CN102384799A - 基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法 - Google Patents

基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法 Download PDF

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本发明公开了一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，对锁定光纤区段和其他光纤区段上各点的频谱拟合和温度解调要分开来进行。对整段光纤而言，锁定的“精扫频”光纤区段是温度/应变异常的区段，是测量关注的重点区段，测量精度高；而其他区段是温度/应变正常的区段，测量精度低。本发明解决了现有技术中基于相干检测方案的BOTDR技术中扫频及数据处理方法耗时长，数据量过多，不能满足一些测量场合实时性的要求，且容易造成系统数据堵塞的问题，提供了一种能够快速构建布里渊频谱和处理数据，稳定性好，同时又不损害系统测量的精度的扫频方法和数据处理方法。

Description

基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法
技术领域
本发明属于高速数据处理领域，涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于布里渊散射效应的光时域反射计（BOTDR）的布里渊频谱的实时频谱构建方法及其数据处理方法。
背景技术
布里渊（Brillouin）散射是光在光纤中传输的过程中发生的一种非线性效应，其散射光相对入射光产生频移，且该频移的大小与光纤材料中的声速成正比，而声速与光纤的温度和所受的应力有关，因此布里渊频移随着温度与应力的变化而变化。典型的布里渊频移量为几十吉赫兹。理论和实验证明，光纤中的布里渊散射信号的布里渊频移与光纤周围的温度和应变近似呈线性变化关系，因此利用这种原理可以制成基于布里渊散射效应的光时域反射计（BOTDR），用来测量光纤沿线受到的温度和应力分布。
目前获得布里渊频移的方案主要有两种：直接检测方案和相干检测方案。
1、直接检测方案。该种方案采用高精度的光纤光栅、F-P干涉仪或Mach-Zehnder干涉仪对从传感光纤回来的散射光直接进行滤波，取出有用的自发布里渊散射光，从中得到温度和应变信息。总体来讲，直接检测法有较大的插入损耗，且工作不稳定，检测精度不高，如何应用于实际系统还需要进一步的研究。
2、相干检测方案。该方案是在发射端利用声光频移、电光频移或者微波外差方法获得具有一定频差的参考光，然后利用参考光与后向布里渊散射光进行相干检测。与直接检测法相比，相干检测法的系统构成较复杂，但测量距离增大，测量时间缩短，因此国内外对相干检测的研究较多。为了使后向布里渊散射光与本征参考光的频差位于外差接收机的频带范围内，该方法首先需要采用光学移频装置将参考光或探测光移频约11GHz，然后通过频率扫描（简称“扫频”）的方式构建完整的布里渊频谱，之后通过曲线拟合方法获得布里渊频谱中心频率，进而根据布里渊频谱中心频率的变化量，计算得到引起该变化量的温度或应变。本发明即是一种基于相干检测方案的快速的扫频及数据处理方法。
传统的扫频和数据处理方法是，按照固定的频率间隔，依次改变参考光的频率，获得布里渊散射谱中各频率点对应的光功率（进行光电转换后对应为不同的电压），再将光纤上每一个位置对应的一组不同频率点的布里渊散射光功率进行洛伦兹（Lorentz）曲线拟合，得到布里渊频谱的中心频率，最后根据该中心频率的变化量计算得到光纤上该位置对应的温度或者应变信息。
由于布里渊散射信号具有较大的半峰全宽（普通单模光纤的布里渊频谱的半峰全宽为几十兆赫兹）且信号的信噪比很低，在较大的频率区间内，需要增加累加次数、缩小扫频间隔才能提高测量精度。但是，在BOTDR系统的测量距离和测温范围固定的情况下，累加次数越多、扫频间隔越小，所需的测量时间就越长。以测量距离为5km、测温范围为200℃（即需要设定初始频率范围约为200MHz）、128次累加平均处理的布里渊散射分布式光纤温度传感器为例，假设采用传统的扫频和数据处理方式，设定固定扫频间隔为1MHz，单个频率点下完成一次信号采集和传输的时间为0.2秒。那么根据上述指标，单个频率点的测量时间约为25.6秒，扫描完整个频率区间所需的时间为5120秒。也就是说，即使忽略整段光纤上5000个点进行洛伦兹拟合的时间，采用传统的扫频及数据处理方法所需的测量时间也约为85分钟。同时，在上述处理过程中，系统总共需要对1000兆数据进行采集和处理和存储。因此在实际测量中为了节省系统的测量时间和存储空间，往往采取增大扫频间隔的方式，但是这样是以牺牲系统的测量精度为代价的。因此，传统的扫频及数据处理方法使得布里渊分布式光纤传感系统（BOTDR）单次测量的时间过长、数据量巨大，不仅难以满足一些测量场合实时性的要求，而且容易造成系统数据堵塞，降低稳定性。
