CN110855371A - 一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法及系统 - Google Patents
一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法及系统,该方法包括以下步骤:S1、设置光源脉冲光的编码方式,由编码器分别生成8组用于对脉冲光进行编码的数字序列;S2、设置编码脉冲宽度T0,用编码器生成的N组数字序列分别对光源进行调制,产生8组编码脉冲光;S3、将光源经调制输出的8组编码脉冲光注入到光纤中;S4、以T0为周期对光纤反射信号进行采集,采集得到N组反射信号;S5、对N组反射信号进行解调,根据编码方式选取信号解调的相关运算方式,解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号。本发明对光源脉冲光的编码方式进行改进,通过对光纤反射信号进行解调,提高光纤传感检测的空间分辨率,实现了光纤传感高空间分辨率的检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域,尤其涉及一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法及系统。
背景技术
光纤传感检测技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志,已广泛用于军事、国防、航天航空、工业控制、医药卫生、计量测试等领域。目前光纤传感检测可通过对光源脉冲光进行编码,相比单脉冲光源检测方案,提高了光纤传感检测的距离,但传统的编码方式会受到光源脉冲光上升沿功率变化的影响。由于光源脉冲光的上升沿存在光功率从低到高变化的过程,当光源脉冲光宽度较大时,这种上升沿功率的变化造成的影响基本可以忽略,但光纤传感检测的空间分辨率也较低;当光源脉冲光宽度较小时,上升沿时间占整个脉冲宽度的比例过大,上升沿功率的变化将对光纤传感检测的空间分辨率造成影响,使得空间分辨率不能随着光源脉冲光宽度的进一步减小而提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中传统的光源脉冲光编码方式造成的光纤传感检测空间分辨率不能随着光源脉冲光宽度进一步减小而提升的缺陷,提供一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法及系统,通过改变光源脉冲光的编码方式,提高光纤传感检测的空间分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明提供一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法,该方法包括以下步骤:
S1、设置光源脉冲光的编码方式,由编码器分别生成N组用于对脉冲光进行编码的数字序列;
S2、设置编码脉冲宽度T0,用编码器生成的N组数字序列分别对光源进行调制,产生N组编码脉冲光;
S3、将光源经调制输出的N组编码脉冲光注入到光纤中;
S4、以T0为周期对光纤反射信号进行采集,采集得到N组反射信号;
S5、对N组反射信号进行解调,根据编码方式选取信号解调的相关运算方式,解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号。
进一步地,本发明的该方法中由编码器分别生成8组用于对脉冲光进行编码的数字序列,进而对光源调制产生8组编码脉冲光。
进一步地,本发明的步骤S1中的编码方式具体为:
由编码器分别生成8组数字序列:A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w;使数字序列A1w、A2w满足从0到1变化的位置保持一致;
传统编码位数为L的数字序列Ak={s1,s2,s3,...,sL};
得到编码位数为2L+2的数字序列{0,0,s1,s1,s2,s2,s3,s3,...,sL,sL};
其中若出现相邻两位编码为01时,将这两位编码改为11;
按此规则得出编码位数为2L+2的A1w;
而A1w-A2w等于{0,0,s1,s1,s2,s2,s3,s3,...,sL,sL},推算出编码位数为2L+2的A2w;
数字序列B1w、B2w满足从0到1变化的位置保持一致;数字序列C1w、C2w满足从0到1变化的位置保持一致;数字序列D1w、D2w满足从0到1变化的位置保持一致。
进一步地,本发明的8组数字序列满足如下关系:
当w=2k+2或2k+3时:
A1w-A2w=A12k+2-A22k+2=A12k+3-A22k+3=Ak
B1w-B2w=B12k+2-B22k+2=B12k+3-B22k+3=Bk
C1w-C2w=C12k+2-C22k+2=C12k+3-C22k+3=Ck
D1w-D2w=D12k+2-D22k+2=D12k+3-D22k+3=Dk
当w=0或1时:
A1w-A2w=A10-A20=A11-A21=0
B1w-B2w=B10-B20=B11-B21=0
C1w-C2w=C10-C20=C11-C21=0
D1w-D2w=D10-D20=D11-D21=0
其中,0≤k<L,L为传统编码的位数,而改进后的编码位数为2L+2,即0≤w<2L+2。
进一步地,本发明的步骤S2中进行光源调制的方法具体为:
以T0为编码脉冲宽度进行光源调制,用编码器生成的8组数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w分别对光源进行调制,产生的编码脉冲光分别为xa1、xa2、xb1、xb2、xc1、Xc2、xd1、xd2;编码脉冲光xa1、xa2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xb1、xb2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xc1、xc2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xd1、xd2上升沿的位置保持一致。
