CN110749419A - 一种ofdr检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种OFDR检测方法，其步骤包括：将1个扫频周期的拍频信号进行时频域转换获得频域数据序列，对频域数据序列进行阈值判定，获得频域幅值高于预设阈值的主干涉仪异常频点数据序列，计算异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延，依次调整可调延时干涉臂的时延，探测并解调得到可调延时辅助干涉仪在不同时延下的相位信号数据序列，利用相位信号数据序列计算每一个异常频点对应的辅助参考信号数据序列，计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个频点对应的校正后频率值。本发明利用通过设定可调延时辅助干涉仪上可调延时干涉臂的时延值，可以针对光纤上特定异常频点做精确相位噪声补偿。

Description

一种OFDR检测方法
【技术领域】
本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种OFDR检测方法。
【背景技术】
随着光纤链路广泛使用，对于光纤链路健康状况检测的需求也逐步增加。
为了解决长距离光纤链路故障定位问题，目前通常使用OFDR(Optical frequencydomain reflectome光学频域反射)分布式光纤传感技术进行故障检测。但是传统OFDR分布式光纤传感设备会因相位噪声干扰等问题出现频率偏移，使得反射点或散射点的定位不够精确。目前使用的OFDR检测装置，使用固定时延辅助干涉仪补偿相位噪声，仅能进行固定时延值的补偿，无法根据相位噪声的变化调整时延以精确补偿，使OFDR分布式光纤传感装置无法同时对传感链路上的多个反射点或散射点检测，也无法快速地对链路上异常频点点进行精确定位。
【发明内容】
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明设计了一种具有可调时延的辅助干涉仪的OFDR检测方法，解决了OFDR系统中难以精确补偿异常频点的问题。
本发明采用如下技术方案:
一方面，本发明提供了一种OFDR检测方法，具体包括以下步骤：
S1：将主干涉仪上采集的1个扫频周期的拍频信号进行时频域转换获得主干涉仪的频域数据序列，
S2：筛选所述频域数据序列中频域幅值高于预设阈值的数据作为主干涉仪异常频点数据序列，主干涉仪异常频点数据序列中包含异常频点对应的异常频点频率值，
S3：计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延，
S4：依次调整可调延时干涉臂的时延，探测并解调得到可调延时辅助干涉仪在不同时延下的相位信号数据，得到相位信号数据序列，
S5：利用相位信号数据序列计算每一个异常频点对应的辅助参考信号数据序列，
S6：根据主干涉仪异常频点数据序列中异常频点频率值、相位信号数据序列、辅助参考信号数据序列、可调延时干涉臂的时延值，计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个频点对应的校正后频率值。
其中，主干涉仪异常频点数据序列包含每一个主干涉仪异常频点的频率Fk，其中k为异常频点在主干涉仪异常频点数据序列中的序号，计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延的方式具体为：由于扫频光源调制参数为已知稳定参数组合，以扫频光源参数组合、异常频点对应的第一频率和光在光纤介质中的速率可以遵循OFDR现有的技术计算得到异常频点的时延，优选的，预设阈值可以为-30db，异常频点为主干涉仪的频域数据序列中频域幅值高于预设阈值的频点。步骤S4中，探测并解调得到可调延时辅助干涉仪在不同时延下的相位信号数据序列，具体为：光探将可调延时辅助干涉仪生成的拍频光信号转换为电信号，数据处理模块完成可调延时辅助干涉仪的两个干涉臂的拍频电信号的采集与解调处理以得到相位信号，其中，相位信号为可调延时辅助干涉仪产生的干涉信号在时域上对应相位的信号。
优选的，依次调整可调延时干涉臂的时延，具体为：若主干涉仪异常频点数据序列长度为0，将可调延时干涉臂的时延值设置为第一时延值；若主干涉仪异常频点数据序列长度大于或等于1，计算第二时延值序列，将可调延时干涉臂依次设置为第二时延值序列。将第二时延值序列记为：τ1～τk，可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号数据序列记为：X(t-τ1)～X(t-τk)，其中，t为采样周期时长，辅助参考信号数据序列记为：X1(t)～Xk(t)，
进一步的，第一时延值τ0计算公式为：
τ0＝L·c·2·n，
其中，L为传感光纤链路的铺线长度，c为光信号在传感光纤链路中的传播速度，n为传感光纤链路中光纤介质的光折射率。由于传感光纤连接在主干涉仪上，其铺线长度可由施工现场环境要求或者测试得到。
