解调信息构建原始二维图像，再对原始二维图像进行二维小波变换图像处理后，得到了除噪二维图像，再通过将除噪二维图像重构得到第二解调信息，得到了消除噪声信息后的解调信息，消除了解调信息中的异常信息，减小了解调结果时域波形和幅值波动，减小了测量误差，提高了分布式光纤声波传感***的测量精度。
本申请实施例还提供了一种分布式光纤声波传感***，采用上述方案中任一技术方案中的测量方法，因而具有上述任一技术方案的测量方法的全部有益效果，在此不再赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本申请一实施例提供的一种分布式光纤声波传感***的结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的一种分布式光纤声波传感***的测量方法的实施步骤图；
图3是图2中S400的实施步骤图；
图4是采用相关技术中分布式光纤声波传感***的测量方法所测量的振动信号的解调信息对应的二维图像；
图5是采用本申请实施例提供的一种分布式光纤声波传感***的测量方法所测量的振动信号的解调信息对应的二维图像；
图6是图4中的二维图像对应的振动位置时域图；
图7是图5中的二维图像对应的振动位置时域图。
附图标记说明：
1-激光发射单元；2-环形器；3-传感单元；4-解调单元；
101-激光器；102-隔离器；103-声光调制器；1031-函数发生器；104-第一掺铒光纤放大器；105-第一滤波器；
301-传感光纤；302-第一压电陶瓷；
401-第二掺铒光纤放大器；402-第二滤波器；403-耦合器；404-第一法拉第旋转镜；405-第二法拉第旋转镜；406-第二压电陶瓷；407-探测器；408-采集卡。
具体实施方式
分布式光纤声波传感技术的原理是通过探测沿传感光纤301沿线的瑞利散射光的相位变化，来得到所需检测的物理量（如声音、振动等）的变化。分布式光纤声波传感***具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰性强等优点，在周界安防、油气勘探、管道监测等领域具有极高的应用价值。
相关技术中，分布式光纤声波传感***在测量过程中，入射光会与传感光纤301沿线某点的后向散射光产生干涉，该点的声波或振动等物理量的变化会引起干涉光相位的变化，因此通过对干涉光相位进行解调，就可以确定该点的声波或振动的变化量。由于传感光纤301在空间中是连续分布的，因此，分布式光纤声波传感***可以定量检测到空间中的任意一点的物理量的变化，从而实现分布式传感。
然而，在分布式光纤声波传感***中，受激光相位噪声、偏振噪声、环境噪声等随机噪声波动的影响，对传感光纤沿线各个位置的信息进行解调时，所得到的解调结果中会包含多个异常信息。并且，由于解调结果是从带噪信息中获得的，因此，解调结果的时域波形和幅值波动也较大，从而带来测量误差。
因此，本申请实施例提供了一种分布式光纤声波传感***及其测量方法，以解决现有技术中的分布式光纤声波传感***在对传感光纤沿线各个位置的信息进行解调时，所得到的解调结果包含多个异常信息，从而带来测量误差的技术问题。
图1是本申请一实施例提供的一种分布式光纤声波传感***的结构示意图。
在一些示例中，参照图1，分布式光纤声波传感***通常包括激光发射单元1、环形器2、传感单元3、解调单元4和控制器，激光发射单元1的输出端和环形器2的第一输入端相连，环形器2的第一输出端和传感单元3的输出端相连，环形器2的第二输出端和解调单元4相连，解调单元4的输出端和控制器相连。
示例性的，激光发射单元1发射激光信号，激光信号经由环形器2的第一输入端、第一输出端输出至传感单元3，激光信号沿传感单元3的传感光纤301传播检测待检测环境内的振动信号，并产生后向瑞利散射光，后向瑞利散射光经由环形器2的第二输出端输出至解调单元4，解调单元4将后向瑞利散射光进行解调，解调后的信息输出至控制器。
图2是本申请一实施例提供的一种分布式光纤声波传感***的测量方法的实施步骤图。图3是图2中S400的实施步骤图。
本申请实施例提供了一种分布式光纤声波传感***的测量方法，参照图2和图3，包括：
采集传感光纤301沿线中的振动信号在预设时间段内产生的后向瑞利散射信号；
对采集到的后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，第一解调信息包括传感光纤301沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息；
通过第一解调信息构建原始二维图像，原始二维图像包括对应预设时间段内传感光纤301沿线各个位置的第一解调信息形成的时间-距离域的图像；
对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；
根据除噪二维图像重构第二解调信息，第二解调信息包括传感光纤301沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
