CN105136316B - 时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法，本发明从接收到的光纤传感阵列的相应脉冲的特点出发，根据干涉脉冲序列的特点和设定的各项参数，例如脉冲幅值阈值、低电平信号阈值、起始脉冲的预定幅值、延时阈值等提取出每组脉冲序列中延时参数，同时可以通过统计多组脉冲序列中的延时参数出现的频次，将出现频次最多的延时参数作为最终的延时参数。该方法完全实现了对光纤传感阵列延时参数测量的自动处理，可以通过多项参数的设定使得方法满足不同条件下延时参数测定，通过统计的方法消除了参数测量时的误差，延时参数测量准确率可达到100％。

Description

时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，更具体涉及一种时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法。

背景技术

为保证油田产量可以稳步提高，需要对油井下的环境参数进行实时采集，包括压力，温度等。同时为了进一步开采超稠油等资源，需要采用蒸汽辅助重力泄油技术(SAGD)等先进技术，这其中对井下声场的形成和传播，振动的分布需要格外关注。因此在实际应用中需要在井下布置大量的传感器，而光纤传感器阵列由于克服了传统电学传感器有源、不耐化学腐蚀和不易复用等缺点，在石油勘探和储量监测等领域有了长足的进步。

现有技术中，光纤传感器阵列广泛采用了一种高效的复用方式—时分复用技术来提高传感器的规模，降低系统成本。该技术通过向光线传感器阵列中打入按一定周期重复的光脉冲，然后接收一系列返回的响应脉冲，在通过测定阵列中不同传感器对应的光脉冲延时，从这一串响应脉冲中分解出不同光纤传感器的信号。因此光纤传感器阵列中各个光纤传感器的脉冲延时就是一个重要参数，关系到能否准确分解出光纤传感器信号，实际应用中，由于不同光纤传感器阵列的引导光纤长度不同，所产生的延时数据也有所不用，因此对每一光纤传感器阵列都需要重新测定延时参数。

现有技术中，时分复用光纤传感阵列的脉冲延时均为手动测量，即通过采集一组脉冲序列(响应脉冲)，人工读数进行测量。这种方式不仅准确率较低，而且由于传感器信号为一种干涉信号，其幅度会有所涨落，在某些时刻无法获得个别传感器的延时参数，需要使用另一组数据进行测量，过程十分繁琐。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何自动、高效地测定时分复用光纤传感阵列的脉冲延时。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1、获取包含定位脉冲以及光纤传感器阵列返回的响应脉冲的光脉冲，其中所述响应脉冲包括脉冲序列，所述脉冲序列包括位于其起始位置的起始脉冲、位于其结束位置的结束脉冲以及位于所述脉冲序列起始位置与结束位置之间的干涉脉冲序列，所述干涉脉冲序列中各个干涉脉冲对应于所述光纤传感器阵列中各个光纤传感器的检测信号；

S2、对去除所述定位脉冲后的所述光脉冲进行去直流和归一化处理；

S3、根据脉冲幅值阈值确定所述步骤S2处理后得到的光脉冲中各个脉冲的上升沿的位置和下降沿的位置，确定所述步骤S2处理后得到的光脉冲中各个脉冲的中心位置；

S4、根据低电平信号阈值，在所述步骤S2处理后得到的光脉冲中找到连续的低电平信号片段；

S5、根据所述低电平信号片段和所述起始脉冲的预定幅值，确定所述脉冲序列的起始脉冲位置；S6、根据所述步骤S5中得到的所述脉冲序列的起始脉冲位置，以及所述步骤S3中得到所述光脉冲中各个脉冲的中心位置，计算所述脉冲序列的干涉脉冲序列中的相邻干涉脉冲之间的中心位置的差，并作为相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数，计算所述脉冲序列的第一个干涉脉冲中心位置与对应的定位脉冲的位置的差作为所述第一个干涉脉冲的延时参数，其中所述第一个干涉脉冲为所述起始脉冲的后一个脉冲。

优选地，所述步骤S6之后还包括以下步骤：

对于所述光纤传感器阵列中每一个光纤传感器，重复执行所述步骤S1-S5，统计不同数值的延时参数出现的次数，取其中出现次数最多并且不等于零的延时参数作为最终的延时参数。

优选地，所述步骤S6之后还包括检验延时参数的步骤：

如果所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差小于设定的延时阈值，则将所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差作为所述相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数，如果所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差大于或等于延时阈值，则将所述相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数设定为0。

