本發(fā)明涉及分布式光纖傳感儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種長(zhǎng)距離光頻域反射光纖分布式多點(diǎn)擾動(dòng)傳感方法。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)距離的分布式擾動(dòng)傳感廣泛應(yīng)用于民生、國(guó)防安全等多個(gè)領(lǐng)域中，如海底光纜、石油管道、周界安全等重點(diǎn)部位的安全監(jiān)控，利用光頻域反射中單模光纖瑞利散射光譜移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高精度、高空間分辨率、以及長(zhǎng)距離的分布式擾動(dòng)(振動(dòng))傳感。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種長(zhǎng)距離光頻域反射光纖分布式多點(diǎn)擾動(dòng)傳感方法，本發(fā)明克服現(xiàn)有基于光頻域反射的光纖擾動(dòng)傳感中，對(duì)多點(diǎn)擾動(dòng)位置無(wú)法區(qū)分，傳感信號(hào)噪聲較大以及空間分辨率不高等問(wèn)題，盡可能針對(duì)擾動(dòng)對(duì)傳感信號(hào)造成的本質(zhì)影響提出測(cè)量多點(diǎn)擾動(dòng)的新型算法，進(jìn)而區(qū)分多點(diǎn)擾動(dòng)、降噪與提高其空間分辨率，詳見(jiàn)下文描述：

一種長(zhǎng)距離光頻域反射光纖分布式多點(diǎn)擾動(dòng)傳感方法，所述多點(diǎn)擾動(dòng)傳感方法包括以下步驟：

計(jì)算光纖中本地瑞利散射光頻域信息的頻移，當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)事件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多點(diǎn)局部瑞利散射光頻域信號(hào)連續(xù)頻移；

通過(guò)定位和判斷連續(xù)頻移點(diǎn)起始位置，實(shí)現(xiàn)第一點(diǎn)擾動(dòng)位置定位和識(shí)別；

當(dāng)發(fā)生兩點(diǎn)同時(shí)擾動(dòng)事件時(shí)，由于第二點(diǎn)擾動(dòng)位置會(huì)造成光纖距離域信號(hào)上該位置功率產(chǎn)生凹陷波谷，尋找均值處理后背向瑞利散射距離域信號(hào)中的凹陷波谷，該凹陷波谷的位置即為第二點(diǎn)擾動(dòng)位置。

其中，所述通過(guò)定位和判斷連續(xù)頻移點(diǎn)起始位置，實(shí)現(xiàn)第一點(diǎn)擾動(dòng)位置定位和識(shí)別的步驟具體為：

頻移點(diǎn)作為疑似擾動(dòng)點(diǎn)，疑似擾動(dòng)點(diǎn)若為真實(shí)擾動(dòng)信號(hào)，在該疑似擾動(dòng)點(diǎn)之后一段距離表現(xiàn)特征為幅值產(chǎn)生連續(xù)變化，以此實(shí)現(xiàn)第一點(diǎn)擾動(dòng)位置定位和識(shí)別。

其中，所述均值處理具體為：

采用信號(hào)均值方法降噪，在距離域以一定數(shù)量為窗，依次對(duì)窗內(nèi)數(shù)據(jù)取平均。

其中，所述多點(diǎn)擾動(dòng)傳感方法中使用的應(yīng)變傳感裝置，包括：

可調(diào)諧激光器、1:99光分束器、計(jì)算機(jī)、gpib控制模塊、附加干涉儀、以及主干涉儀。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：該方法是根據(jù)擾動(dòng)與應(yīng)變的相近關(guān)系——擾動(dòng)位置必然存在較多擾動(dòng)，基于光頻域反射中單模光纖瑞利散射光譜移動(dòng)進(jìn)行分布式應(yīng)變測(cè)量，根據(jù)應(yīng)變位置判定初始擾動(dòng)位置。以存在頻移點(diǎn)作為疑似擾動(dòng)點(diǎn)，由于擾動(dòng)造成擾動(dòng)點(diǎn)之后頻移信號(hào)處于不斷變化之中，因此以該點(diǎn)之后一段距離信號(hào)的幅值變化為特征。由于多點(diǎn)擾動(dòng)無(wú)法通過(guò)應(yīng)變信息進(jìn)行區(qū)分，因此在通過(guò)上述方法取得初始擾動(dòng)點(diǎn)位置后，以另一方法區(qū)分后點(diǎn)擾動(dòng)。由于后點(diǎn)擾動(dòng)造成光纖距離域信號(hào)上該位置產(chǎn)生凹陷，故以此為特征區(qū)分多點(diǎn)擾動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1為一種長(zhǎng)距離光頻域反射光纖分布式多點(diǎn)擾動(dòng)傳感方法的流程圖；