本申请实施例提供了一种分布式光纤声波传感***的测量方法，本申请实施例通过解调后向瑞利散射信号，得到第一解调信息，将第一解调信息构建原始二维图像，再对原始二维图像进行二维小波变换图像处理后，得到了除噪二维图像，再通过将除噪二维图像重构得到第二解调信息，得到了消除噪声信息后的解调信息，消除了解调信息中的异常信息，减小了解调结果时域波形和幅值波动，减小了测量误差，提高了分布式光纤声波传感***的测量精度。
在一些示例中，对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，包括，通过离散小波变换函数将原始二维图像进行小波分解，得到原始二维图像对应的多个子图像。
示例性的，小波分解可以参照以下公式进行分解计算：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_2
表示缩放因子，/>
Figure SMS_3
表示平移因子，/>
Figure SMS_4
表示振动信号，/>
Figure SMS_5
表示母小波函数，
Figure SMS_6
为/>
Figure SMS_7
的复共轭，/>
Figure SMS_8
表示小波分解函数。
示例性的，将原始二维图像进行一级小波分解后，得到第一子图像，其中，第一子图像被平均分成一个低频分量和三个高频分量，其中三个高频分量包括水平高频、竖直高频和对角高频三个部分，将原始二维图像进行二级分解，即将第一子图像的低频分量的区域继续平均分成一个低频分量和三个高频分量，将原始二维图像进行多级分解以此规律类推即可。
需要说明的是，小波分解后的低频分量代表了图像的轮廓信息，也可以认为是有效信息。
本申请实施例通过离散小波变换函数将原始二维图像进行小波分解，能够得到原始二维图像对应的多个子图像，进而得到每个子图像的高频分量和低频分量，以便于对子图像进行除噪处理。
示例性的，对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，还包括，调整小波分解的级别以得到对应个数的子图像，获取并处理子图像的高频分量和低频分量，以消除子图像上的异常值得到除噪子图像。
示例性的，调整小波分解的级别，以获取子图像的低频分量和高频分量，并按照非线性拉伸规则，增大低频分量的像素值，且对高频分量进行降噪处理后，得到除噪子图像。
示例性的，小波分解的级别存在调整阈值，在调整阈值内，小波分解的级别越高，得到除噪子图像的异常值越少。
需要说明的是，当小波分解的级别不断增高时，低频分量的数量和高频分量的数量不断增高，高频分量增高则子图像的噪声在不断的叠加，处理难度也在增加，因此，需要对更多的高频分量进行降噪处理，而降噪处理后的高频分量还会存在遗留异常值，因此，当高频分量增多到一定值时，遗留异常值也会相应的增加，因此，在调整阈值内，小波分解的级别越高，得到的除噪子图像的异常值越少。
本申请实施例通过调整小波分解的级别，获得调整阈值内的子图像，并对子图像的低频分量和高频分量进行处理，消除了子图像内的噪声干扰，得到了除噪子图像。
示例性的，对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，还包括，将除噪子图像的高频分量和低频分量采用逆离散小波变换函数进行小波重构，得到除噪二维图像。
示例性的，小波重构即为利用像素值增大后的低频分量和降噪后的高频分量进行图像重构，从而得到对比增强图像，即未除噪二维图像。
本申请实施例通过小波重构，将除噪子图像的高频分量和低频分量采用逆离散小波变换函数进行小波重构，从而得到了消除噪声的除噪二维图像，以便于后续重构第二解调信息。
在一些示例中，根据除噪二维图像重构第二解调信息之后，包括，提取第二解调信息中振动信号的时域信息。
在一些示例中，原始二维图像和除噪二维图像均包括时间-距离域的二维图形信息或者时间-距离域的二维矩阵信息。
需要说明的是，时间-距离域中的时间与预设时间段相互对应，距离与传感光纤301沿线的各个位置相互对应。
在一些示例中，参照图1，激光发射单元1包括激光器101、隔离器102、声光调制器103、第一掺铒放大器和第一滤波器105，激光器101的输出端和隔离器102的输入端相连，隔离器102的输出端和声光调制器103的输入端相连，声光调制器103的输出端和掺铒放大器的输入端相连，掺铒放大器的输出端和第一滤波器105的输入端相连。激光器101被配置为向隔离器102的输入端发射激光信号；隔离器102被配置为使激光束由隔离器102向声光调制器103实现单向输出。声光调制器103和函数发生器1031连接，函数发生器1031被配置为用于驱动声光调制器103调制激光信号脉冲间的脉宽和脉冲间的频率数量。第一掺铒光纤放大器104被配置为放大由声光调制器103的输出端输出的激光信号。第一滤波器105被配置为过滤激光信号的干扰光。
传感单元3包括传感光纤301，环形器2的第一输出端和传感光纤301相连，传感光纤301被配置为传输激光信号，并与传感光纤301沿线的振动信号相互干涉产生后向瑞利散射信号。