进一步的，第二时延值序列为：固定延时干涉臂的时延与主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延的差值序列。
进一步的，固定延时干涉臂的时延最大值不小于主干涉臂上传感光纤导致的单程时延的2倍。
优选的，固定延时干涉臂的时延为主干涉臂上传感光纤导致的单程时延的2倍。
进一步的，辅助参考信号数据序列中第k个异常频点对应的辅助参考信号Xk(t)的计算公式为：
Figure BDA0002200101800000031
其中，t为采样周期时长，τk为第k个异常频点所对应的可调延时干涉臂的时延值，X(t-τk)为第k个异常频点对应的时延τk下可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号。
进一步的，第k个异常频点对应的校正后频率值f的计算公式为：
Figure BDA0002200101800000041
其中，Fk为第k个异常频点对应的异常频点频率值，X′(t-τ1)为第一个异常频点对应的可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号X(t-τ1)的时间微分计算结果，τk为第k个异常频点所对应的可调延时干涉臂的时延值，τ1为第一个异常频点所对应的可调延时干涉臂时延值，Xk′(t)为第k个异常频点辅助参考信号Xk(t)的时间微分计算结果。其中，时间微分在数学上可以处理为主干涉仪相位信号与对应时间的除法运算结果。
另一方面，本发明还提供了一种OFDR检测系统，包括：扫频光源、第一分光器、主干涉仪、第一光电探测器、可调延时辅助干涉仪、第二光电探测器和主控单元，线性扫描光源出光口与第一分光器入光口之间由光纤连接，第一分光器第一出光口与主干涉仪入光口之间由光纤连接，主干涉仪出光口与第一光电探测器之间由光纤连接，第一分光器第二出光口与可调延时辅助干涉仪入光口之间由光纤连接，可调延时辅助干涉仪出光口和第二光电探测器之间由光纤连接，第一光电探测器和主控单元数据接收端之间由数据线相连，第二光电探测器和主控单元数据接收端之间由数据线相连。本装置由于采用了可调时延干涉仪，使得可调延时辅助干涉仪的可以在不同的时延下测量不同位置上的相位信号，从而针对性精确补偿异常频点。其中，可调延时辅助干涉仪包含：固定延时干涉臂、可调延时干涉臂、第二分光器和第三分光器，第一分光器第二出光口和第二分光器入光口之间由光缆相连，第二分光器第一出光口与固定延时干涉臂一端相连，第三分光器第一入光口与固定延时干涉臂另一端相连，第二分光器第二出光口与可调延时干涉臂一端相连，第三分光器第二入光口与可调延时干涉臂另一端相连，第三分光器出光口与第二光电探测器相连可调延时干涉臂具体为电动可调延时线器件，电动可调时延线器件的时延调制端口与主控单元由电信号通路相连；主控单元包含至少一个处理设备或模块，处理设备或模块完成上述OFDR异常频点检测方法。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明通过设定可调延时辅助干涉仪的时延值，可以针对光纤上特定异常频点做精确补偿。
本发明利用多次设定可调延时辅助干涉仪的时延值，可以通过逐次测定多个异常频点相位噪声，实现主干涉仪一次采样即可对多个异常频点分别完成补偿。防止了强反射事件中强异常频点之后的异常频点被淹没，能够显著提升OFDR设备对强反射事件的适应性。
本发明依据主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延，采用电控依次调节可调延时干涉臂的时延值，逐次观测可调延时辅助干涉仪的相位信号，使得本发明装置对多个异常频点的补偿更为迅捷。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的一种OFDR检测方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种OFDR检测装置结构示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供了一种OFDR检测方法，所述OFDR检测方法包含以下步骤，
S1：将主干涉仪上采集的1个扫频周期的拍频信号进行时频域转换获得主干涉仪的频域数据序列，
S2：筛选所述频域数据序列中频域幅值高于预设阈值的数据作为主干涉仪异常频点数据序列，主干涉仪异常频点数据序列中包含异常频点对应的异常频点频率值，
S3：计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延，
S4：依次调整可调延时干涉臂的时延，探测并解调得到可调延时辅助干涉仪在不同时延下的相位信号数据，得到相位信号数据序列，
S5：利用相位信号数据序列计算每一个异常频点对应的辅助参考信号数据序列，
S6：根据主干涉仪异常频点数据序列、相位信号数据序列、辅助参考信号数据序列、可调延时干涉臂的时延值，计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个频点对应的校正后频率值。
