CN106505974A - 光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤测温方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤测温方法及装置，该滤波方法包括：采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；判断估计误差E(n)是否满足预设要求；若否，则根据估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，并采用修正后的权值，再次执行上述步骤；若是，则将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号。通过上述方式，本发明能够提高滤波的稳定性和精度，有效提高了去噪的效果。

Description

光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤测温方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤测温方法及装置。

背景技术

分布光纤温度传感系统通过光纤对远处的一个空间各个点的温度进行实时测量，主要应用于油库、煤矿、军火库、地下商场、隧道、大中型变压器和电缆沟等的测温，并可通过监测温度变化达到温度报警。相比于传统测温技术，具有准确、安全、高效等技术特点。

目前主流分布式光纤温度传感系统(DTS，Distributed Temperature Sensing)基于光纤拉曼(Raman)散射现象，能够实时测量沿光纤方向空间场温度。其原理是高功率窄脉宽激光光源发射一系列脉冲光，通过拉曼波分复用器(WDM，Wavelength DivisionMultiplexing)将脉冲光耦合进入传感光纤并接收光纤后向拉曼散射光谱，再对得到的光信号进行一系列的数据处理，以得到温度信号。

信号采集和数据处理是分布式光纤测温系统的核心，信号中的噪声决定了整个系统的测量精度，空间分辨率，采集速度及最终的请求响应时间。因此，得到含有温度信息的有用信号就显得尤为重要。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤测温方法及装置，能够提高滤波的稳定性和精度，有效提高了去噪的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤采样信号的滤波方法，该滤波方法包括：采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；判断估计误差E(n)是否满足预设要求；若否，则根据光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，并采用修正后的权值，再次执行上述步骤；若是，则将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号。

其中，根据光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，具体为：采用以下公式对权值w(n)进行修正，以得到修正后的权值w(n+1)：w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)；其中，μ(n)为预设步长参数。

其中，步长参数μ(n)采用以下公式计算得到：其中，α为调整因子，μ₀为步长参数的初始值。

其中，调整因子α的取值范围是：0.9≤α≤1。

其中，对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)，具体为：采用以下公式计算得到估计误差E(n)：E(n)＝D(n)-Y(n)。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种光纤测温方法，该测温方法包括：向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号；将光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号；采用如上的滤波方法对电信号进行滤波；对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种滤波装置，该滤波装置包括：输入模块，用于接收光纤采样信号；加权模块，用于采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；对比模块，用于对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；判断模块，用于判断估计误差E(n)是否满足预设要求；修正模块，用于在判断模块的判断结果为否时，根据光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，以使加权模块采用修正后的权值，再次进行加权计算；输出模块，用于在判断模块的判断结果为是时，将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号，并输出。

其中，修正模块具体用于采用以下公式对权值w(n)进行修正，以得到修正后的权值w(n+1)：w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)；其中，μ(n)为预设步长参数。

其中，步长参数μ(n)采用以下公式计算得到：其中，α为调整因子，μ₀为步长参数的初始值。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种光纤测温系统，该测温系统包括：光信号收发器，用于向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号；光电转换装置，用于将光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号；滤波装置，用于对电信号进行滤波；其中，滤波装置是如上的滤波装置；数据处理器，用于对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的光纤采样信号的滤波方法包括：采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；判断估计误差E(n)是否满足预设要求；若否，则根据光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，并采用修正后的权值，再次执行上述步骤；若是，则将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号。通过上述方式，能够提高滤波的稳定性和精度，有效提高了去噪的效果。

附图说明

图1是本发明光纤采样信号的滤波方法一实施方式的流程示意图；

图2是本发明光纤采样信号的滤波方法一实施方式的系统框图；

图3是本发明滤波装置一实施方式的结构示意图；

图4是本发明光纤测温方法一实施方式的流程示意图；

图5是本发明光纤测温系统第一实施方式的结构示意图；

图6是本发明光纤测温系统第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，图1是本发明光纤采样信号的滤波方法一实施方式的流程示意图，该方法包括：

