CN103499383B - 一种提高光纤振动传感器定位精度的自相关定位方法 - Google Patents

Abstract

一种提高光纤振动传感器定位精度的自相关定位方法，属于光纤传感技术领域。本发明方法采用基于相位生成载波技术的Sagnac分布式光纤振动传感原理，利用自相关算法对相位变化量进行解调得到扰动的位置信息。本发明方法改进了传统的陷波点定位方法在非冲击扰动下定位不准确问题，提高了单芯干涉型光纤振动传感器的扰动定位精度。

Description

一种提高光纤振动传感器定位精度的自相关定位方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种分布式光纤振动传感器系统中的随机扰动定位方法。

背景技术

分布式光纤振动传感系统利用普通单模光纤作为敏感介质，通过测量扰动造成的相位变化对扰动进行定位，在基础设施和大型结构，如油气管道、油气储备基地、光缆、铁轨、边海防线以及重要设施周界安防等方面有着广阔的应用前景。随着我国油气管线输送项目建设的加快，国内油气管线对分布式光纤振动传感器的测量长度大幅提高，测量精度和定位准确等参数也要相应提高。长距离分布式光纤振动传感器基本采用与管道同埋的通讯光缆中的一芯或多芯，利用扰动导致的光传输的相位变化对扰动位置进行解调。

Sagnac光纤干涉仪系统是一种常见的干涉型分布式光纤振动传感系统，该系统运用光纤干涉系统中扰动点位置的不同，出现干涉信号频谱缺损位置的不同来实现对扰动点的定位。其特征是通过光路中传导光波不同时刻往返通过扰动点的频率与所对应的光纤长度进行定位，扰动位置L通过下式进行计算：

$L=\frac{(2k-1)\·c}{{4n}_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}\left(k\right)}$

其中k为自然数，c为真空中的光速，n_eff为光纤的有效折射率，f_null(k)为缺损谱中对应的第k个陷波点的特征频率。

从上式可以看出，扰动点位置通过寻找缺损谱中陷波点的波谷值f_null(k)并带入公式计算得到。而波谷值f_null(k)的寻找一般通过最小二乘法计算得到。对于地埋的光缆，不同振动特性对土壤振动衰减有明显差别，例如：撞击性振源比周期性振源衰减快；能量大的振源比能量小的振源衰减快；干扰频率高的振源比干扰频率低的振源衰减快。因此在受到非冲击扰动时，如碾踏光缆等低频缓变行为，振动衰减慢，振动波会在光缆一段区域持续传播，遇到边界条件变化就会发生反射。这样会导致缺损谱的陷波点出现叠加，导致了非等间隔的陷波点。这时如果仍旧采用最小二乘法来寻找陷波点的波谷值，会导致扰动定位不准确，而且误差较大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用自相关算法对时域信号进行解调从而对扰动进行精确定位的方法，解决了非快速冲击造成的错误陷波点所导致的扰动定位不准确问题。

本发明的技术解决方案是：一种提高光纤振动传感器定位精度的自相关定位方法，步骤如下：

（1）将sagnac干涉型光纤振动传感器输出的两路光强信号I₁与I₂，经过探测器光电转换、放大与低通滤波后，得到两路输出光强信号U₁和U₂，采用公式对U₁和U₂进行信号处理，得到与扰动造成的相位变化信号成正比的监测信号；其中φ₀是扰动的振幅，φ₀₁和φ₀₂是两干涉光路的初始相位，J₁(φ₀)为一阶贝塞尔函数，B为常数；

（2）对所述与成正比的监测信号的幅值进行监测，当监测信号的幅值超过设定的阈值时，截取包括超过阈值时刻及该时刻前后的一段时间的区间采样信号；

（3）对所述的采样信号进行带通滤波，并对带通滤波后的采样信号进行自相关运算，设置时延周期不为零得到自相关运算结果；选择测量范围内自相关系数最大时对应的周期性变化信号的周期T；