其中，主干涉仪异常频点数据序列包含每一个主干涉仪异常频点的频率Fk，其中k为异常频点在主干涉仪异常频点数据序列中的序号，
计算主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延的方式具体为：由于扫频光源调制参数为已知稳定参数组合，以扫频光源参数组合、异常频点对应的第一频率和光在光纤介质中的速率可以遵循OFDR现有的技术计算得到异常频点的时延，优选的，预设阈值可以为-30db，异常频点为主干涉仪的频域数据序列中频域幅值高于预设阈值的频点。步骤S4中，探测并解调得到可调延时辅助干涉仪在不同时延下的相位信号数据序列，具体为：光探将可调延时辅助干涉仪生成的拍频光信号转换为电信号，数据处理模块完成可调延时辅助干涉仪的两个干涉臂的拍频电信号的采集与解调处理以得到相位信号，其中，相位信号为可调延时辅助干涉仪产生的干涉信号在时域上对应相位的信号。
结合本发明实施例，依次调整可调延时干涉臂的时延，存在一种优选的实现方式，具体为：若主干涉仪异常频点数据序列长度为0，将可调延时干涉臂的时延值设置为第一时延值；若主干涉仪异常频点数据序列长度大于或等于1，计算第二时延值序列，将可调延时干涉臂依次设置为第二时延值序列。将第二时延值序列记为：τ1～τk，可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号数据序列记为：X(t-τ1)～X(t-τk)，其中，t为采样周期时长，辅助参考信号数据序列记为：X1(t)～Xk(t)，
结合本发明实施例，第一时延值τ0计算公式为：
τ0＝L·c·2·n，
其中，L为传感光纤链路的铺线长度，c为光信号在传感光纤链路中的传播速度，n为传感光纤链路中光纤介质的光折射率。由于传感光纤连接在主干涉仪上，其铺线长度可由施工现场环境要求或者测试得到。
结合本发明实施例，第二时延值序列为：固定延时干涉臂的时延与主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延的差值序列。
在实际应用场景中，固定延时干涉臂的时延最大值不小于主干涉臂上传感光纤导致的单程时延的2倍。
结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，固定延时干涉臂的时延为主干涉臂上传感光纤导致的单程时延的2倍。
结合本发明实施例，辅助参考信号数据序列中第k个异常频点辅助参考信号Xk(t)的计算公式为：
Figure BDA0002200101800000081
其中，t为采样周期时长，τk为第k个异常频点所对应的可调延时干涉臂的时延值，X(t-τk)为第k个异常频点对应的时延τk下可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号。
结合本发明实施例，第k个所述异常频点对应的校正后频率值f的计算公式为：
Figure BDA0002200101800000082
其中，Fk为第k个异常频点对应的异常频点频率值，X′(t-τ1)为第一个异常频点对应的可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号X(t-τ1)的时间微分计算结果，τk为第k个异常频点所对应的可调延时干涉臂的时延值，τ1为第一个异常频点所对应的可调延时干涉臂时延值，Xk′(t)为第k个异常频点辅助参考信号Xk(t)的时间微分计算结果。其中，时间微分在数学上可以处理为主干涉仪相位信号与对应时间的除法运算结果。
如图2所示，为本发明实施例中一种OFDR检测系统的结构示意图，其包括：扫频光源、第一分光器、主干涉仪、第一光电探测器、可调延时辅助干涉仪、第二光电探测器和主控单元，线性扫描光源出光口与第一分光器入光口之间由光纤连接，第一分光器第一出光口与主干涉仪入光口之间由光纤连接，主干涉仪出光口与第一光电探测器之间由光纤连接，第一分光器第二出光口与可调延时辅助干涉仪入光口之间由光纤连接，可调延时辅助干涉仪出光口和第二光电探测器之间由光纤连接，第一光电探测器和主控单元数据接收端之间由数据线相连，第二光电探测器和主控单元数据接收端之间由数据线相连。本装置由于采用了可调延时辅助干涉仪，使得可调延时辅助干涉仪的可以在不同的时延下测量不同位置上的相位信号，从而针对性精确补偿异常频点。其中，可调延时辅助干涉仪包含：固定延时干涉臂、可调延时干涉臂、第二分光器和第三分光器，第一分光器第二出光口和第二分光器入光口之间由光缆相连，第二分光器第一出光口与固定延时干涉臂一端相连，第三分光器第一入光口与固定延时干涉臂另一端相连，第二分光器第二出光口与可调延时干涉臂一端相连，第三分光器第二入光口与可调延时干涉臂另一端相连，第三分光器出光口与第二光电探测器相连可调延时干涉臂具体为电动可调延时线器件，电动可调时延线器件的时延调制端口与主控单元由电信号通路相连；主控单元包含至少一个处理设备或模块，处理设备或模块完成上述OFDR异常频点检测方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种OFDR检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将主干涉仪上采集的1个扫频周期的拍频信号进行时频域转换获得主干涉仪的频域数据序列；