进一步地,本发明的步骤S4中采集到的反射信号为:
以T0为周期进行信号采集,以T0为周期采样经光源调制后的光纤的反射信号分别为ya1、ya2、yb1、yb2、yc1、Yc2、yd1、yd2;
其中,y0表示单脉冲光宽度T0对应的光纤反射信号,Pa0表示编码脉冲光xa1、xa2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xa1、xa2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pb0表示编码脉冲光xb1、xb2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xb1、xb2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pc0表示编码脉冲光xc1、xc2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xc1、xc2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pd0表示编码脉冲光xd1、xd2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xd1、xd2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的。
进一步地,本发明的步骤S5中进行解调的方法具体为:
将经光源调制后的采样信号ya1、ya2、yb1、yb2、yc1、yc2、yd1、yd2与数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w进行相关运算;其公式为:
[(ya1-ya2)-(yb1-yb2)]*[(A1w-A2w)-(B1w-B2w)]+[(yc1-yc2)-(yd1-yd2)]*[(C1w-C2w)-(D1w-D2w)]
解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号为2Ly1。
进一步地,本发明的步骤S5中进行相关运算的具体方法为:
其中,y1表示单脉冲光宽度T1=2T0对应的光纤反射信号,y1满足以下关系:
本发明提供一种提高光纤传感检测空间分辨率的系统,包括以下单元:
脉冲光编码单元,用于设置光源脉冲光的编码方式,由编码器分别生成N组用于对脉冲光进行编码的数字序列;
光源调制单元,用于设置编码脉冲宽度T0,用编码器生成的N组数字序列分别对光源进行调制,产生N组编码脉冲光;
光纤传输单元,用于将光源经调制输出的N组编码脉冲光注入到光纤中;
信号采集单元,用于以T0为周期对光纤反射信号进行采集,采集得到N组反射信号;
反射信号解调单元,对N组反射信号进行解调,根据编码方式选取信号解调的相关运算方式,解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号。
本发明产生的有益效果是:本发明的提高光纤传感检测空间分辨率的方法及系统,基于传统的光源脉冲光编码方式造成的光纤传感检测的空间分辨率不能随着光源脉冲光宽度进一步减小而提升的问题,对光源脉冲光的编码方式进行改进,通过对光纤反射信号进行解调,提高光纤传感检测的空间分辨率,实现了光纤传感高空间分辨率的检测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明实施例的提高光纤传感检测空间分辨率的方法流程图;
图2是本发明实施例的光源调制的编码脉冲光示意图。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供的一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法,解决传统的光源脉冲光编码方式造成的光纤传感检测空间分辨率不能随着光源脉冲光宽度进一步减小而提升的问题,实现光纤传感高空间分辨率的检测,包括以下步骤(如图1所示):
1、改进编码器产生新的编码,传统的4组序列Ak、Bk、Ck、Dk(0≤k<L,其中L=8为传统编码的位数),Ak、Bk、Ck、Dk等于1或者0。
Ak={1,1,1,0,1,1,0,1}
Bk={0,0,0,1,0,0,1,0}
Ck={1,1,1,0,0,0,1,0}
Dk={0,0,0,1,1,1,0,1}
传统的4组数字序列满足如下关系:
(Ak-Bk)*(Ak-Bk)+(Ck-Dk)*(Ck-Dk)=2Lδk
其中*为相关运算。
A1k={0,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1}
A2k={0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0}
B1k={0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,1,1,1,0,0}
B2k={0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0}
C1k={0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0}
C2k={0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0}