发明内容
为了解决现有技术中基于相干检测方案的BOTDR技术中扫频及数据处理方法耗时长，数据量过多，不能满足一些测量场合实时性的要求，且容易造成系统数据堵塞的问题，本发明提供了一种能够快速构建布里渊频谱和处理数据，稳定性好，同时又不损害系统测量的精度的扫频方法和数据处理方法。
本发明的原理是：本发明对锁定光纤区段和其他光纤区段上各点的频谱拟合和温度解调要分开来进行。在拟合过程中，由于锁定光纤区段布里渊频谱数据点密集，因此拟合的精度高，对应的测量精度也高；而其他光纤区段的布里渊频谱数据点稀疏，因此拟合精度较低，因此的对应的测量精度也较低。但是对整段光纤而言，锁定的“精扫频”光纤区段是温度/应变异常的区段，是测量关注的重点区段，测量精度高；而其他区段是温度/应变正常的区段，测量精度低，这就是本发明的创新所在，这是一种“自动变焦”的扫频和数据处理方法。
如图1所示，为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、采用较大的扫频间隔，在初始频率区间内，对全光纤段进行“粗扫频”；
2）、通过分析上述“粗扫频”所得数据，锁定“精扫频”的光纤区段，如果“精扫频”光纤区段不为零，转第3）步，如果“精扫频”光纤区段为零，转第5）步；
3）、进一步锁定“精扫频”的频率区间；
4）、采用较小的扫频间隔，在第3）步锁定的频率区间内，对上述锁定的光纤区段内进行“精扫频”；
5）、利用扫频得到的布里渊（Brillouin）频谱数据散点进行洛伦兹（Lorentz）曲线拟合，得到布里渊频谱的中心频率；
6）、根据布里渊频谱中心频率的变化量解调得到光纤周围温度/应力的变化。
本发明的有益效果是：本发明采用“自动变焦”方式进行扫频和数据处理，因此可以大大减少构建布里渊频谱所需的时间，并且快速锁定温度/应变异常的光纤区段，减少系统采集与处理的数据量，避免了不必要的时间和数据存储空间的浪费。因此，本方法与传统方法相比，更加快速、数据量小、系统更加稳定，局部精度高。
附图说明
图1为本发明BOTDR系统扫频及数据处理方法的流程图。
图2为本发明具体实施方式的流程图。
图3为本发明应用在BOTDR系统的总体系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图3所示，BOTDR系统中窄带连续波激光器1发出的连续光经95：5耦合器2被分成两路，一路作为探测光，另一路作为本地参考光。探测光路中，探测光经过电光调制器3被调制成脉冲光并被掺饵光纤放大器4放大之后，经光环形器5注入到传感光纤6中，探测脉冲光在传感光纤6中产生背向散射光，包含后向自发布里渊散射光（包含斯托克斯光和反斯托克斯光）和瑞利散射光，该背向散射光即为需要检测的信号光。该信号光经过环形器5后进入掺铒光纤放大器7被放大，之后进入50：50耦合器9与参考光相干；本地参考光路中，95：5耦合器2分出的另一路连续光进入微波电光调制系统8调制，调制后的参考光相对于光源1的频移约为11GHz。调制后的光信号与探测光路反射回来的斯托克斯布里渊散射光频率相距数百兆赫兹，两路光在耦合器9处相干，相干后的光信号经光电探测器10转换为电信号。为了检测光电探测器10输出的电信号，采用电外差接收法，通过数据处理装置14发出控制信号，控制外差接收机11产生不同频率的电信号，该电信号与光电探测器10中输出的电信号进行外差运算后进入带通滤波器12，然后进入模数转换装置13和数据处理装置14进行包络解调和降噪等处理，处理后的温度或者应变信息传送至上位机15进行显示输出。
数据处理装置14就是本发明的扫频及数据处理方法的实施装置。该装置可以采用硬件电路FPGA模块或者DSP模块来实现，也可以在上位机器中通过程序来实现。数据处理装置14通过串口或者USB接口或者其他数据传输通道向外差接收机11发出控制信号，控制频率扫描过程。如图2所示，数据处理装置14对控制系统扫频过程和进行数据处理的具体实施步骤为：
（1）、读取用户初始化设置的初始频率区间[Frq1, Frq2]。
（2）、设定较大的扫频间隔
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE002
，n需要适当选择，一般
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE004
。
（3）、在初始频率区间[Frq1, Frq2]内，对整段光纤进行“粗扫频”。该步骤分解为以下几小步：
a、设定射频源的频率为某一频率，采集含有温度或应变信息的幅度调制信号，采用Morlet小波变换对该信号进行处理，解调得到布里渊散射信号；具体步骤为：先对采集得到的数字信号序列
