CN104132693A - 相位otdr系统中振动信号位置和频率的同时提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，该方法包括搭建相位OTDR系统；对上述相位OTDR系统进行数据采集；将上述采集到的连续后向瑞利散射干涉信号转化为矩阵；对上述矩阵进行傅里叶变换，得到同时反映振动位置和频率信息的频谱图。本发明设计的这种相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，不仅可快速的将相位OTDR系统中振动信号的位置和频率同时提取出来，提高了系统信号处理效率，而且提高了信号处理的信噪比，同时还提高了对振动定位的空间分辨率。

Description

相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法

技术领域

本发明涉及一种振动信号提取方法，具体是一种相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法。

背景技术

相位OTDR(相位敏感光时域反射计)系统作为一种分布式光纤传感系统，由于其具有抗电磁干扰、耐腐蚀、定位精度高、多点检测等特点，在对光纤线路范围内的入侵和振动进行实时远程动态监控方面，具有传统的传感器所不能替代的优势。

在相位OTDR系统中，如何在采集到的后向瑞利散射干涉信号中提取出关于振动信号的位置和频率的信息，一直是研究的重点。常用的振动位置和频率的提取方法，即在多组后向瑞利散射干涉信号之间先进行滑动平均去噪，再进行振幅差分叠加，通过寻找不同光脉冲对振动所产生的后向瑞利散射干涉光差异，来确定振动位置。此外，还有一种基于Sobel算子的二维边缘检测技术，亦是通过分析后向瑞利散射干涉信号强度的跃变来对振动进行定位。然而上述滑动平均振幅差分和二维边缘检测的方法，不能同时用于振动信号频率的提取，需再次对振动位置附近的后向瑞利散射干涉光强变化进行分析，才能提取出振动信号的频率信息。虽然关于相位OTDR系统信号提取方面的研究报告有很多，但在同时提取振动信号位置和频率信息方面的研究，尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，可快速的同时提取出相位OTDR系统中振动信号的位置和频率信息，解决了以往振动信号的位置和频率信息只能分开提取且提取耗时较长的问题。

本发明提供的技术方案是：相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，该方法包括以下步骤：

首先，搭建相位OTDR系统；本步骤通过相位OTDR系统特性反映振动信号信息，为方法实现的前提条件。

然后，对上述相位OTDR系统进行连续后向瑞利散射干涉信号采集；本步骤中的连续后向瑞利散射干涉信号采集可通过高速数据采集卡实现。

其次，将上述采集到的连续后向瑞利散射干涉信号转化为矩阵形式；

其中，所述矩阵的行方向表示单个脉冲在传播时产生的后向瑞利散射干涉信号；

其中，所述矩阵的列方向表示采集到的连续后向瑞利散射干涉信号组数 ；

最后，对上述矩阵进行傅里叶变换得到同时反映振动位置和频率信息的频谱图；相位OTDR系统中受到振动影响的地方会在频谱图中出现峰值点，其中，峰值点在频谱图中的横坐标反映振动位置，峰值点在频谱图中的纵坐标反映振动频率。

在上述提取方法的基础上，本发明还同时提供了使该方法能更好实现的如下方案：

进一步地，所述振动信号频率大小由傅里叶变换得到的频谱图中峰值点的纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射干涉信号组数共同决定。

优选的，所述振动信号频率大小与峰值点纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射干涉信号组数的关系可用如下公式表示：

                    Fn = (n-1)·Fs/N

式中，  Fn----表示振动的频率；

        n----表示峰值点在纵坐标上的位置；

        Fs----表示脉冲的重复频率；

   N----表示采集到的后向瑞利散射干涉信号组数。

进一步地，所述相位OTDR系统包括顺次连接的窄线宽激光器、脉冲调制器、EDFA、环形器及传感光纤，所述环形器还连接有探测器。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1、      本发明可快速的将相位OTDR系统中振动信号的位置和频率同时提取出来，提高了系统信号处理效率。