优选地，所述定位脉冲的出现周期与所述脉冲序列的出现周期相同。

优选地，所述步骤S3中确定所述光脉冲中各个脉冲的中心位置具体为：

根据所述光脉冲中各个脉冲的上升沿的位置和下降沿的位置，确定所述光脉冲中各个脉冲的脉冲宽度，根据所述脉冲宽度确定对应的脉冲的中心位置。

优选地，所述步骤S3中确定所述光脉冲中各个脉冲的脉冲宽度之后，计算所述中心位置之前还包括校验有效脉冲的步骤：

将各个脉冲的脉冲宽度分别与预定脉冲宽度比较，脉冲宽度低于所述预定脉冲宽度的脉冲为无效脉冲，从所述光脉冲中去除。

优选地，所述步骤S6之前还包括如下步骤：

根据定位脉冲预定幅值确定所述定位脉冲的位置。

优选地，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

将所述定位脉冲添加到所述响应脉冲中。

优选地，所述光脉冲存储于文本文件或PC机的数据缓存区内。

(三)有益效果

本发明提供了一种时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法，根据接收到的光脉冲的特点提取出延时参数，实现了自动计算延时参数，处理速度大为提高。以包含8探头的光纤传感阵列为例，过去测量8个延时参数一般需要花费1分钟，而且还只是处理一个脉冲序列；采用本发明的方法，读取50个脉冲序列，计算出8个延时参数，时间不超过2秒(Matlab程序运行结果)。同时由于使用多个脉冲序列进行统计测量，处理克服了读数误差等优势，使得计算结果的准确性大为提高，延时参数测量准确率可达到100％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法的流程图；

图2为本发明中接收的光脉冲示意图；

图3为本发明一个较佳实施例的时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

一种时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法，如图1所示所述方法包括以下步骤：

S1、获取包含定位脉冲1以及光纤传感器阵列返回的响应脉冲的光脉冲，其中所述响应脉冲包括脉冲序列2，所述脉冲序列2包括位于其起始位置的起始脉冲3、位于其结束位置的结束脉冲4以及位于所述脉冲序列起始位置与结束位置之间的干涉脉冲序列5，所述干涉脉冲序列5中各个干涉脉冲对应于所述光纤传感器阵列中各个光纤传感器的检测信号，如图2所示；

此步骤中，响应脉冲为光纤传感器阵列返回的一系列脉冲，会周期性出现。起始脉冲3和结束脉冲4可以统称为非干涉脉冲，是脉冲序列2的第一个和最后一个脉冲，幅度基本保持稳定。干涉脉冲序列5是脉冲序列2中间的各个脉冲，个数与光纤传感器阵列中传感器的数目对应，幅度会有较大的波动。

定位脉冲用于确定系统延时参数的基准脉冲，不包含在光纤传感器阵列返回的脉冲序列中，是系统主动产生并添加进去的，出现周期和脉冲序列的周期一致，但是和脉冲序列的位置关系是事先未知的；

S2、对去除所述定位脉冲后的所述光脉冲进行去直流和归一化处理；

此步骤中，去直流处理是将脉冲幅值减去此光脉冲的脉冲幅值的平均值，归一化处理是将直流处理后得到的值除以去直流处理得到的值中的最大值；

S3、根据脉冲幅值阈值确定所述步骤S2处理后得到的光脉冲中各个脉冲的上升沿的位置和下降沿的位置，确定所述步骤S2处理后得到的光脉冲中各个脉冲的中心位置；

脉冲幅值阈值是可以根据实际情况确定；

S4、根据低电平信号阈值，在所述步骤S2处理后得到的光脉冲中找到连续的低电平信号片段6；

低电平信号片段是脉冲序列之间的一段低电平信号，持续时间一般大于3个非干涉脉冲的宽度；

S5、根据所述起始脉冲3的预定幅值以及确定所述低电平信号片段6后出现的所述脉冲序列2的起始脉冲位置；

起始脉冲的幅值基本保持不变，因此可以预先设定起始脉冲3的预定幅值，用以确定脉冲序列的起始脉冲位置，一般情况下，低电平信号片段后的第一个脉冲即是起始脉冲；

S6、根据所述步骤S5中得到的所述脉冲序列的起始位置，以及所述步骤S3中得到所述光脉冲中各个脉冲的中心位置，计算所述脉冲序列的干涉脉冲序列中的相邻干涉脉冲之间的中心位置的差，并作为相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数，计算所述脉冲序列的第一个干涉脉冲中心位置与对应的定位脉冲的位置的差作为所述第一个干涉脉冲的延时参数。

上述方法可以采用程序自动计算延时参数，处理速度大为提高。以包含8探头的传感阵列为例，过去测量8个延时参数一般需要花费1min，而且还只是处理一组脉冲序列；采用本发明的方案，读取50组脉冲序列，计算出8个延时参数，时间不超过2s(Matlab程序运行结果)。

进一步地，所述步骤S6之后还包括以下步骤：

对于所述光纤传感器阵列中每一个光纤传感器，重复执行所述步骤S1-S5统计不同数值的延时参数出现的次数，取其中出现次数最多并且不等于零的延时参数作为最终的延时参数。使用多组数据进行统计测量，程序自动处理克服了读数误差等优势，使得计算结果的准确性大为提高。