解调单元4包括第二掺铒光纤放大器401、第二滤波器402、探测器407、采集卡408、耦合器403、第一法拉第旋转镜404和第二法拉第旋转镜405。第二掺铒光纤放大器401的输入端和环形器2的第二输出端相连，第二掺铒光纤放大器401的输出端和滤波器的输入端相连，滤波器的输出端和耦合器403的第一端相连，耦合器403的第二端和探测器407的输入端相连，探测器407的输出端和采集卡408的输入端相连，耦合器403的第三端和第一法拉第旋转镜404相连，耦合器403的第四端和第二法拉第旋转镜405相连。
示例性的，激光信号由激光器101输入，依次经由隔离器102、声光调制器103、掺铒光纤放大器和滤波器，再经由环形器2的第一输出端输出至传感光纤301，传感光纤301沿线的振动信号在预设时间内产生后向瑞利散射信号，后向瑞利散射信号再依次经由环形器2的第一输入端和第二输出端输出至解调单元4。
进入解调单元4后的后向瑞利散射信号经由掺铒光纤放大器、滤波器，一部分耦合器403的第一端和耦合器403的第三端进入第一法拉第旋转镜404，再由第一法拉第旋转镜404反射至耦合器403的第三端，另一部分经由耦合器403的第四端输出至第二法拉第旋转镜405，第二法拉第旋转镜405处设置有第二压电陶瓷406，通过第二压电陶瓷406加载有载波信号以对另一部分后向瑞利散射信号进行调制，调制后的后向瑞利散射信号被第二法拉第旋转镜405反射至耦合器403的第四端，耦合器403第四端和耦合器403第三端的后向瑞利散射信号均由输出至耦合器403的第二端并相互干涉被采集卡408采集，采集卡408和控制器连接，采集卡408将采集到的信号输出至控制器，在控制器内对干涉光产生的解调信息进行处理。
在一些示例中，参照图2和图3，分布式光纤声波传感***的测量方法包括以下步骤：
S100：采集传感光纤301沿线中的振动信号在预设时间段内产生的后向瑞利散射信号。
示例性的，在对分布式光纤声波传感***进行测试时，可以搭建分布式光纤声波传感***，在函数发生器1031上给传感光纤301上的第一压电陶瓷302施加一个振动信号，并采用分布式光纤声波传感***采集传感光纤301沿线在预设时间段内产生的后向瑞利散射信号。
S200: 对采集到的后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，第一解调信息包括传感光纤301沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息。
示例性的，对采集到的后向瑞利散射信号进行相位解调，得到第一解调信息。
S300: 通过第一解调信息构建原始二维图像，原始二维图像包括对应预设时间段内传感光纤301沿线各个位置的第一解调信息形成的时间-距离域的图像。
示例性的，原始二维图像包括时间-距离域的二维图形信息或者时间-距离域的二维矩阵信息。
S400: 对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像。
示例性的，除噪二维图像包括时间-距离域的二维图形信息或者时间-距离域的二维矩阵信息。
S410: 通过离散小波变换函数将原始二维图像进行小波分解，得到原始二维图像对应的多个子图像。
S420：调整小波分解的级别以得到对应个数的子图像，获取并处理子图像的高频分量和低频分量，以消除子图像上的异常值得到除噪子图像。
S430：将除噪子图像的高频分量和低频分量采用逆离散小波变换函数进行小波重构，得到除噪二维图像。
S500: 根据除噪二维图像重构第二解调信息，第二解调信息包括传感光纤301沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
S510: 提取第二解调信息中振动信号的时域信息。
图4是采用相关技术中分布式光纤声波传感***的测量方法所测量的振动信号的解调信息对应的二维图像。图5是采用本申请实施例提供的一种分布式光纤声波传感***的测量方法所测量的振动信号的解调信息对应的二维图像。图6是图4中的二维图像对应的振动位置时域图。图7是图5中的二维图像对应的振动位置时域图。
示例性的，参照图4，图4中的示意图为采用相关技术中分布式光纤声波传感***对施加于传感光纤301上的振动信号进行测量，观察图3可以看出，图3中的A区域有多处高亮干扰a，且B区域的振动信号模拟图处也存在多处干扰，致使B区域的振动信号模拟图分辨率较低。
参照图5，图5中的示意图为采用本申请实施例中的分布式光纤声波传感***的测量方法对传感光纤301沿线的振动信号进行测量，观察图5可以看出，相较于图4，图5中和图4中A区域对应的A1区域高亮干扰减少变暗，同样的，图4中和图3中B区域对应的B1区域的高亮干扰也减少，B1区域的振动信号图的分辨率较高。
同样的，参照图6是图4中的二维图像对应的振动位置时域图，曲线C为振动信号的振动位置时域曲线，参照图7是图5中的二维图像对应的振动位置时域图，曲线D为振动信号的振动位置时域曲线。由图6和图7对比可知，图7中的振动位置时域曲线相较于图6中的振动位置时域曲线波动幅度较小。
由图4和图5对比，以及图6和图7对比可以得出，采用分布式光纤声波传感***的测量方法对某一施加于传感光纤301上的振动信号进行测量，去除了噪声对振动信号的干扰，提高了测量的精确性。
一种分布式光纤声波传感***，包括解调单元4和控制器，解调单元4和控制器通过信号连接；