S11：采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)。

具体地，可以采用以下系统函数对采样信号X(n)进行加权计算：

Y(n)＝w(n)×X(n)；

其中，该权值w(n)的初始值可以是根据经验预先设置的。例如，可以是根据历史对光纤信号进行滤波时采用的权值。

其中，可以理解的，其中的输入信号、输出信号以及权值，均可以是向量的形式。

S12：对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)。

具体地，可以采用以下公式计算得到估计误差E(n)：

E(n)＝D(n)-Y(n)。

S13：判断估计误差E(n)是否满足预设要求。

在步骤S13中，若判断结果为否，则进行S14，若判断结果为是，则进行S15。

具体地，可以判断估计误差E(n)是否在预设的阈值范围内，例如判断其是否是小于某一个预设的阈值。在估计误差E(n)足够小时，可以认为输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)的差距不大，可以作为滤波后的输出信号，若估计误差E(n)较大，则需要对权值w(n)进行修正。

S14：根据光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正。

在权值修正以后，采用修正后的权值，再次从S11开始循环执行上述步骤。

具体如图2所示，在滤波过程中引入一个自适应的权值修正过程，则该滤波过程具体包括以下三个基本部分：

(1)滤波过程：

计算通过输入信号X(n)时滤波器的输出响应Y(n)。

(2)对比过程：

通过比较输出响应Y(n)与期望响应D(n)产生估计误差E(n)。

(3)自适应过程：

根据估计误差E(n)自动调整滤波器自身权值w(n)。

可选的，在一实施方式中，在对权值w(n)调整时，可以根据预设的偏移值进行有规律的调整，例如可以按照一定的百分比每次增加或减少。

可选的，在另一实施方式中，可以采用以下公式对权值w(n)进行修正，以得到修正后的权值w(n+1)：

w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)；

其中，μ(n)为预设步长参数。

其中，在每次修正时，均需要对μ(n)进行改变，以使得到的权值满足要求。例如，可以在第一次将μ(n)设置为最大步长，在以后的调节过程中，每次相应的减小步长，具体减小的程度可以根据情况而定。

可选的，在一具体的实施方式中，步长参数μ(n)采用以下公式计算得到：

其中，α为调整因子，μ₀为步长参数的初始值。

可以理解的，μ₀为最大步长，因此，当n＝1时，μ(n)＝αμ₀，所以调整因子α应当是一个不大于1的系数，但是考虑步长的收敛不宜过快，可以将调整因子α设置为一个接近于1的数字。

可选的，在一实施方式中，调整因子α的取值范围是：0.9≤α≤1。

当n不断变大，的值会不断变小，则步长参数μ(n)也会变小。

下面以一个具体的例子对上述滤波过程进行介绍：

我们假设每1ms进行一次信号采样，即n＝1为第1ms，n＝2为第2ms，以此类推。

在n＝1时，输入信号为X(1)，此时，权值w(1)可以是预设的定值，例如，w(1)＝1。根据系统函数Y(1)＝w(1)×X(1)，计算输出响应Y(1)。

在n＝2时，输入信号为X(2)，此时，权值w(2)则需要通过公式w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)计算得到，这里计算结果为：

w(2)＝w(1)+αμ₀×X(1)×E(1)；

其中的E(1)＝D(n)-Y(1)；

然后将w(2)代入统函数Y(2)＝w(2)×X(2)，计算得到输出响应Y(2)。

在以后的循环中，可以类似参照n＝2时的计算原理和步骤，这里不再赘述。

S15：将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号。

区别于现有技术，本实施方式的光纤采样信号的滤波方法包括：采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；判断估计误差E(n)是否满足预设要求；若否，则根据光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，并采用修正后的权值，再次执行上述步骤；若是，则将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号。通过上述方式，能够提高滤波的稳定性和精度，有效提高了去噪的效果。