圖2為運(yùn)用光頻域反射系統(tǒng)測(cè)量百公里長(zhǎng)度擾動(dòng)的傳感采集信息裝置的示意圖；

圖3a為光纖所受應(yīng)變信息的示意圖；

圖3b為非擾動(dòng)信號(hào)的示意圖；

圖3c為擾動(dòng)信號(hào)的示意圖；

圖3d為初始擾動(dòng)點(diǎn)位置的示意圖；

圖3e為距離域信號(hào)的示意圖；

圖3f為局部均值方法降噪后的有擾動(dòng)和無(wú)擾動(dòng)信號(hào)的示意圖；

圖3g為第二擾動(dòng)點(diǎn)位置的示意圖。

附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：

1：可調(diào)諧激光器；2：1:99光分束器；

3：50:50分束器；4：偏振控制器；

5：環(huán)形器；6：50:50耦合器；

7：第一偏振分束器；8：第二偏振分束器；

9：第一平衡探測(cè)器；10：第二平衡探測(cè)器；

11：采集裝置；12：第一擾動(dòng)源；

13：第二擾動(dòng)源；14：計(jì)算機(jī)；

15：參考臂；16：測(cè)量臂；

17：主干涉儀；18：附加干涉儀；

19：gpib控制器；20：傳感光纖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本方法是由于擾動(dòng)與應(yīng)變的同性關(guān)系——擾動(dòng)位置必然存在較多應(yīng)變變化，故可根據(jù)光纖傳感獲得的光纖所受應(yīng)變信息來(lái)判斷初始點(diǎn)擾動(dòng)位置。以存在頻移點(diǎn)作為疑似擾動(dòng)點(diǎn)，由于擾動(dòng)造成擾動(dòng)點(diǎn)之后頻移信號(hào)處于不斷變化之中，因此以該點(diǎn)之后一段距離信號(hào)的幅值變化為特征。由于多點(diǎn)擾動(dòng)無(wú)法通過(guò)應(yīng)變信息進(jìn)行區(qū)分，因此在通過(guò)上述方法取得初始擾動(dòng)點(diǎn)位置后，以另一方法區(qū)分后點(diǎn)擾動(dòng)。由于后點(diǎn)擾動(dòng)造成光纖距離域信號(hào)上該位置產(chǎn)生凹陷，故以此為特征區(qū)分多點(diǎn)擾動(dòng)。

假設(shè)在待測(cè)光纖中的某一位置存在一擾動(dòng)事件，其振動(dòng)會(huì)引起測(cè)試臂中測(cè)試光場(chǎng)e的相位變化及損耗反射率r的變化。振動(dòng)引起的相位變化可以表示為：

其中，fm是振動(dòng)頻率，δ是相位的調(diào)制幅度。而損耗反射率亦因振動(dòng)而衰減，造成距離域信號(hào)幅值下降。本發(fā)明實(shí)施例所提出的針對(duì)百公里光纖分布式傳感測(cè)量多點(diǎn)擾動(dòng)的新型算法，即利用上述原理特性進(jìn)行擾動(dòng)位置檢測(cè)。

假設(shè)n是本地瑞利散射的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，其值等于移動(dòng)窗的寬度，δx是振動(dòng)時(shí)間的空間分辨率或定位精度，δx可以表示：

δx＝nδz

其中，δz是每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間分辨率，通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例提出的針對(duì)百公里光纖分布式傳感測(cè)量多點(diǎn)擾動(dòng)的新型算法可以有效的降低移動(dòng)窗的寬度，將窗口點(diǎn)數(shù)由800點(diǎn)降至400點(diǎn)，空間分辨率由26.7米提升至13.3米。