解调单元4被配置为采集预设时间段内的后向瑞利散射信号，后向瑞利散射信号包括振动信号在分布式光纤声波传感***产生的信号；
解调单元4，还被配置为对采集到的后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，第一解调信息包括传感光纤301沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息；
控制器被配置为通过第一解调信息构建原始二维图像，二维图像包括对应预设时间段内传感光纤301沿线各个位置的第一解调信息形成的时间-距离域图像；
控制器还被配置为对原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；
控制器还被配置为根据除噪二维图像重构第二解调信息，第二解调信息包括传感光纤301沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
本申请实施例还提供了一种分布式光纤声波传感***，采用上述方案中任一技术方案中的测量方法，因而具有上述任一技术方案的测量方法的全部有益效果，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，包括：
采集传感光纤沿线中的振动信号在预设时间段内产生的后向瑞利散射信号；
对采集到的所述后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，所述第一解调信息包括传感光纤沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息；
通过所述第一解调信息构建原始二维图像，所述原始二维图像包括对应所述预设时间段内传感光纤沿线各个位置的所述第一解调信息形成的时间-距离域的图像；
对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；
根据所述除噪二维图像重构第二解调信息，所述第二解调信息包括传感光纤沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，所述对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，包括，
通过离散小波变换函数将所述原始二维图像进行小波分解，得到所述原始二维图像对应的多个子图像。
3.根据权利要求2所述的分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，所述对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，还包括，
调整所述小波分解的级别以得到对应个数的子图像，获取并处理所述子图像的高频分量和低频分量，以消除所述子图像上的异常值得到除噪子图像。
4.根据权利要求3所述的分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，所述小波分解的级别存在调整阈值，在所述调整阈值内，所述小波分解的级别越高，得到所述除噪子图像的异常值越少。
5.根据权利要求3所述的分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，所述对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，还包括，将所述除噪子图像的高频分量和低频分量采用逆离散小波变换函数进行小波重构，得到所述除噪二维图像。
6.根据权利要求1-5任一项所述的分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，根据所述除噪二维图像重构第二解调信息之后，包括，提取所述第二解调信息中振动信号的时域信息。
7.根据权利要求1-5任一项所述的分布式光纤声波传感***的测量方法，其特征在于，所述原始二维图像和所述除噪二维图像均包括时间-距离域的二维图形信息或者时间-距离域的二维矩阵信息。
8.一种分布式光纤声波传感***，其特征在于，包括解调单元和控制器，所述解调单元和所述控制器通过信号连接；
所述解调单元被配置为采集预设时间段内的后向瑞利散射信号，所述后向瑞利散射信号包括振动信号在所述分布式光纤声波传感***产生的信号；
所述解调单元，还被配置为对采集到的所述后向瑞利散射信号进行解调，得到第一解调信息，所述第一解调信息包括传感光纤沿线各个位置的包含噪声信息的解调信息；
所述控制器被配置为通过所述第一解调信息构建原始二维图像，所述二维图像包括对应所述预设时间段内传感光纤沿线各个位置的所述第一解调信息形成的时间-距离域图像；
所述控制器还被配置为对所述原始二维图像进行二维小波变换图像处理，以消除噪声信息得到除噪二维图像；
所述控制器还被配置为根据所述除噪二维图像重构第二解调信息，所述第二解调信息包括传感光纤沿线各个位置的消除噪声信息后的解调信息。
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