CN107402082A - 一种布里渊散射信号处理方法及其分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能传感技术领域，具体公开了一种布里渊散射信号处理方法及其分布式光纤传感系统。由传感光纤、激光信号源、环形器、探测脉冲光路调制模块、移频参考光路调制模块、相干探测单元以及数据采集处理模块组成分布式光纤传感系统，可以精确的获得布里渊频移的相对变化量，获得后向布里渊散射谱，得到完整的布里渊散射谱。首先建立探测到的布里渊散射信号谱模型，然后使用一种数值优化的快速迭代算法对布里渊散射谱进行特征提取，该信号处理方法把每次扫频测量得到的散射信号频谱进行拟合，准确获取沿光纤分布的温度或应力的传感信息。解算方法具有很强的全局搜索能力，大大缩短了算法作用时间，能有效提高系统测量精度和实时性。
Description
技术领域
本发明属于智能传感技术领域，具体涉及一种布里渊散射信号频谱拟合的信号处理方法及系统。
背景技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术具有测量精度高、空间分辨率高，可实时在线测量温度、应变信息等特点，将其应用于飞行器健康状态监测，可有效对飞行器健康状况进行评估，从而提高飞行器运行的安全性、可靠性。在此类分布式光纤传感系统中，布里渊散射光信号沿光纤的不同位置上具有随机偏振态，而且散射信号受光纤中非线性效应等影响，致使光信号掺杂着大量的噪声，因此，光电探测器输出的光电流信号是一个强度小、宽带的幅度调制信号，而且包含大量的相位噪声和幅度噪声。要提取出真实的布里渊散射信号，需对调制信号进行解调，同时要对噪声进行滤波。因此，对布里渊散射信号的解析处理是分布式光纤传感技术的关键。
目前，常用的信号处理方法有叠加平均算法、低通滤波去噪法、基于小波的包络解调算法等。其中，叠加平均算法利用信号的时间相关性和噪声的非相关性特点，将被测信号不断取样累加以及取平均值，最后周期性的信号就得到了加强，而噪声就在多次平均后趋向于零，从而实现信噪比的提高，然而这种算法对信号提取的好坏依赖于叠加平均的次数，次数越多信噪比越好，算法实时性较差；低通滤波去噪法可利用软件设计虚拟滤波器实现，虽然可以滤除布里渊增益谱宽度以外的高频噪声，但通过对去噪信号和原始信号的对比可知，经低通滤波后，布里渊散射信号强度也会呈指数衰减变化，这就加大了后级信号采样的难度；基于小波的包络解调算法能够实现信号的去噪和特征提取，但处理效果的好坏与小波函数的选择有关，且不能兼顾频域和时域的高分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种布里渊散射信号处理方法及其分布式光纤传感系统，能够有效检测布里渊信号，实现信号特征提取，获得沿光纤分布的温度、应力等传感信息，且算法作用时间短，适用于实际应用中的实时测量。
本发明的技术方案如下：
一种基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，它包括传感光纤、激光信号源、环形器、探测脉冲光路调制模块、移频参考光路调制模块、相干探测单元以及数据采集处理模块，激光源连接探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块的输入端，分别传输光学激励信号。探测脉冲光路调制模块的输出端连接环形器的一个输入端，移频参考光路调制模块的输出端连接相干探测单元的一个输入端。同时，传感光纤连接环形器的另一个输入端，环形器的输出端连接相干探测单元的另一个输入端。相干探测单元的输出端连接数据采集处理模块，数据采集处理模块的输出端反馈连接到移频参考光路调制模块；
传感光纤用于探测敏感温度和应变等外界环境的变化，并传输光信号；
激光信号源为探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块分别提供光学激励信号；
探测光路是将连续光信号调制成脉冲光；
移频光路是将连续光信号进行移频，调制成本地参考光；
相干探测单元是将光信号转换为电信号并降低信号中心频率，以便于后级采集处理；
数据采集处理模块实现信号的放大滤波、数据采集及识别提取处理。
一种布里渊散射信号处理方法，该包括如下步骤：
1)利用数据采集模块采集布里渊散射信号vB；
2)信号处理模块对相干后的频谱信号进行处理，具体为
a)确定理想状态下，采集的布里渊散射信号在频域下的强度分布
其中：L(x)为自发布里渊散射的BOTDR传感系统频谱分布曲线，表示采集信号在频域下的强度分布；x为采集的布里渊散射信号的频率；h为布里渊散射谱峰值增益；vB为布里渊中心频移；ΔvB为布里渊散射谱的增益谱半峰全宽；