針對(duì)擾動(dòng)對(duì)于距離域信號(hào)的影響進(jìn)行分析，擾動(dòng)造成對(duì)應(yīng)距離域信號(hào)產(chǎn)生凹陷，即成“v”形，原因在于背向瑞麗散射受擾動(dòng)影響，產(chǎn)生頻率展寬造成擾動(dòng)對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)幅度下降，相近頻率信號(hào)幅度上升，本發(fā)明實(shí)施例即以此方法判斷多點(diǎn)擾動(dòng)。

實(shí)施例1

一種光頻域反射，針對(duì)百公里光纖分布式傳感測(cè)量多點(diǎn)擾動(dòng)的新型算法，參見(jiàn)圖1和圖2，該新型算法包括以下步驟：

101：在光頻域反射儀的主干涉儀中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號(hào)，并對(duì)拍頻干涉信號(hào)分別進(jìn)行快速傅里葉變換，將光頻域信息轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)傳感光纖中各個(gè)位置的瑞利散射距離域信息，對(duì)距離域信息通過(guò)一定寬度的移動(dòng)窗依次選取光纖的各個(gè)位置形成本地距離域信息；

102：將前后兩個(gè)時(shí)刻采集的兩次信號(hào)作為參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)，利用移動(dòng)窗選取傳感光纖瑞利散射的本地距離域信息，將其利用復(fù)數(shù)傅里葉反變換，再轉(zhuǎn)換到光頻域得到參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的本地光頻域信息；

103：利用互相關(guān)運(yùn)算對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的本地光頻域信息進(jìn)行互相關(guān)峰頻移估計(jì)；

104：以存在頻移點(diǎn)作為疑似擾動(dòng)點(diǎn)，以該疑似擾動(dòng)點(diǎn)之后一段距離信號(hào)的互相關(guān)峰是否出現(xiàn)超過(guò)一定閾值的頻移為特征進(jìn)行判斷，如果是，執(zhí)行步驟105，如果否，執(zhí)行步驟106；

105：疑似擾動(dòng)點(diǎn)為真實(shí)擾動(dòng)信號(hào)，即在該疑似擾動(dòng)點(diǎn)之后一段距離表現(xiàn)特征依然存在互相關(guān)峰頻移，以此特征判斷初始擾動(dòng)點(diǎn)位置，執(zhí)行步驟107；

106：疑似擾動(dòng)點(diǎn)中為非擾動(dòng)信號(hào)，互相關(guān)峰頻移在該疑似擾動(dòng)點(diǎn)之后一段距離表現(xiàn)特征為孤立峰，不存在互相關(guān)峰頻移，流程結(jié)束；

107：通過(guò)局部信號(hào)平均和凹陷波谷可識(shí)別出第二擾動(dòng)點(diǎn)位置。

其中，由于本地光頻域瑞利散射信息的頻移特征只能識(shí)別一點(diǎn)擾動(dòng)(即初始擾動(dòng)點(diǎn)位置)，針對(duì)擾動(dòng)對(duì)于距離域信號(hào)的影響進(jìn)行分析，擾動(dòng)造成對(duì)應(yīng)距離域信號(hào)產(chǎn)生凹陷，即成“v”形，原因在于背向瑞麗散射受擾動(dòng)影響，產(chǎn)生頻率展寬造成擾動(dòng)對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)幅度下降，相近頻率信號(hào)幅度上升。第二擾動(dòng)點(diǎn)位置(即第二點(diǎn)擾動(dòng)事件)會(huì)引起瑞利散射距離域信息發(fā)生凹陷，通過(guò)局部信號(hào)平均和凹陷波谷可識(shí)別出第二點(diǎn)擾動(dòng)事件。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用信號(hào)均值方法降噪，在距離域以400點(diǎn)為窗(對(duì)應(yīng)空間分辨率13.33米)，依次對(duì)窗內(nèi)數(shù)據(jù)取平均，對(duì)應(yīng)于分辨率為13.3米的距離域信號(hào)。尋找均值處理后背向瑞利散射距離域信號(hào)中的凹陷波谷，該凹陷波谷位置即為第二點(diǎn)擾動(dòng)位置，以上述方法區(qū)分多點(diǎn)擾動(dòng)。

