一種分布式光纖傳感系統(tǒng)散射跡線平坦化方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于分布式光纖傳感領(lǐng)域及信號(hào)處理領(lǐng)域，設(shè)及一種分布式光纖傳感系統(tǒng) 散射跡線平坦化方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式光纖傳感技術(shù)是W光波作為載體，光纖作為媒質(zhì)，感知傳感光纖沿線外界 被測物理量的新型傳感技術(shù)，具有長距離連續(xù)傳感、損耗低、體積小、抗福射、耐腐蝕等眾多 優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注。利用光纖背向散射機(jī)制是實(shí)現(xiàn)長距離分布式光纖傳感的重要手 段。但工程現(xiàn)場的氣候和施工環(huán)境復(fù)雜多變，傳感光纜所處條件惡劣，給分布式光纖傳感系 統(tǒng)信號(hào)處理帶來了很大的挑戰(zhàn)。工程現(xiàn)場對(duì)分布式光纖傳感系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高，主 要有信噪比高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、連續(xù)無盲區(qū)傳感等。
[0003] 目前，分布式光纖傳感系統(tǒng)提高背向散射跡線信噪比的手段主要是降噪法，包括 平均降噪和小波降噪等。平均降噪是將多個(gè)光源脈沖周期內(nèi)接收到的多條背向散射跡線進(jìn) 行平均處理，來濾除信號(hào)中的隨機(jī)噪聲，對(duì)信號(hào)信噪比的提高有一定的幫助，但是具有效率 低、信號(hào)處理時(shí)間長W及不能有效地濾除散射跡線中固有的尖峰、凹谷和隨時(shí)間緩慢變化 的環(huán)境噪聲等缺點(diǎn)，不能滿足工程現(xiàn)場的需求；小波降噪首先對(duì)散射跡線進(jìn)行小波變換，然 后對(duì)變換得到的小波系數(shù)進(jìn)行處理，W去除其中包含的噪聲，最后進(jìn)行小波逆變換得到去 噪后的信號(hào)，該方法雖然能夠降低散射跡線的噪聲，但具有算法復(fù)雜、占用資源多，處理時(shí) 間長等明顯缺點(diǎn)，同樣不能滿足工程現(xiàn)場的要求。
[0004] 分布式光纖傳感系統(tǒng)通常采用增加冗余光纖的方法來消除傳感盲區(qū)，即在工程施 工時(shí)，在事先確定的光纜位置中增加一段冗余光纖W避開系統(tǒng)的傳感盲區(qū)。該方法雖然能 夠消除系統(tǒng)的傳感盲區(qū)，但是通常情況下，一個(gè)盲區(qū)需額外地增加一段冗余光纖、兩個(gè)光纖 烙接點(diǎn)和一個(gè)光纖接續(xù)盒，增加了光信號(hào)損耗，增加了施工難度和施工成本，降低了整個(gè)光 纜的性能和穩(wěn)定性。如果系統(tǒng)有多個(gè)傳感盲區(qū)，則該方法的缺點(diǎn)越明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題；本發(fā)明提供一種能夠?qū)⒎植际焦饫w傳感系統(tǒng)中光電探測器捕獲的散射 跡線平坦化，消除散射跡線中固有的及隨時(shí)間緩慢變化的尖峰和凹谷，使得傳感光纖沿線 的靈敏度變得均勻，并方便系統(tǒng)對(duì)外界物理量探測的分布式光纖傳感系統(tǒng)散射跡線平坦化 方法。本發(fā)明還消除了系統(tǒng)的傳感盲區(qū)，提高了系統(tǒng)傳感的空間動(dòng)態(tài)范圍，并提高了信號(hào)的 信噪比，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力。本發(fā)明同時(shí)提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的分布式 光纖傳感系統(tǒng)散射跡線平坦化裝置。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明的分布式光纖傳感系統(tǒng)散射跡線平坦化方法，包括W下步驟：
[0007] 1)同步信號(hào)發(fā)生模塊連續(xù)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)并同時(shí)傳送至光源驅(qū)動(dòng)模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，連續(xù)產(chǎn)生延時(shí)控制信號(hào)并發(fā)送給離散型數(shù)字延時(shí)器，所述觸發(fā)信號(hào)的周期為T，光源驅(qū) 動(dòng)模塊接收到所述的觸發(fā)信號(hào)后，產(chǎn)生寬度為T的電脈沖信號(hào)，且所述電脈沖信號(hào)的相位 與所述觸發(fā)信號(hào)的相位相同，再將所述電脈沖信號(hào)輸出到光源，由光源產(chǎn)生寬度為T的光 脈沖信號(hào)并傳輸至光纖光路，所述光脈沖信號(hào)的相位與所述電脈沖信號(hào)的相位相同；
[000引 2)所述光纖光路接收光源產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)后，產(chǎn)生背向散射光信號(hào)P(t)并 發(fā)送給光電探測器，所述光電探測器將捕獲的背向散射光信號(hào)P(t)轉(zhuǎn)換成背向散射電信 號(hào)V(t)，并同時(shí)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入接口和減法器的被減數(shù)信號(hào)輸入接口，其中 V(t)與P(t)滿足如下關(guān)系；
[0009] V(t) = GX a XP(t)
[0010] a和G分別為光電探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)和跨阻增益，t為時(shí)刻；