进一步地，所述步骤S6之后还包括检验延时参数的步骤：

如果所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差小于设定的延时阈值，则将所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差作为所述相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数，如果所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差大于或等于延时阈值，则将所述相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数设定为0。参数0起到一个标志的作用，在后续的统计中会滤去，当然也可以去其他一切可以用来起标识作用的值或标记，此标志不会用作延时参数，后续的处理过程会被滤除。此步骤可以进一步提高延时参数的准确度。

进一步地，所述步骤S3中确定所述光脉冲中各个脉冲的中心位置具体为：

根据所述光脉冲中各个脉冲的上升沿的位置和下降沿的位置，确定所述光脉冲中各个脉冲的脉冲宽度，根据所述脉冲宽度确定对应的脉冲的中心位置。中心位置为是对应脉冲的比较稳点的段，因此采用此处的位置。

进一步地，所述步骤S3中确定所述光脉冲中各个脉冲的脉冲宽度之后，计算所述中心位置之前还包括校验有效脉冲的步骤：

将各个脉冲的脉冲宽度分别与预定脉冲宽度比较，脉冲宽度低于所述预定脉冲宽度的脉冲为无效脉冲，从所述光脉冲中去除，不再计算无效脉冲的中心位置。

进一步地，所述步骤S6之前还包括如下步骤：

根据定位脉冲预定幅值确定所述定位脉冲的位置。定位脉冲的幅值是预先设定好的，所以根据幅值确定定位脉冲的位置。

进一步地，所述步骤S4之后，S5之前还包括校验低电平信号片段的步骤：判断所述低电平信号片段的低电平信号数目是否小于预定低电平信号数阈值，若是，则对应的所述低电平信号片段为无效低电平信号片段，否则为有效低电平信号片段。此步骤可进一步的提高精确度。

进一步地，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

将所述定位脉冲添加到所述响应脉冲中。

进一步地，所述光脉冲存储于文本文件或PC机的数据缓存区内，还可以存储在其他可以存储的地方。

本发明从接收到的光纤传感阵列的相应脉冲的特点出发，根据干涉脉冲序列的特点和设定的各项参数(脉冲幅值阈值、低电平信号阈值、起始脉冲的预定幅值、所述结束脉冲的预定幅值、定位脉冲预定幅值、延时阈值以及预定脉冲宽度等)提取出每组脉冲序列中延时参数，同时可以通过统计多组脉冲序列中的延时参数，将值最大的延时参数作为最终的延时参数。该方法完全实现了对光纤传感阵列参数测量的自动处理，可以通过多项参数的设定使得方法满足不同条件下延时参数测试，通过统计的方法消除了参数测量时的误差，延时参数测量准确率可达到100％。

为更好的说明上述方法，具体结合实施例进行说明。

如图3所述，本发明的方法包括下列步骤：

1)读取数据(即上述步骤S1中的光脉冲)，可以从已经保存的文本文件中读取，也可以从上位机接收的数据缓冲区中读取；

2)根据定位脉冲的预定幅值确定定位脉冲位置。读取的数据中会包含幅值固定的定位脉冲，这个脉冲不是传感器阵列返回的信号，而是为了进行解时分添加的脉冲信号。

3)去除定位脉冲后对实际的返回脉冲序列(即步骤S1中的脉冲序列)进行去直流和归一化。

4)规定脉冲幅值阈值，确定每个脉冲的上升沿和下降沿位置，计算每个脉冲的宽度。

5)由于实际情况中可能会出现过冲现象，产生虚假脉冲，需要设定一个脉冲宽度(即上述预定脉冲宽度)，对低于此阈值的脉冲判定为无效脉冲，去除去下脉冲，讯号下一个脉冲。

6)排除无效脉冲后确定有效脉冲的中心位置。这里需要注意的是，由于干涉脉冲并非幅度一直都会高于步骤4)中规定的脉冲幅值阈值，因此一个脉冲序列中，并不是所有传感器对应的干涉脉冲都能被找到，如果没有找到，则按照步骤9)中位置差的绝对值大于设定的延时阈值的情况进行处理：这个位置上没有找到到对应传感器的有效脉冲，将相应的延时参数设置为0，该处的脉冲位置使用默认值确定。。

7)使用去直流和归一化后的信号，根据设定的低电平信号阈值寻找低电平信号，根据设定的连续低电平信号数目(即上述预定低电平信号数阈值)确定有效的低电平信号片段，具体为：若连续低电平信号大于预定低电平信号数阈值则为有效低电平片段，否则继续寻找低电平信号。之后确定脉冲序列的开始位置。