参阅图3，图3是本发明滤波装置一实施方式的结构示意图，该滤波装置包括：

输入模块31，用于接收光纤采样信号。

加权模块32，用于采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；。

对比模块33，用于对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；。

判断模块34，用于判断估计误差E(n)是否满足预设要求。

修正模块35，用于在判断模块的判断结果为否时，根据估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，以使加权模块采用修正后的权值，再次进行加权计算。

输出模块36，用于在判断模块的判断结果为是时，将输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号，并输出。

其中，在一实施方式中，修正模块35具体用于采用以下公式对权值w(n)进行修正，以得到修正后的权值w(n+1)：

w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)；

其中，μ(n)为预设步长参数。

其中，在一实施方式中，步长参数μ(n)采用以下公式计算得到：

其中，α为调整因子，μ₀为步长参数的初始值。

可选的，上述的滤波装置是基于上述滤波方法的一实体装置，其实施的原理和步骤类似，这里不再赘述。

可以理解的，上述的滤波装置可以是一个滤波芯片或处理器，其中的输入模块31和输出模块36是滤波芯片或处理器的输入输出接口，而加权模块32、对比模块33、判断模块34、修正模块35均是集成于该芯片或处理器中的。

参阅图4，图4是本发明光纤测温方法一实施方式的流程示意图，该方法包括：

S41：向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号。

为了对监测点的温度进行测量，激光发生器在传感光纤的起始位置发出激光，该激光在光脉冲调制器的调制作用下，形成设定周期和持续时间的短的脉冲光，该脉冲光在通过光耦合器在传感光纤上传播。在脉冲光的传输过程中，由于脉冲光与光纤分子发生相互作用，发生多种形式的散射，如由光纤分子的热振动和光子作用发生能量交换而形成的拉曼散射。不同距离点的散射光信号会有部分沿着传输光路返回至光耦合器。

对应地，通过光耦合器获取传感光纤的测量点返回的光信号，如拉曼散射光。

由于一部分光能转化为热能，将发出一个比原来波长大的光，称为斯托克斯光；相反，有一部分热能转化为光能，那么将发出一个比原波长小的光，称为反斯托克斯光，拉曼散射光由这两种不同波长的光组成。可选的，在一实施方式中，需要对获取的返回的光信号进行分光，即分为斯托克斯光和反斯托克斯光。

S42：将光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号。

正如上述所分析，由于脉冲光在传输过程中，会产生各种不同类型的散射光，因此，拉曼散射光中可能还夹杂着其他类型的散射光和干扰光，为了使温度测量更加准确，需要尽量的保证分光后的第一频率光和第二频率光的纯净。因此，在分光器对拉曼散射光进行分光得到第一频率光以及第二频率光后，分别将该两路不同频率的光进行处理。

具体地，首先分别对该两路不同频率的光进行带通滤波处理，得到比较纯净的第一频率光和第二频率光，然后再对经过带通滤波处理后的第一频率光和第二频率光进行光电转换和放大，得到第一电信号和第二电信号。

其中，该第一电信号为第一电压值，第二电信号为第二电压值。

可选的，本实施方式中通过雪崩光电二极管APD对经过带通滤波处理后的第一频率光和第二频率光进行光电转换和放大。在其他实施方式中，也可以通过其他器件对经过带通滤波处理后的第一频率光和第二频率光进行光电转换和放大，在此不做限定。

S43：对电信号进行滤波。

在得到第一电信号和第二电信号以后，为了使监测结果更加精确，进一步地对第一电信号和第二电信号进行滤波。

其中，对该电信号进行滤波采用的方法是如以上光纤采样信号的滤波方法的实施方式中的方法，这里不再赘述。

S44：对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。

对滤波后的第一电信号和第二电信号进行计算得到测试点的测量温度。由于拉曼散射光的光强度与温度有关，即可以通过第一频率光的第一光强与第二频率光的第二光强的比值确定测量点的测试温度。