[0011] 3)所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在第i個(gè)觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)背向散射電信號(hào)V(t)作模 數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一列數(shù)字背向散射信號(hào)Ai (n)，并輸出至離散型數(shù)字延時(shí)器，其中Ai (n)與V (t) 滿足如下關(guān)系：
[001 引 Ai (n) = V ((i-1) X T+n X。
[0013] i為觸發(fā)信號(hào)的序數(shù)并取值為1，2,3,…，n為數(shù)字背向散射信號(hào)的序數(shù)并取值為 0,1，2,…，Z-1，Z為模數(shù)轉(zhuǎn)換器在觸發(fā)信號(hào)周期T內(nèi)的采樣長度，Z與T滿足： 了
[0014] Z 二一 S
[0015] S為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期；
[0016] 4)所述離散型數(shù)字延時(shí)器根據(jù)同步信號(hào)發(fā)生模塊輸出的延時(shí)控制信號(hào)控制延時(shí) 時(shí)間D，對(duì)數(shù)字背向散射信號(hào)Ai (n)作延時(shí)處理，產(chǎn)生一列延時(shí)數(shù)字背向散射信號(hào)Bj. (n)，并 輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中
[0017] D = NXT
[001 引 Bj (n) = Ai_N (n)
[0019] N為離散型數(shù)字延時(shí)器的延時(shí)周期數(shù)并取值為1，2, 3,…，j為延時(shí)數(shù)字背向散射 信號(hào)序列的序數(shù)并取值為1，2, 3,…，且j滿足：
[0020] j = i-N
[0021] 5)所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器對(duì)延時(shí)數(shù)字背向散射信號(hào)Bj.(n)作數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生延時(shí)背向 散射電信號(hào)C (t)，并輸出至減法器的減數(shù)信號(hào)輸入接口，其中C (t)滿足：
[0022] C(t) = V(t-NXT)
[0023] 6)所述的減法器對(duì)接收到的背向散射電信號(hào)V(t)和延時(shí)背向散射電信號(hào)C(t)作 減法運(yùn)算，并輸出平坦化背向散射電信號(hào)Y(t)為：
[0024] Y (t) = V (t) -V (t-N X T)。
[0025] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，同步信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)的周期T與光纖光 路的長度L滿足如下關(guān)系： 2L
[0026] ^ =-
[0027] 其中Vg表示光在纖巧中的傳播速度。
[002引本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，離散型數(shù)字延時(shí)器的延時(shí)周期數(shù)N與同步信號(hào)發(fā)生模 塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)的周期T滿足如下關(guān)系：
[0029] N = INT{---) %00廠
[0030] 其中INT為四舍五入取整函數(shù)，即取最接近的整數(shù)值。
[0031] 本發(fā)明的分布式光纖傳感系統(tǒng)散射跡線平坦化裝置，包括同步信號(hào)發(fā)生模塊、光 源驅(qū)動(dòng)模塊、光源、光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、離散型數(shù)字延時(shí)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā) 生模塊和減法器；
[0032] 所述同步信號(hào)發(fā)生模塊的觸發(fā)信號(hào)輸出接口同時(shí)與光源驅(qū)動(dòng)模塊的控制接口和 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制接口連接，所述同步信號(hào)發(fā)生模塊的控制信號(hào)輸出接口與離散型數(shù)字延 時(shí)器的控制接口相連接，所述光源驅(qū)動(dòng)模塊的輸出接口與光源的控制接口連接；所述光電 探測器的輸出接口同時(shí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入接口和減法器的被減數(shù)信號(hào)輸入接口連 接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出接口與離散型數(shù)字延時(shí)器的數(shù)據(jù)輸入接口相連，所述離散 型數(shù)字延時(shí)器的數(shù)據(jù)輸出接口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入接口相連，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號(hào) 輸出接口與所述的減法器的減數(shù)信號(hào)輸入接口相連；
[0033] 所述時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生模塊的時(shí)鐘輸出接口同時(shí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、離散型數(shù)字延時(shí)器和 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘輸入接口連接；