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE006
进行快速傅里叶变换（FFT）得到频域信号，然后在两个不同尺度
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE008
和（
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE012
和的典型值分别为20ns和40ns）下乘以Morlet小波的频域函数，最后再进行快速逆傅里叶变换（IFFT）得到小波变换后的时域函数
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE018
，最后通过式
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE022
提取不同尺度下的包络分量
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE026
，并将这两个尺度下的信号进行重组得到最终的包络信号，即完成了一个频率点下布里渊散射信号的提取。
b、对步骤a中得到的布里渊散射信号进行N次采集和包络解调，并进行N次累加平均处理，提高布里渊散射曲线的信噪比，即完成了一个频率点下的布里渊散射信号采集与处理。
（4）、分析步骤（3）中“粗扫频”所得数据，锁定“精扫频”的光纤区段。
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE028
具体实施步骤为：将步骤（3）中处理后的布里渊散射曲线与标定温度下采集得到的第一条布里渊散射曲线进行相比，如果数据比值超出正常范围，则该光纤区段被锁定为“精扫频”光纤区段
Figure 488613DEST_PATH_IMAGE028
，记录该光纤区段位置信息；否则，检查下一扫频点对应的布里渊曲线。如果所有“粗扫频”采集到的布里渊散射曲线都没有锁定光纤区段，则跳转至第（7）步，否则，跳转至第（5）步。
（5）、进一步锁定“精扫频”的频率区间。具体实施步骤为：从第（4）步中锁定的光纤区段对应的数据中选取数据中点，对该点光纤对应的布里渊稀疏谱数据进行洛伦兹曲线拟合，得到中心频率
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE030
和半高全宽，那么确定
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE034
为“精扫频”的频率区间。
（6）、将扫频间隔
Figure 2011103005785100002DEST_PATH_IMAGE036
调整至系统允许的最小值，在第（5）步锁定的频率区间
Figure 215873DEST_PATH_IMAGE034
内，对第（4）步锁定的光纤区段
Figure 57927DEST_PATH_IMAGE028
进行“精扫频”。
（7）、用扫频得到的布里渊（Brillouin）频谱数据散点进行洛伦兹（Lorentz）曲线拟合，得到布里渊频谱的中心频率。进行该步骤时，对锁定光纤区段和其他光纤区段上各点的频谱拟合和温度解调要分开来进行，拟合过程中采用Levenberg-Marquardt拟合算法和最小二乘准则进行，获得目标拟合函数的各个系数，最终得到所拟合谱线的中心频率。
（8）、根据布里渊频谱中心频率的变化量解调得到光纤周围温度/应力的变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (7)

1.一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、采用较大的扫频间隔，在初始频率区间内，对全光纤段进行“粗扫频”；
2）、通过分析上述“粗扫频”所得数据，锁定“精扫频”的光纤区段，如果“精扫频”光纤区段不为零，转第3）步，如果“精扫频”光纤区段为零，转第5）步；
3）、进一步锁定“精扫频”的频率区间；
4）、采用较小的扫频间隔，在第3）步锁定的频率区间内，对上述锁定的光纤区段内进行“精扫频”；
5）、利用扫频得到的布里渊（Brillouin）频谱数据散点进行洛伦兹（Lorentz）曲线拟合，得到布里渊频谱的中心频率；
6）、根据布里渊频谱中心频率的变化量解调得到光纤周围温度/应力的变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：1）的具体实施步骤为：
（1）、读取用户初始化设置的初始频率区间[Frq1, Frq2]；
（2）、设定较大的扫频间隔                                               
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE002
，n需要适当选择，一般