具体地，第一光强与第一电信号即第一电压值存在对应关系，第二光强与第二电信号即第二电压值存在对应关系，因此，可根据第一电压值获取第一光强，根据第二电压值获取第二光强。在通过公式确定测量点的温度R(T)，其中，I_a为第一光强，I_b为第二光强。

可选的，在一实施方式中，在S44之后，还可以根据光纤温度信号实现预警。

在得到测量点的测量温度后，为了进一步确定该测量点的测量温度是否存在异常，如大幅度提高或降低，需进一步对该测量点的温度进行判断。

具体地，可提前设定警报温度条件，例如，可设置多个定温点警报，可针对环境变化情况设置不同警报控制区域，各警报控制区按照用户的运行要求或者运行经验设定不同的警报温度或者温升速率。

判断过程可为：将该测量点当前的测量温度与前一时刻得到的测量温度相比较，判断所述测量点当前的测量温度与之前得到的测量温度间是否发生超过设定值的变化，如果发生变化，进一步判断该变化是否在预设范围内，如果在预设范围内，则代表该测量点的温度正常。如果该变化不在预设范围内，则发出该测量点温度异常的警报。

或者做出该测量点各个时刻的测量温度曲线图，计算其温升速率，如果温升速率在预设范围内，则代表该测量点的温度正常，如果温升速率不在预设范围内，则发出该测量点温度异常的警报。

在另一实施方式中，在得到测量点温度后，进一步确定该测量点位于传感光纤的位置，即实现对测量点的定位。

在一个可选实施实施方式中，通过返回光耦合器的拉曼散射光的传输时间以及该拉曼散射光的传输速度，即距离＝传输时间*传输速度的原理确定该测量点的位置。

在另一个具体的实施方式中，根据拉曼散射光的信号采样频率来确定测量点的位置，比如，采样频率为150MHZ，每秒采集150M个数据，所以每个数据点对应的时间为t＝1/1.5ns，如果光在光纤中的传播速度为c＝2*10⁸m/s，则两个采样点之间对应的实际距离s为s＝ct＝2*10⁸*(1/1.5)＝0.65m。在根据间隔的采样点的数量确定距离。

区别于现有技术，本实施方式的光纤测温方法包括：向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号；将光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号；对电信号进行滤波；对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。其中的滤波方式是采用了如上述实施方式的方法，能够提高滤波的稳定性和精度，有效提高了去噪的效果，在光纤测温中，可以提高温度测量和定位的精度，有利于实现准确的预警。