[0034] 所述光源的輸出作為整個(gè)裝置的光輸出接口，所述光電探測器的輸入作為整個(gè)裝 置的光輸入接口，所述減法器的輸出作為整個(gè)裝置的信號(hào)輸出接口。
[0035] 本發(fā)明裝置的優(yōu)選方案中，同步信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)的周期T與光纖光 路的長度L滿足如下關(guān)系： T-化
[0036] ^ =- 、縣。
[0037] 本發(fā)明裝置的優(yōu)選方案中，離散型數(shù)字延時(shí)器的延時(shí)周期數(shù)N與同步信號(hào)發(fā)生模 塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)的周期T滿足如下關(guān)系：
[003引 N 二 INT\ ---) %o()r
[0039] 其中INT為四舍五入取整函數(shù)，即取最接近的整數(shù)值。
[0040] 本發(fā)明裝置的優(yōu)選方案中，離散型數(shù)字延時(shí)器為現(xiàn)場可編程口陣列內(nèi)部開設(shè)的先 進(jìn)先出隊(duì)列緩存。
[0041] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0042] 本發(fā)明將光電探測器接收到的散射跡線分成兩路，一路信號(hào)延遲后與另一路信號(hào) 相減，通過控制離散型數(shù)字延時(shí)器的延時(shí)時(shí)間，巧妙地構(gòu)成了一個(gè)合適的帶通濾波器。
[0043] 本發(fā)明對(duì)低頻信號(hào)具有顯著的抑制效果，使得本發(fā)明能有效地抑制散射跡線中的 低頻背景噪聲，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。和平均降噪、小波降噪等傳統(tǒng)去噪方法相 比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0044] 本發(fā)明能夠消除由光纖光路結(jié)構(gòu)帶來的散射跡線中固有的尖峰或凹谷，方便了系 統(tǒng)對(duì)傳感信號(hào)的提取。同時(shí)，本發(fā)明能夠?yàn)V除由于傳感光纜外界環(huán)境及光纜內(nèi)部應(yīng)力不均 等因素導(dǎo)致的散射跡線上隨時(shí)間緩慢變化的凹凸，使得光纜沿線的傳感靈敏度變得均勻。
[0045] 本發(fā)明對(duì)于特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)具有增強(qiáng)作用，最高增益可達(dá)原來的2倍，能 夠?qū)Ψ植际焦饫w傳感系統(tǒng)所關(guān)屯、的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)更高效地傳感，提高了系統(tǒng)傳感的靈 敏度和系統(tǒng)的信噪比。
[0046] 本發(fā)明能夠消除系統(tǒng)的傳感盲區(qū)，使得系統(tǒng)在空間上能夠進(jìn)行連續(xù)的、不間斷的 傳感，提高了系統(tǒng)傳感的空間動(dòng)態(tài)范圍。相比于傳統(tǒng)的增加冗余光纖的方法，本發(fā)明不增加 任何冗余光纖、光纖烙接點(diǎn)和光纖接續(xù)盒，降低了施工的難度和成本，保證了傳感光纜的性 能和穩(wěn)定性。由于沒有額外的光信號(hào)損耗，在其它各項(xiàng)條件相同的情況下，本發(fā)明的傳感距 罔更長。
[0047] 本發(fā)明采用現(xiàn)場可編程口陣列內(nèi)部開設(shè)的先進(jìn)先出隊(duì)列緩存來實(shí)現(xiàn)離散型數(shù)字 延時(shí)器，和傳統(tǒng)的采用專用集成電路的方法相比，具有用戶可編程、參數(shù)配置靈活、延時(shí)時(shí) 間可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明提出的分布式光纖傳感系統(tǒng)散射跡線平坦化裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0049] 圖2為帶寬BW隨NT乘積值的變化關(guān)系圖；
[0050] 圖3為不同NT取值下，幅頻特性函數(shù)|H(j?) I隨頻率的變化關(guān)系圖；
[0化1] 圖4為光電探測器的硬件電路圖；
[0化2]圖5為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的硬件電路圖；
[005引圖6為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的I/O BANK0的硬件電路圖；
[0054] 圖7為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的I/O BANK1的硬件電路圖；
[005引圖8為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的I/O BANK2的硬件電路圖；
[0056] 圖9為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的I/O BANKS的硬件電路圖；
[0057] 圖10為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的I/O BANK4的硬件電路圖；
[005引 圖11為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的I/O BANKS的硬件電路圖；
[0059] 圖12為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的電源接口硬件電路圖；
[0060] 圖13為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的接地接口硬件電路圖；
[0061] 圖14為現(xiàn)場可編程口陣列腫GA)的GTP接口硬件電路圖；