2、      本发明在对振动信号的位置和频率同时提取时，提高了信号处理的信噪比，提高了振动信号的位置和频率的提取质量和精准度。

3、      本发明对振动信号的位置和频率同时提取时，提高了对振动定位的空间分辨率，有助于提升相位OTDR系统对振动检测的性能。

附图说明

图1是本发明振动位置和频率检测流程图。

图2是直接检测相位OTDR系统的结构示意图。

图3是外差检测相位OTDR系统的结构示意图。

图4是单组后向瑞利散射干涉信号曲线图。

图5是对500组后向瑞利散射干涉信号构成的矩阵进行傅里叶变换后的频谱图。

图6为本方法与现有振幅差分法和边缘检测法的时间和信噪比对比图。

图7为对图5频谱图中振动位置的纵坐标曲线归一化处理图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例及附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明。

实施例

参见图1-图7，相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，该方法包括以下步骤：

相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，该方法包括以下步骤：

（1）搭建相位OTDR系统；

（2）对上述相位OTDR系统进行连续后向瑞利散射干涉信号采集；

（3）将上述采集到的连续后向瑞利散射干涉信号转化为矩阵形式；

其中，所述矩阵的行方向表示单个脉冲在传播时产生的后向瑞利散射干涉信号；

其中，所述矩阵的列方向表示采集到的后向瑞利散射干涉信号组数 ；

（4）对上述矩阵进行傅里叶变换得到同时反映振动位置和频率信息的频谱图；相位OTDR系统中受到振动影响的地方会在频谱图中出现峰值点，其中，峰值点在频谱图中的横坐标反映振动位置，峰值点在频谱图中的纵坐标反映振动频率。

为对本方法做进一步详细诠释，本方法在相位OTDR系统中的传感光纤中任取两点接入压电陶瓷(PZT)，并用不同频率的正弦电压驱动以模拟振动。

 在接入正弦驱动电压后，对相位OTDR系统进行连续后向瑞利散射干涉信号采集，并将采集到的N组连续后向瑞利散射干涉信号为对象并转化为矩阵形式，在转化的矩阵中，矩阵的行表示单个脉冲在传感光纤中传输时产生的后向瑞利散射干涉信号(图4所示)，矩阵的列表示后向瑞利散射干涉信号组数。

为进一步得到振动信号的位置和频率信息，将上述得到的矩阵进行傅里叶变换得到同时反映振动位置和频率信息的频谱图，频谱图的横坐标反映了振动信号位置，频谱图的纵坐标反映了振动信号频率，通过频谱图的横、纵坐标信息即可实现振动信号位置和频率的同时提取。

且从频谱图中可以看出，传感光纤中受到振动影响的位置，在频谱图中出现了峰值点，振动信号频率大小由峰值点的纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射干涉信号组数共同决定，几者之间构成了一定的函数关系；该函数关系由傅里叶变换的特性决定，具体公式如下：

Fn = (n-1)·Fs/N      （1）

式中，  Fn----表示振动的频率；

        n----表示峰值点在纵坐标上的位置；

        Fs----表示脉冲的重复频率；

       N----表示采集到的后向瑞利散射干涉信号组数。

从上式（1）和频谱图上信息可得出频率大小，从而将振动信号位置和频率同时提取出来。又根据采样定理可知，系统能检测到的最大振动频率要小于系统脉冲重复频率的一半，故式（1）中n的取值范围为1≤n＜N/2+1。

而为了使得本实施例能更好的实施，本实施例还给出了两种相位OTDR系统结构图，如图2和图3所示，分别是直接检测和外差检测相位OTDR系统。直接检测系统中，窄线宽激光器发出的连续光经脉冲调制器调制为脉冲光，通过EDFA放大后送入传感光纤中。脉冲光在传感光纤中传播时会发生瑞利散射，此时光电探测器接收到的信号是后向瑞利散射信号相干涉的结果，即脉冲宽度范围内不同散射点的瑞利散射信号相干涉的结果。当传感光纤中某一点受到振动影响时，光电探测器接收到的不同脉冲光产生的后向瑞利散射信号由于干涉作用在该点的强度将会发生改变，通过对后向瑞利散射干涉信号的数据采集、矩阵转换以及矩阵的傅里叶变换，实现对振动位置和频率的同时检测。外差检测系统同直接检测系统的区别是通过耦合器增加了一路参考光，参考光通过声光移频器引入移频，最后探测器接收到的信号就是参考光同后向瑞利散射干涉信号相拍频的结果，为了消除偏振态变化对振动检测结果的影响，外差检测系统需要接入PC(偏振控制器)来控制光路的偏振态。