S2：筛选所述频域数据序列中频域幅值高于预设阈值的数据作为主干涉仪异常频点数据序列，所述主干涉仪异常频点数据序列中包含异常频点对应的异常频点频率值；
S3：计算所述主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延；
S4：调整可调延时干涉臂的时延，探测并解调得到可调延时辅助干涉仪在不同时延下的相位信号数据，得到相位信号数据序列；
S5：利用所述相位信号数据序列计算每一个异常频点对应的辅助参考信号数据序列；
S6：根据所述主干涉仪异常频点数据序列、所述相位信号数据序列、所述辅助参考信号数据序列、所述可调延时干涉臂的时延值，计算所述主干涉仪异常频点数据序列中每一个频点对应的校正后频率值。
2.根据权利要求1所述的OFDR检测方法，其特征在于，所述步骤S4中：调整可调延时干涉臂的时延，具体为：
若所述主干涉仪异常频点数据序列长度为0，将所述可调延时干涉臂的时延值设置为第一时延值；
若所述主干涉仪异常频点数据序列长度大于或等于1，计算第二时延值序列，将所述可调延时干涉臂依次设置为所述第二时延值序列中的每一个时延值。
3.根据权利要求2所述的OFDR检测方法，其特征在于：所述第一时延值τ0计算公式为：
τ0＝L·c·2·n，
其中，L为传感光纤链路的铺线长度，c为光信号在所述传感光纤链路中的传播速度，n为所述传感光纤链路中光纤介质的光折射率。
4.根据权利要求2所述的OFDR检测方法，其特征在于：所述第二时延值序列为：
所述固定延时干涉臂的时延与所述主干涉仪异常频点数据序列中每一个异常频点对应的时延的差值序列。
5.根据权利要求4所述的OFDR检测方法，其特征在于：
所述固定延时干涉臂的时延最大值不小于所述主干涉臂上传感光纤导致的单程时延的2倍。
6.根据权利要求5所述的OFDR检测方法，其特征在于：
所述固定延时干涉臂的时延为所述主干涉臂上传感光纤导致的单程时延的2倍。
7.根据权利要求2所述的OFDR检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述辅助参考信号数据序列中第k个异常频点对应的所述辅助参考信号Xk(t)的计算公式为：
其中，t为采样周期时长，τk为第k个异常频点所对应的可调延时干涉臂的时延值，X(t-τk)为第k个所述异常频点对应的时延τk下可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号。
8.根据权利要求7所述的OFDR检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，第k个所述异常频点对应的所述校正后频率值f的计算公式为：
Figure FDA0002200101790000022
其中，Fk为第k个所述异常频点对应的异常频点频率值，X′(t-τ1)为所述第一个异常频点对应的可调延时辅助干涉仪探测并解调得到的相位信号X(t-τ1)的时间微分计算结果，τk为第k个异常频点所对应的可调延时干涉臂的时延值，τ1为第一个异常频点所对应的可调延时干涉臂时延值，所述Xk′(t)为第k个所述异常频点辅助辅助参考信号Xk(t)的时间微分计算结果。
9.一种OFDR检测系统，其特征在于，包括：线性扫描光源、第一分光器、主干涉仪、第一光电探测器、可调延时辅助干涉仪、第二光电探测器和主控单元，
所述线性扫描光源出光口与所述第一分光器入光口之间由光纤连接，所述第一分光器第一出光口与所述主干涉仪入光口之间由光纤连接，所述主干涉仪出光口与所述第一光电探测器之间由光纤连接，所述第一分光器第二出光口与所述可调延时辅助干涉仪入光口之间由光纤连接，所述可调延时辅助干涉仪出光口和所述第二光电探测器之间由光纤连接，所述第一光电探测器和所述主控单元数据接收端之间由数据线相连，所述第二光电探测器和主控单元数据接收端之间由数据线相连，
其中，所述可调延时辅助干涉仪包含：固定延时干涉臂、可调延时干涉臂、第二分光器和第三分光器，
所述第一分光器第二出光口和所述第二分光器入光口之间由光缆相连，所述第二分光器第一出光口与所述固定延时干涉臂一端相连，所述第三分光器第一入光口与所述固定延时干涉臂另一端相连，所述第二分光器第二出光口与所述可调延时干涉臂一端相连，所述第三分光器第二入光口与所述可调延时干涉臂另一端相连，所述第三分光器出光口与所述第二光电探测器相连，
所述可调延时干涉臂具体为电动可调延时线器件，所述电动可调时延线器件的时延调制端口与主控单元由电信号通路相连；
所述主控单元包含至少一个处理设备或模块，所述处理设备或模块完成如权利要求1-8之一所述的一种OFDR检测方法。
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