（4）利用公式计算得到扰动点的位置信息，其中X为扰动点与sagnac干涉型光纤振动传感器中的反射镜之间的距离，n为光纤折射率，c为光速。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法解决了在实际工程中地埋光缆受到低频非冲击扰动时，出现的非等间隔陷波点导致位置信息误报的问题。本发明采用时域方法提取自相关的时延周期信息，通过对比以往频率缺损谱需进行离散傅里叶变换并通过小波降噪等手段相比，显著的降低了信号计算的时间，实现了扰动预警的快速响应。

附图说明

图1为sagnac干涉型单芯光纤振动传感器的示意图；

图2为本发明方法的流程框图；

图3为存在错误陷波点的曲线图；

图4为解调得到的随机扰动时域相位变化曲线；

图5为对相位变化曲线做自相关处理得到的曲线。

具体实施方式

如图1所示，为sagnac干涉型单芯光纤振动传感器的示意图。图中A、B为光纤耦合器，C为反射镜，D为延时光纤，E为干涉仪的另一臂，光源为宽带光源。

由于采用了宽带光源，

①：A→D→B→C→B→E→A和②：A→E→B→C→B→D→A传输的光的光程差小于光源的相干长度，能够产生干涉信号；

③：A→D→B→C→B→D→A和④：A→E→B→C→B→E→A传输的光产生直流分量。

（1）测量原理

假设在距离反射镜为x的地方出现一个扰动：其中ω是扰动频率，是初始相位，φ₀是振幅。如图1所示，在光路中加载acos(ω₀t)的调制信号，a为调制幅度，ω₀为调制频率。当把探测器得到的信号与调制信号acos(ω₀t)混频相乘时，通过低通滤波可以滤掉调制频率ω₀和ω₀的高阶倍频量。这种方法可以保留低频的扰动量，而滤除高频的噪声。这就是相位生成载波解调技术，即PGC解调。

则传输光束①在t时刻受到调制acos(ω₀t)，在和时刻受到扰动；光束②在和时刻受到扰动，在时刻受到调制其中n为光纤的折射率、c为光速，τ为延时光纤产生的延时。

则光束①、②的相位差为：

在物理上可以理解为两次延时干涉。从上式不难看出，由于第一项的存在导致扰动信号在低频时，该值较小，因此扰动造成的相位差变化也较小，对探测电路的要求就相应提高。其次，可以看出第二项用于定位，但是扰动频率ω的频率范围较宽时才会存在陷波点，单一频率的扰动无法形成一系列陷波点。

从分析结果来看，实际加载的调制信号的幅度为与选择的调制频率和传感光纤、延时光纤的长度有关。因此当测量距离变化，即传感光纤长度变化时，调制幅度也需要改变。在相位调制器上加载调制幅度为a，角频率为ω₀的载波信号acos(ω₀t)时，经过低通滤波之后得到的两路输出光强信号U₁和U₂，对两路信号经过下述公式变换：

其中φ₀是扰动振幅，φ₀₁和φ₀₂是两干涉光路初始相位，J₁(φ₀)为一阶贝塞尔函数，B为常数。可以发现该信号与相位扰动量成正比，由此可以解调出相位变化量即扰动变化量。传统方法是对该时域信号进行傅里叶变换得到频域陷波点的谱形。而本发明的定位方法是直接对该时域信号进行时域自相关计算。

对两干涉光束的相位差重新推导，可得：

从上式可以看出由于相位造成的光强信号存在一个时延为的延迟，因此相位变化量的时域信号具有自相关特性。

对于随机离散信号x(n)，自相关函数为：

$R_x\left(m\right)=E\left[x\left(n\right)x(n+m)\right]=\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x(n+m)$

其中R_x(m)为自相关函数，m为延迟量。当m=0时，信号的自相关系数最大。由于噪声信号不具有周期性，只在m=0时自相关系数最大。因此在m数值不为0且自相关系数较大时，可以把信号中具有的周期变化非噪声频率提取出来。该变化的周期即可以实现对扰动的定位，x为扰动点距离末端的距离。

实际工程中，可以采用matlab软件编写自相关算法程序，设置时延周期不能为零。根据自相关算法计算结果，当自相关系数最大时，提取出周期性变化信号的周期T，即与扰动位置相关的时延周期。根据测量距离进行判断，如时延估计超过了测量范围，则选取自相关系数次大值的周期性信号，依次循环判断，得到测量范围内的自相关信号时间周期从而实现对扰动的定位。上述流程如图2所示。