b)确定实际过程中，采集的布里渊散射信号在频域下的强度分布
其中：G(x)为高斯型布里渊散射谱模型，表示采集信号在频域下的强度分布,h为(0≤h≤1)为系数；
c)线性拟合确定非线性布里渊散射谱模型如下：
d)求上述步骤中k、vB、ΔvB。
在上述的一种布里渊散射信号处理方法中：所述步骤2)中d)可采用LM算法来求解参数值。
在上述的一种布里渊散射信号处理方法中：k、vB、ΔvB组成权值和阈值向量w(k,ΔvB,vB)，其初始值为w(0)＝w(0.6,40MHz,100MHz)。
本发明的显著效果如下：
本发明的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，可以精确的获得布里渊频移的相对变化量，获得后向布里渊散射谱，接收到的实际光信号为布里渊散射信号与移频光相干产生的差频信号，按一定的频率间隔改变移频光频率，得到完整的布里渊散射谱。由于扫描不是连续的，小扫描间隔会增加信号处理的时间，减低系统的实时性，所以在有限的扫描次数下，获得的最终频谱是离散的，并且信号非常微弱，信噪比较低。如果从获得的散射谱中直接读取光功率最大的点对应的频率会存在极大的误差，导致测量精度的大幅度降低。所以，应该首先对获得的离散布里渊散射谱进行处理。
基于此，本发明又提出了一种对布里渊散射谱进行特征提取的新方法，即首先建立探测到的布里渊散射信号谱模型，然后使用一种数值优化的快速迭代算法对布里渊散射谱进行特征提取。该信号处理方法把每次扫频测量得到的散射信号频谱进行拟合，找出曲线中幅值最大的点，得到该点处的布里渊频移和布里渊信号强度，从而获取沿光纤分布的温度或应力的传感信息。该算法兼具高斯-牛顿算法和梯度下降算法的优势，使得其既有较强的局部收敛能力，还具有很强的全局搜索能力，大大缩短了算法作用时间，能有效提高系统测量精度和实时性，适用于布里渊散射谱特征提取，对于基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的实际应用具有重要意义。
进一步的，使用一种数值优化的快速迭代算法——LM算法，该算法兼具高斯牛顿算法和梯度下降算法的优势，使得其既有局部收敛特性，还具有很强的全局搜索能力，大大缩短了算法作用时间。
附图说明
图1为基于布里渊散射的分布式光纤传感系统；
图2为不同权重的布里渊散射谱型；
图3位LM算法结算流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，它包括传感光纤、激光信号源、环形器、探测脉冲光路调制模块、移频参考光路调制模块、相干探测单元以及数据采集处理模块。
激光源连接探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块的输入端，分别传输光学激励信号。探测脉冲光路调制模块的输出端连接环形器的一个输入端，移频参考光路调制模块的输出端连接相干探测单元的一个输入端。同时，传感光纤连接环形器的另一个输入端，环形器的输出端连接相干探测单元的另一个输入端。相干探测单元的输出端连接数据采集处理模块，数据采集处理模块的输出端反馈连接到移频参考光路调制模块。
传感光纤用于探测敏感温度和应变等外界环境的变化，并传输光信号；
激光信号源为探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块分别提供光学激励信号；
探测光路是将连续光信号调制成脉冲光；
移频光路是将连续光信号进行移频，调制成本地参考光；
相干探测单元是将光信号转换为电信号并降低信号中心频率，以便于后级采集处理；
数据采集处理模块实现信号的放大滤波、数据采集及识别提取处理。
系统中信号传递过程如下：
激光信号源发出中心频率为v0的光波信号，并通过光学耦合器将其分为两路，一路流入探测光路，另一路流入移频光路，即分别至传递探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块。在探测光路中，连续光波被调制成脉冲探测光，脉冲探测光流向传感光纤；在移频光路中，将连续光波进行移频处理，形成中心频率为v0-vL的参考光，并流入相干探测单元。当脉冲探测光经由环形器流入传感光纤时，将会发生布里渊散射现象，该散射信号中心频率为v0-vB，经环形器流入到相干探测单元。以上两路信号经相干探测后，输出信号中心频率降低为|vL-vB|，以便于后级电路采集处理。基于对已知频率的参考光信号和未知频率的布里渊散射光信号的相干探测结果，可计算获取布里渊频移量vB，由于vB的取值如实反映了应力或温度等外界环境信号的变化，因此可通过解析布里渊频移量vB实现对温度和应变参数的测量。