8)将低电平信号片段后出现的第一个脉冲定义为脉冲序列的起始脉冲，同时计算这一段脉冲序列中相邻干涉脉冲间的中心位置差，第一个干涉脉冲中心位置与该脉冲序列前面一个定位脉冲相减得到的位置差。具体地，判断是否是脉冲序列的第一个干涉脉冲，若是计算第一个干涉脉冲中心位置与对应的定位脉冲的位置的差，否则计算干涉脉冲中心位置与其前一个干涉脉冲中心位置的差。

9)如果相邻干涉脉冲间的位置差的绝对值小于设定的延时阈值，则将这个位置差设定为对应的延时参数；如果位置差的绝对值大于设定的延时阈值，判定这个位置上没有找到对应传感器的有效脉冲，将相应的延时参数设置为0，该处的脉冲位置使用默认值确定。此默认值通过经验值提供，一般在制作传感器阵列时会根据每个传感器的相对距离给出一个大概的值。这个默认值只是为了帮助定位没有找到的干涉脉冲，并没有确定延时参数，因为此时延时参数被设定成了一个特殊的值：0，可以在后面的统计中滤去。

10)读取多组数据，测量多组脉冲序列的延时参数。通过统计不同传感器对应延时参数出现的频次(即同一个传感器的延时参数的不同数值出现的次数，将出现的延时参数按频次进行降序排列，第一个非零值对应的延时参是即为该传感器的最终的延时参数值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种时分复用光纤传感器阵列的脉冲延时自动测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、获取包含定位脉冲以及光纤传感器阵列返回的响应脉冲的光脉冲，其中所述响应脉冲包括脉冲序列，所述脉冲序列包括位于其起始位置的起始脉冲、位于其结束位置的结束脉冲以及位于所述脉冲序列起始位置与结束位置之间的干涉脉冲序列，所述干涉脉冲序列中各个干涉脉冲对应于所述光纤传感器阵列中各个光纤传感器的检测信号；

S2、对去除所述定位脉冲后的所述光脉冲进行去直流和归一化处理；

S3、根据脉冲幅值阈值确定所述步骤S2处理后得到的光脉冲中各个脉冲的上升沿的位置和下降沿的位置，确定所述步骤S2处理后得到的光脉冲中各个脉冲的中心位置；

S4、根据低电平信号阈值，在所述步骤S2处理后得到的光脉冲中找到连续的低电平信号片段；

S5、根据所述低电平信号片段和所述起始脉冲的预定幅值，确定所述脉冲序列的起始脉冲位置；

S6、根据所述步骤S5中得到的所述脉冲序列的起始脉冲位置，以及所述步骤S3中得到所述光脉冲中各个脉冲的中心位置，计算所述脉冲序列的干涉脉冲序列中的相邻干涉脉冲之间的中心位置的差，并作为相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数，计算所述脉冲序列的第一个干涉脉冲中心位置与对应的定位脉冲的位置的差作为所述第一个干涉脉冲的延时参数，其中所述第一个干涉脉冲为所述起始脉冲的后一个脉冲。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6之后还包括以下步骤：

对于所述光纤传感器阵列中每一个光纤传感器，重复执行所述步骤S1-S5，得到多个干涉脉冲对应的多个延时参数，统计不同数值的延时参数出现的次数，取其中出现次数最多并且不等于零的延时参数作为最终的延时参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6之后还包括检验延时参数的步骤：

如果所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差小于设定的延时阈值，则将所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差作为所述相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数，如果所述脉冲序列中相邻干涉脉冲之间的中心位置的差大于或等于延时阈值，则将所述相邻干涉脉冲中后出现的干涉脉冲的延时参数设定为0。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位脉冲的出现周期与所述脉冲序列的出现周期相同。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中确定所述光脉冲中各个脉冲的中心位置具体为：

根据所述光脉冲中各个脉冲的上升沿的位置和下降沿的位置，确定所述光脉冲中各个脉冲的脉冲宽度，根据所述脉冲宽度确定对应的脉冲的中心位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中确定所述光脉冲中各个脉冲的脉冲宽度之后，计算所述中心位置之前还包括校验有效脉冲的步骤：

将各个脉冲的脉冲宽度分别与预定脉冲宽度比较，脉冲宽度低于所述预定脉冲宽度的脉冲为无效脉冲，从所述光脉冲中去除。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6之前还包括如下步骤：

根据定位脉冲预定幅值确定所述定位脉冲的位置。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4之后，S5之前还包括校验低电平信号片段的步骤：

判断所述低电平信号片段的低电平信号数目是否小于预定低电平信号数阈值，若是，则对应的所述低电平信号片段为无效低电平信号片段，否则为有效低电平信号片段。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

将所述定位脉冲添加到所述响应脉冲中。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光脉冲存储于文本文件或PC机的数据缓存区内。