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）、在初始频率区间[Frq1, Frq2]内，对整段光纤进行“粗扫频”；该步骤包括以下几小步：
a、设定射频源的频率为某一频率，采集含有温度或应变信息的幅度调制信号，采用Morlet小波变换对该信号进行处理，解调得到布里渊散射信号；具体步骤为：先对采集得到的数字信号序列
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE006
进行快速傅里叶变换（FFT）得到频域信号，然后在两个不同尺度和
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE010
（和
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE014
的典型值分别为20ns和40ns）下乘以Morlet小波的频域函数，最后再进行快速逆傅里叶变换（IFFT）得到小波变换后的时域函数
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE016
和，最后通过式
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 2011103005785100001DEST_PATH_IMAGE022
提取不同尺度下的包络分量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，并将这两个尺度下的信号进行重组得到最终的包络信号，即完成了一个频率点下布里渊散射信号的提取；
b、对步骤a中得到的布里渊散射信号进行N次采集和包络解调，并进行N次累加平均处理，提高布里渊散射曲线的信噪比，即完成了一个频率点下的布里渊散射信号采集与处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：2）的具体实施步骤为：（4）、步骤（3）中处理后的布里渊散射曲线与标定温度下采集得到的第一条布里渊散射曲线进行相比，如果数据比值超出正常范围，则该光纤区段被锁定为“精扫频”光纤区段
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，记录该光纤区段位置信息；否则，检查下一扫频点对应的布里渊曲线。
4.根据权利要求3所述的一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：3）的具体实施步骤为：（5）、在（4）步骤中如果有“粗扫频”采集到的布里渊散射曲线在锁定光纤区段内，则跳转至第（5）步；（5）步骤从第（4）步中锁定的光纤区段对应的数据中选取数据中点，对该点光纤对应的布里渊稀疏谱数据进行洛伦兹曲线拟合，得到中心频率
Figure DEST_PATH_IMAGE030
和半高全宽
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，那么确定
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为“精扫频”的频率区间。
5.根据权利要求4所述的一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：4）的具体实施步骤为：（6）、将扫频间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE036
调整至系统允许的最小值，在第（5）步锁定的频率区间
Figure 270275DEST_PATH_IMAGE034
内，对第（4）步锁定的光纤区段
Figure 146964DEST_PATH_IMAGE028
进行“精扫频”。
6.根据权利要求5所述的一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：5）的具体实施步骤为：（7）、在（4）步骤中如果所有“粗扫频”采集到的布里渊散射曲线都没有锁定光纤区段，则跳转至第（7）步；（7）步骤用扫频得到的布里渊（Brillouin）频谱数据散点进行洛伦兹（Lorentz）曲线拟合，得到布里渊频谱的中心频率。
7.根据权利要求6所述的一种基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法，其特征在于：进行步骤（7）时，对锁定光纤区段和其他光纤区段上各点的频谱拟合和温度解调要分开来进行，拟合过程中采用Levenberg-Marquardt拟合算法和最小二乘准则进行，获得目标拟合函数的各个系数，最终得到所拟合谱线的中心频率。
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