一种利用上述分布式光纤传感系统的布里渊散射信号处理方法，包括下述步骤：
1)采集布里渊散射信号vB
数据采集模块对相干探测后的信号进行A/D采集转换，并将采集到的时域信号进行FFT变换等处理，处理完毕后将生成的频域信号(信号的频谱)保存，该频谱信号作为信号处理系统的初始输入信息，进入信号处理模块作进一步识别、提取。
2)信号处理模块对相干后的频谱信号进行处理
具体为：
a)确定理想状态下，采集的布里渊散射信号在频域下的强度分布
理想情况下，自发布里渊散射的BOTDR传感系统频谱分布为洛伦兹(Lorentzian)型函数曲线，由下式确定自发布里渊散射的BOTDR传感系统频谱分布
其中：L(x)为自发布里渊散射的BOTDR传感系统频谱分布曲线，表示采集信号在频域下的强度分布；x为采集的布里渊散射信号的频率；h为布里渊散射谱峰值增益；vB为布里渊中心频移；ΔvB为布里渊散射谱的增益谱半峰全宽。
b)确定实际过程中，采集的布里渊散射信号在频域下的强度分布
在现实应用中，由于激光脉冲具有高斯(Gaussian)谱型分布、光在光纤中传输会发生多普勒展宽，电光调制器消光比有限，在光脉冲时间间隙内存在一定能量的连续光泄露、入射泵浦光脉冲宽度接近甚至低于声子寿命时出现布里渊散射谱的展宽等因素，布里渊散射将会随之展宽，有向高斯线形逐步过渡的趋势。利用下式
其中：G(x)为高斯型布里渊散射谱模型，表示采集信号在频域下的强度分布,h为(0≤h≤1)为系数。
c)确定非线性布里渊散射谱模型
将洛伦兹函数与高斯函数曲线按照线性权重进行组合，形成下式的函数模型，拟合出布里渊散射谱曲线
f(x)＝kL(x)+(1-k)G(x)
式中，k(0≤k≤1)洛伦兹函数所占权重(0≤k≤1)，1-k为高斯函数所占权重，k决定了两种函数曲线的线性组合程度。当k＝1时，为洛伦兹型函数曲线；当k＝0时，为高斯型函数曲线；当0＜k＜1时，为二者线性权重组合函数曲线。不同权重的布里渊谱模型如图2所示。
将L(x)和G(x)带入f(x)并化简即为：
d)求上述步骤中k、vB、ΔvB
确定布里渊散射谱模型(非线性)后，利用通过试验获得的一些离散数据点，使用非线性最小二乘法对数据进行拟合，从而求解模型中k、vB、ΔvB等未知参数。
利用LM算法来求解参数值时，要求给模型中的未知参数先设定一个初始值，在最大迭代次数不改变的条件下，要求初始值应该尽可能接近参数的最佳值。本实施例中根据经验值，可设定权值初始值k＝0.6，增益谱谱宽初始值ΔvB＝40MHz。由于本系统使用相干探测，相干探测后中心频率发生了变化，vB由11GHz左右变为几百MHz左右，系统设定的采集带宽为200MHz，因此，可设定布里渊频移初始值vB＝100MHz。因此，权值和阈值向量w(k,ΔvB,vB)的初始化值可表示为w(0)＝w(0.6,40MHz,100MHz)。
设w表示由权值和阈值组成的向量，即w是由k(线性权系数)、vB(布里渊中心频移)、ΔvB(增益谱半峰全宽)组成的待估向量。权值和阈值的变化量用Δw表示，则第k次迭代的权值和阈值组成的向量w(k)和第k+1次迭代的向量w(k+1)具有如下关系：
w(k+1)＝w(k)+Δw (4)
式中，k表示迭代次数。Δw可以由输出误差函数E(w)的Hessian矩阵以及输出误差函数的梯度表示，其表达式如下：
输出误差E(w)可由误差表示，即：
则有：
式中，J(w)为Jacobian矩阵，即：
LM算法可利用E(w)的Jacobian矩阵J(w)进行计算，表达式如下：
Δw＝-[JT(w)J(w)+μI]-1JT(w)e(w) (10)
式中：I——单位矩阵；
μ——阻尼因子(μ＞0)。
由上式可知，如果阻尼因子μ＝0，则为高斯牛顿法；如果μ取值很大，则LM算法接近梯度下降法。每迭代成功一步，则μ减小一些，这样在接近误差目标的时候，逐渐与高斯牛顿法相似，高斯牛顿法在接近误差的最小值的时候，计算速度更快，精度也更高。
如图3所示，LM算法的计算步骤如下：
(1)给出误差允许值ε、比例系数β、阻尼因子μ的值；初始化权值和阈值向量w(0)；
(2)计算网络输出；
(3)计算输出误差E(w)的Jacobian矩阵J(w)；
(4)分别按式(10)、式(6)计算权值和阈值的变化量△w和输出误差E[w(k)]；
(5)若输出误差函数E[w(k)]小于误差允许值ε，则存储权值和阈值并转到步骤(7)；否则，以w(k+1)为权值和阈值计算新的误差函数E[w(k+1)]；