实施例

采用SLD光源，中心波长1550nm，3dB带宽45nm，功率22mW。光纤耦合器单模耦合器，光电探测器为PINFET探测器，跨阻放大倍数为500K。跳线为FC/APC型单模光纤跳线。采集卡采用ADLINKPCI9820型采样频率最高60MHz通过计算机对信号进行处理。具体处理方式如下：

第一步：采集信号，经过信号解调处理后，得到相位变化信号。设置触发阈值选取其中一段有用信号进行计算。

首先通过高速采集卡，采集经过探测器光电转换并放大的模拟信号，并将模拟信号转为数字信号。对两路干涉信号进行如下处理：

实时获取相位-时间信息当相位值超过某一事先设定的阈值时，即认为产生了外界的扰动。该阈值的具体设定与系统的测量长度、光源功率，光纤损耗等相关；阈值可以设定为双极性。

其次，在判定产生扰动后，以第一次达到阈值的时刻作为参考点，在参考点前后适当取一定信号点数。采样点数=采样率×采样时间。采样数越多，则频率分辨率越高。但是采样数过高会影响系统检测时间，降低扰动报警的响应速度。为避免采集卡的采样时间延迟，避免失真，参考点前取少量数据。例如采样率4Msps，取0.1s时间段数据，即采样点为400K。则可在参考点前取100K个样点，参考点后取300K各样点，即共400K点数据。截取的时间段和数据点数依据实际情况需求进行设定，采样率决定距离测量系统的空间分辨率。

第二步，对截取的相位信号进行滤波处理。采用带通滤波器，降低低频扰动噪声和高频噪声对时域信号的影响，通频带根据实际物理扰动的频率设定，本实施实例取500-10000Hz，滤波器采用4阶巴特沃斯滤波器。

第三步，采用自相关算法计算，设置自相关系数与时延参数，提取出周期变化的有用信号，减低无周期变化的随机噪声对信号影响。

第四步，根据自相关信号时间周期即计算得到扰动点的位置信息x。其中n为光纤折射率，c为光速。

（1）当采用自相关时域定位时，采样频率4MHz/s，采样数为400000点，采样时间为0.1s，故两点的时间分辨率为2.5×10^-7s，则距离分辨率为25米

（2）对于一组随机敲击光缆扰动信号进行分析，可以看出如图3所示其陷波点的曲线在第二个陷波点处存在错点，陷波点明显为非等间隔点。根据出现陷波点时则ω_Sτ=2Nπ的计算方式，当采用最小二乘选取最小值点时，根据陷波点计算的距离出现定位误差较大点。

（3）采用自相关算法时域定位时，对同步相位载波电路解调得到的相位变化信号如图4所示，进行自相关算法，得到他们的自相关曲线如图5所示。选取自相关系数最大时曲线平均时间间隔0.000407s，则计算扰动点距离尾端反射镜的距离为41.652km，与实际扰动位置相符。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种提高光纤振动传感器定位精度的自相关定位方法，其特征在于步骤如下：

(1)将sagnac干涉型光纤振动传感器输出的两路光强信号I₁与I₂，经过探测器光电转换、放大与低通滤波后，得到两路输出光强信号U₁和U₂，采用公式对U₁和U₂进行信号处理，得到与扰动造成的相位变化信号成正比的监测信号；其中φ₀是扰动的振幅，φ₀₁和φ₀₂是两干涉光路的初始相位，J₁(φ₀)为一阶贝塞尔函数，B为常数；

(2)对与成正比的监测信号的幅值进行监测，当监测信号的幅值超过设定的阈值时，截取包括超过阈值时刻及该时刻前后的一段时间的区间采样信号；

(3)对所述的采样信号进行带通滤波，并对带通滤波后的采样信号进行自相关运算，设置时延周期不为零得到自相关运算结果；选择测量范围内自相关系数最大时对应的周期性变化信号的周期T；

(4)利用公式计算得到扰动点的位置信息，其中x为扰动点与sagnac干涉型光纤振动传感器中的反射镜之间的距离，n为光纤折射率，c为光速。