参阅图5，图5是本发明光纤测温系统第一实施方式的结构示意图，该系统包括：

光信号收发器51，用于向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号。

可选的，该光信号收发器51可以包括激光器和采集反射激光信号的采集器。

光电转换装置52，用于将光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号。

可选的，该光电转换装置52可以是雪崩光电二极管(APD)。

滤波装置53，用于对电信号进行滤波。

其中，滤波装置53是如上述实施方式中的滤波装置，其结构和原理类似，这里不再赘述。

数据处理器54，用于对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。

可选的，该数据处理器54可以是DSP装置。

参阅图6，图6是本发明光纤测温系统第二实施方式的结构示意图，该系统包括：

FPGA同步脉冲发生器61，用于控制激光LED发出脉冲激光，并通入到光纤60中。

拉曼波分复用器(拉曼WDM)63，用于采集光纤60中反射的激光，分进行分光，形成斯托克斯光和反斯托克斯光。

第一光电转换器641，用于将斯托克斯光转换成第一电信号。

第一光电转换器642，用于将反斯托克斯光转换成第二电信号。

低噪声放大器65，用于将第一电信号和/或第二电信号进行放大处理。

A/D转换及数据采集器661，用于将模拟的第一电信号和第二电信号转换成数字信号。

滤波装置662，用于对上述的数字信号进行滤波。

其中，该滤波装置662是如上述实施方式中提到的滤波装置。

DSP数据处理、温度解调装置663，用于对滤波后的信号进行处理，以得到温度信息。

可选的，上述的A/D转换及数据采集器661、滤波装置662以及DSP数据处理、温度解调装置663可以集成于一处理芯片(处理器)上，并能够实现上述的功能。

可选的，在另一实施方式中，还可以包括存储器，该存储器用于存储系统数据、文件、算法以及历史采集的光纤信号数据以及得到的温度数据。

区别于现有技术，本实施方式的光纤测温系统包括：光信号收发器，用于向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号；光电转换装置，用于将光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号；滤波装置，用于对电信号进行滤波；数据处理器，用于对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。其中，滤波装置是采用了如上述实施方式的滤波装置，能够提高滤波的稳定性和精度，有效提高了去噪的效果，在光纤测温中，可以提高温度测量和定位的精度，有利于实现准确的预警。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤采样信号的滤波方法，其特征在于，包括：

采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；

对比所述输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；

判断所述估计误差E(n)是否满足预设要求；

若否，则根据所述光纤采样信号X(n)以及所述估计误差E(n)，对所述权值w(n)进行修正，并采用修正后的权值，再次执行上述步骤；

若是，则将所述输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号。

2.根据权利要求1所述的滤波方法，其特征在于，

所述根据所述光纤采样信号X(n)以及估计误差E(n)，对权值w(n)进行修正，具体为：

采用以下公式对权值w(n)进行修正，以得到修正后的权值w(n+1)：

w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)；

其中，μ(n)为预设步长参数。

3.根据权利要求2所述的滤波方法，其特征在于，

步长参数μ(n)采用以下公式计算得到：

$\mathrm{\μ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\α}}{e^{n-1}}{\mathrm{\μ}}_0;$

其中，α为调整因子，μ₀为步长参数的初始值。

4.根据权利要求3所述的滤波方法，其特征在于，

调整因子α的取值范围是：0.9≤α≤1。

5.根据权利要求1所述的滤波方法，其特征在于，

所述对比输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)，具体为：

采用以下公式计算得到估计误差E(n)：

E(n)＝D(n)-Y(n)。

6.一种滤波装置，求特征在于，包括：

输入模块，用于接收光纤采样信号；

加权模块，用于采用权值w(n)对光纤采样信号X(n)进行加权计算，得到输出信号Y(n)；

对比模块，用于对比所述输出信号Y(n)与期望输出信号D(n)，以得到估计误差E(n)；

判断模块，用于判断所述估计误差E(n)是否满足预设要求；

修正模块，用于在所述判断模块的判断结果为否时，根据所述光纤采样信号X(n)以及所述估计误差E(n)，对所述权值w(n)进行修正，以使所述加权模块采用修正后的权值，再次进行加权计算；

输出模块，用于在所述判断模块的判断结果为是时，将所述输出信号Y(n)作为滤波后的光纤采样信号，并输出。

7.根据权利要求6所述的滤波装置，其特征在于，

所述修正模块具体用于采用以下公式对权值w(n)进行修正，以得到修正后的权值w(n+1)：

w(n+1)＝w(n)+μ(n)×X(n)×E(n)；

其中，μ(n)为预设步长参数。

8.根据权利要求7所述的滤波装置，其特征在于，

步长参数μ(n)采用以下公式计算得到：

$\mathrm{\μ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\α}}{e^{n-1}}{\mathrm{\μ}}_0;$

其中，α为调整因子，μ₀为步长参数的初始值。

9.一种光纤测温方法，其特征在于，包括：

向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号；

将所述光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号；

采用如权利要求1-5任一项所述的滤波方法对所述电信号进行滤波；

对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。

10.一种光纤测温系统，其特征在于，包括：

光信号收发器，用于向光纤通入光信号并采集反射的光纤反射信号；

光电转换装置，用于将所述光纤反射信号转化为电信号，作为光纤采样信号；

滤波装置，用于对所述电信号进行滤波；其中，所述滤波装置是如权利要求6-8任一项所述的滤波装置；

数据处理器，用于对滤波后得到的信号进行处理，以获得对应的光纤温度信号。