(6)若E[w(k+1)]＜E[w(k)]，则增加迭代次数令k＝k+1，μ＝μ/β，并更新权值和阈值，并返回步骤(2)；否则，这次不更新权值和阈值，令w(k+1)＝w(k)，μ＝μβ，并回到步骤(4)重新计算；
(7)流程结束。
LM算法通过调节阻尼因子μ使得其具有高斯-牛顿算法的局部收敛特性和梯度下降算法的全局搜索能力。当迭代后的结果偏离误差目标较远时，阻尼因子μ选择的值应比较大，增强全局搜索能力；当迭代后的结果越接近误差目标时，阻尼因子μ选择的值就越小，局部搜索能力变强。因此，此方法可大大改善系统整体性能，提高运算的实时性和精度。
通过以上方法求解出模型中的k、vB、ΔvB等参数，得到布里渊频移量，至此，实现了布里渊散射信号处理。
Claims (4)
1.一种基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，它包括传感光纤、激光信号源、环形器、探测脉冲光路调制模块、移频参考光路调制模块、相干探测单元以及数据采集处理模块，其特征在于：激光源连接探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块的输入端，分别传输光学激励信号。探测脉冲光路调制模块的输出端连接环形器的一个输入端，移频参考光路调制模块的输出端连接相干探测单元的一个输入端。同时，传感光纤连接环形器的另一个输入端，环形器的输出端连接相干探测单元的另一个输入端。相干探测单元的输出端连接数据采集处理模块，数据采集处理模块的输出端反馈连接到移频参考光路调制模块；
传感光纤用于探测敏感温度和应变等外界环境的变化，并传输光信号；
激光信号源为探测脉冲光路调制模块和移频参考光路调制模块分别提供光学激励信号；
探测光路是将连续光信号调制成脉冲光；
移频光路是将连续光信号进行移频，调制成本地参考光；
相干探测单元是将光信号转换为电信号并降低信号中心频率，以便于后级采集处理；
数据采集处理模块实现信号的放大滤波、数据采集及识别提取处理。
2.一种布里渊散射信号处理方法，其特征在于，该包括如下步骤：
1)利用数据采集模块采集布里渊散射信号vB；
2)信号处理模块对相干后的频谱信号进行处理，具体为
a)确定理想状态下，采集的布里渊散射信号在频域下的强度分布
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其中：L(x)为自发布里渊散射的BOTDR传感系统频谱分布曲线，表示采集信号在频域下的强度分布；x为采集的布里渊散射信号的频率；h为布里渊散射谱峰值增益；vB为布里渊中心频移；ΔvB为布里渊散射谱的增益谱半峰全宽；
b)确定实际过程中，采集的布里渊散射信号在频域下的强度分布
<mrow>
<mi>G</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>h</mi>
<mi>exp</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mn>2.773</mn>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
其中：G(x)为高斯型布里渊散射谱模型，表示采集信号在频域下的强度分布,h为(0≤h≤1)为系数；
c)线性拟合确定非线性布里渊散射谱模型如下：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>k</mi>
<mfrac>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>exp</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>2.773</mn>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;v</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
d)求上述步骤中k、vB、ΔvB。
3.如权利要求2所述的一种布里渊散射信号处理方法，其特征在于：所述步骤2)中d)可采用LM算法来求解参数值。
4.如权利要求3所述的一种布里渊散射信号处理方法，其特征在于：k、vB、ΔvB组成权值和阈值向量w(k,ΔvB,vB)，其初始值为w(0)＝w(0.6,40MHz,100MHz)。
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