其中，本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用到的擾動(dòng)傳感裝置，如圖2所示。該擾動(dòng)傳感裝置包括：可調(diào)諧激光器1、1:99光分束器2、計(jì)算機(jī)14、gpib控制模塊19、附加干涉儀18、主干涉儀17。

主干涉儀17包括：50:50分束器3、偏振控制器4、環(huán)形器5、50:50耦合器6、第一偏振分束器7、第二偏振分束器8、第一平衡探測(cè)器9、第二平衡探測(cè)器10、采集裝置11、參考臂15和測(cè)試臂16。主干涉儀17是光頻域反射儀的核心，其為改進(jìn)型馬赫澤德干涉儀。

gpib控制模塊19輸入端與計(jì)算機(jī)14相連；gpib控制模塊19輸出端與可調(diào)諧激光器1相連；可調(diào)諧激光器1與1:99光分束器3的a端口相連；1:99光分束器3的b端口與附加干涉儀4的一端相連；1:99光分束器2的c端口與50:50分束器3的a端口相連；50:50分束器3的b端口通過(guò)參考臂15與偏振控制器4的輸入端相連；50:50分束器3的c端口通過(guò)測(cè)試臂16與環(huán)形器5的a端口相連；偏振控制器4的輸出端與50:50耦合器6的a端口相連；環(huán)形器5的b端口與50:50耦合器6的b端口相連；環(huán)形器5的c端口與傳感光纖20相連；50:50耦合器6的c端口與第一偏振分束器7的輸入端相連；50:50耦合器6的d端口與第二偏振分束器8的輸入端相連；第一偏振分束器7的輸出端分別與第一平衡探測(cè)器9的輸入端、第二平衡探測(cè)器10的輸入端相連；第二偏振分束器8的輸出端分別與第一平衡探測(cè)器9的輸入端、第二平衡探測(cè)器10的輸入端相連；第一平衡探測(cè)器9的輸出端與采集裝置11的輸入端相連；第二平衡探測(cè)器10的輸出端與采集裝置11的輸入端相連；采集裝置11的輸出端與計(jì)算機(jī)14相連。

裝置工作時(shí)，計(jì)算機(jī)14通過(guò)gpib控制模塊19控制可調(diào)諧激光器1控制調(diào)諧速度、中心波長(zhǎng)、調(diào)諧啟動(dòng)等；可調(diào)諧激光器1的出射光由1:99光分束器2的a端口進(jìn)入，從1:99光分束器2的c端口進(jìn)入50:50分束器3的a端口；經(jīng)過(guò)50：50分束器3從b端口進(jìn)入?yún)⒖急?5中的偏振控制器4，從c端口進(jìn)入測(cè)試臂16上的環(huán)行器5的a端口；光從環(huán)行器5的a端口進(jìn)入，從環(huán)行器5的c端口進(jìn)入傳感光纖20，而細(xì)徑光纖的背向散射光從環(huán)行器5端口c端口進(jìn)入，從環(huán)行器5端口b端口輸出；參考臂15中的偏振控制器4輸出的參考光通過(guò)第二50:50耦合器6的a端口與環(huán)行器5上的背向散射光通過(guò)50:50耦合器6的b端口進(jìn)形合束，形成拍頻干涉并從50:50耦合器6的c端口和d端口輸出至第一偏振分束器7和第一偏振分束器8，第一偏振分束器7和第一偏振分束器8通過(guò)第一平衡探測(cè)器9和第二平衡探測(cè)器10對(duì)應(yīng)采集兩個(gè)偏振分束器輸出的正交方向的信號(hào)光，第一平衡探測(cè)器9和第二平衡探測(cè)器10將輸出的模擬電信號(hào)傳輸至采集裝置11，采集裝置14將采集到的模擬電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)14。