为了使本方法能更好的理解和实施，下面结合附图及具体数据对该方法进行说明:

在直接检测相位OTDR系统，取长为2.7km的传感光纤为对象，在传感光纤中的1000m和1650m处分别接入压电陶瓷(PZT)，并分别用100Hz和150Hz的频率的正弦电压驱动以模拟振动。

待通入电压后，通过高速数据采集卡等信号采集设备对光电探测器接收到的连续后向瑞利散射干涉信号进行信号数据采集，并将采集到的500组连续后向瑞利散射干涉信号转化为矩阵形式，对上述矩阵进行傅里叶变换后得到如图5所示的频谱图，图5中的横坐标在1000m和1650m处的峰值点表明该处存在振动，峰值点的纵坐标位置分别出现在51和76处，代入上式（1）中，由于系统脉冲重复频率为1000Hz，可得到振动频率分别为100Hz和150Hz，与驱动PZT模拟振动的正弦电压频率相符。

同时在实施时，该方法是在频域方面对振动信号进行处理，而在频域上系统噪声相较于振动的变化来说是一种“慢变化”，会经由傅里叶变换滤掉，因此，该方法提取的信号具有更高的信噪比。图6为采用不同信号提取方法的Matlab软件处理结果对比图，从图中可以清晰的看出，本发明方法，对比已有的滑动平均振幅差分法和二维边缘检测法，不仅方便快捷，信号处理所需时间短，而且能实现对振动信号位置和频率的同时提取，具有更高的信噪比，这里信噪比SNR定义为最大信号强度Vsignal与最大噪声强度Vnoise的比值，即SNR=10·log(Vsignal/Vnoise)，信噪比越高，说明混在信号中的噪声越小，信号质量越佳。进一步对振动检测空间分辨率进行分析，将图5中对应振动位置的纵坐标曲线归一化处理并放大显示，结果如图7所示，由于系统脉冲宽度设置为200ns，故空间分辨率对应为20m，但采用本发明的信号提取方法，能将对振动定位的空间分辨率提升为14m。这里空间分辨率是指能分辨出的振动区域内相邻两振动点的最小距离，可通过振动点处上升和下降时间内光纤长度的平均值来确定。

如上所述即可很好的实现本发明。本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (4)

1.相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）搭建相位OTDR系统；

（2）对上述相位OTDR系统进行连续后向瑞利散射干涉信号采集；

（3）将上述采集到的连续后向瑞利散射干涉信号转化为矩阵形式；

其中，所述矩阵的行方向表示单个脉冲在传播时产生的后向瑞利散射干涉信号；

其中，所述矩阵的列方向表示采集到的后向瑞利散射干涉信号组数 ；

（4）对上述矩阵进行傅里叶变换得到同时反映振动位置和频率信息的频谱图；相位OTDR系统中受到振动影响的地方会在频谱图中出现峰值点，其中，峰值点在频谱图中的横坐标反映振动位置，峰值点在频谱图中的纵坐标反映振动频率。

2.根据权利要求1所述的相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，其特征在于，所述振动信号频率大小由傅里叶变换得到的频谱图中峰值点的纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射干涉信号组数共同决定。

3.根据权利要求2所述的相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，其特征在于，所述振动信号频率大小与峰值点纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射干涉信号组数的关系可用如下公式表示：

                    Fn = (n-1)·Fs/N

式中，Fn----表示振动的频率；

          n----表示峰值点在纵坐标上的位置；

          Fs----表示脉冲的重复频率；

        N----表示采集到的后向瑞利散射干涉信号组数。

4.根据权利要求1所述的相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法，其特征在于，所述相位OTDR系统包括顺次连接的窄线宽激光器、脉冲调制器、EDFA、环形器及传感光纤，所述环形器还连接有探测器。