gpib控制模塊19用于計(jì)算機(jī)14通過(guò)其控制可調(diào)諧激光器1。

可調(diào)諧激光器1用于為光頻域反射系統(tǒng)提供光源，其光頻能夠進(jìn)行線性掃描。

偏振控制器12作用是調(diào)節(jié)參考光偏振態(tài)，使其在偏振分束時(shí)兩個(gè)正交方向上光強(qiáng)基本一致。

50:50耦合器6完成對(duì)信號(hào)進(jìn)行偏振分束，消除偏振衰落噪聲的影響。

計(jì)算機(jī)14：對(duì)采集裝置11采集的干涉信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)基于光纖瑞利散射光譜移動(dòng)量的分布式應(yīng)變傳感。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說(shuō)明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例利用擾動(dòng)必然引起應(yīng)變變化的直接關(guān)系與擾動(dòng)干擾范圍性信號(hào)的特點(diǎn)，作為區(qū)分?jǐn)_動(dòng)范圍與靜止范圍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。利用擾動(dòng)對(duì)距離域信號(hào)產(chǎn)生的損耗特點(diǎn)作為其多點(diǎn)擾動(dòng)位置區(qū)分的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)施例2

下面結(jié)合具體的附圖3a-3g對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見(jiàn)下文描述：

本發(fā)明實(shí)施例所使用方法對(duì)應(yīng)案例如下所示。

參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的本地光頻域信息，利用互相關(guān)運(yùn)算對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的本地光頻域信息進(jìn)行頻移估計(jì)，存在頻移位置即存在應(yīng)變位置，即光纖所受應(yīng)變信息，如圖3a所示。

以存在頻移點(diǎn)作為疑似擾動(dòng)點(diǎn)，由于擾動(dòng)造成擾動(dòng)點(diǎn)之后頻移信號(hào)處于不斷變化之中，因此以該點(diǎn)之后一段距離信號(hào)的頻移幅度變化為特征，疑似擾動(dòng)點(diǎn)中非擾動(dòng)信號(hào)，在該點(diǎn)之后一段距離表現(xiàn)特征為孤立峰，不存在連續(xù)起伏，如圖3b所示；疑似擾動(dòng)點(diǎn)中真實(shí)擾動(dòng)信號(hào)，在該點(diǎn)之后一段距離表現(xiàn)特征為頻移幅度產(chǎn)生連續(xù)變化，如圖3c所示。對(duì)于真實(shí)擾動(dòng)信號(hào)，在頻移幅度產(chǎn)生連續(xù)變化中第一個(gè)點(diǎn)發(fā)生頻移的位置，作為第一個(gè)擾動(dòng)點(diǎn)位置，如圖3d所示，其中將頻移歸一化，以易于與初始擾動(dòng)判斷比較。

由于多點(diǎn)擾動(dòng)無(wú)法通過(guò)應(yīng)變信息進(jìn)行區(qū)分，因此在通過(guò)上述方法取得初始擾動(dòng)點(diǎn)位置后，以另一方法區(qū)分后點(diǎn)擾動(dòng)。針對(duì)擾動(dòng)對(duì)于距離域信號(hào)的影響進(jìn)行分析，擾動(dòng)造成對(duì)應(yīng)距離域信號(hào)產(chǎn)生凹陷，即成“v”形，原因在于背向瑞麗散射受擾動(dòng)影響，產(chǎn)生頻率展寬造成擾動(dòng)對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)幅度下降，相近頻率信號(hào)幅度上升。由于后點(diǎn)擾動(dòng)造成光纖距離域信號(hào)上該位置產(chǎn)生較大凹陷，如圖3e所示，故以此為特征作為第二點(diǎn)擾動(dòng)特征。

首先，以局部均值方法降噪，在距離域以400點(diǎn)為窗(對(duì)應(yīng)空間分辨率13.33米)。依次對(duì)窗內(nèi)數(shù)據(jù)取平均，對(duì)應(yīng)于分辨率為13.3米的距離域信號(hào)，如圖3f所示。

為降低信號(hào)噪聲且為與判斷初始擾動(dòng)位置所用方法的分辨率一致，因此在距離域以400點(diǎn)為窗(對(duì)應(yīng)空間分辨率13.33米)。依次對(duì)窗內(nèi)數(shù)據(jù)取平均，對(duì)應(yīng)于分辨率為13.3米的距離域信號(hào)，以“v”型特征的最低點(diǎn)作為第二點(diǎn)擾動(dòng)定位位置，如圖3g所示，得以區(qū)分兩點(diǎn)位置擾動(dòng)，進(jìn)而以此方法以區(qū)分多點(diǎn)位置擾動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說(shuō)明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。