D1k={0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1}
D2k={0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0}
8组数字序列满足如下关系:
当w=2k+2或2k+3时:
Δ1w-A2w=A12k+2-A22k+2=A12k+3-A22k+3=Ak
B1w-B2w=B12k+2-B22k+2=B12k+3-B22k+3=Bk
C1w-C2w=C12k+2-C22k+2=C12k+3-C22k+3=Ck
D1w-D2w=D12k+2-D22k+2=D12k+3-D22k+3=Dk
当w=0或1时:
A1w-A2w=A10-A20=A11-A21=0
B1w-B2w=B10-B20=B11-B21=0
C1w-C2w=C10-C20=C11-C21=0
D1w-D2w=D10-D20=D11-D21=0
其中,0≤k<L,L=8为传统编码的位数,而改进后的编码位数为2L+2,即0≤w<2L+2=18。
2、以T0=1ns为编码脉冲宽度进行光源调制,用编码器生成的8组数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w分别对光源进行调制,产生的编码脉冲光分别为xa1、xa2、xb1、xb2、xc1、xc2、xd1、xd2,如图2所示,编码脉冲光xa1、xa2、xb1、xb2、xc1、xc2、xd1、xd2的编码脉冲宽度为T0=1ns,编码脉冲光的上升沿时间T上升=0.5ns。由于数字序列A1w、A2w从0到1变化的位置保持一致,编码脉冲光xa1、xa2上升沿的位置也保持一致;由于数字序列B1w、B2w从0到1变化的位置保持一致,编码脉冲光xb1、xb2上升沿的位置也保持一致;由于数字序列C1w、C2w从0到1变化的位置保持一致,编码脉冲光xc1、xc2上升沿的位置也保持一致;由于数字序列D1w、D2w从0到1变化的位置保持一致,编码脉冲光xd1、xd2上升沿的位置也保持一致。
传统编码位数为L的数字序列Ak{s1,s2,s3,...,sL};
得到编码位数为2L+2的数字序列{0,0,s1,s1,s2,s2,s3,s3,...,sL,sL};
其中若出现相邻两位编码为01时,将这两位编码改为11;
按此规则得出编码位数为2L+2的A1w;
而A1w-A2w等于{0,0,s1,s1,s2,s2,s3,s3,...,sL,sL},推算出编码位数为2L+2的A2w。
3、向光纤中注入编码脉冲光,将光源经调制输出的编码脉冲光xa1、xa2、xb1、xb2、xc1、xc2、xd1、xd2分别注入到光纤中。
4、以T0=1ns为周期进行信号采集,以T0=1ns为周期采样经光源调制后的光纤的反射信号分别为ya1、ya2、yb1、yb2、yc1、yc2、yd1、yd2。
其中,y0表示单脉冲光宽度T0=1ns对应的光纤反射信号。Pa0表示编码脉冲光xa1、xa2光上升沿功率的变化造成的采集信号变化,由于编码脉冲光xa1、xa2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xa1、xa2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pb0表示编码脉冲光xb1、xb2光上升沿功率的变化造成的采集信号变化,由于编码脉冲光xb1、xb2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xb1、xb2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pc0表示编码脉冲光xc1、xc2光上升沿功率的变化造成的采集信号变化,由于编码脉冲光xc1、xc2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xc1、xc2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pd0表示编码脉冲光xd1、xd2光上升沿功率的变化造成的采集信号变化,由于编码脉冲光xd1、xd2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xd1、xd2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的。
5.以相关运算进行信号解调,将经光源调制后的采样信号ya1、ya2、yb1、yb2、yc1、yc2、yd1、yd2与数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w进行相关运算即[(ya1-ya2)-(yb1-yb2)]*[(A1w-A2w)-(B1w-B2w)]+[(yc1-yc2)-(yd1-yd2)]*[(C1w-C2w)-(D1w-D2w)],可解调出编码脉冲宽度T1=2T0=2ns对应的光纤的反射信号为2Ly1。
其中y1表示单脉冲光宽度T1=2T0对应的光纤反射信号,y1满足以下关系:
光纤中每相隔0.1m的位置对应的反射光被采样到的时间间隔为0.1m/V光速×2=1ns(光在光缆中传播速度V光速=2×108m/s),y0(n)表示单脉冲光宽度T0=1ns对应的第n个采集数据(采样周期为T0=1ns),为0.1m长度的光纤反射信号,对应的空间分辨率为0.1m。y1(n)表示单脉冲光宽度T1=2T0=2ns对应的第n个采集数据(采样周期为T0=1ns),为2段0.1m长度的光纤反射信号的混叠即0.2m长度的光纤反射信号,对应的空间分辨率为0.2m。
由于传统的4组序列Ak、Bk、Ck、Dk对应的编码脉冲光上升沿的位置不同,解调出的编码脉冲宽度T1=2T0=2ns对应的光纤反射信号为Q1+2Ly1(其中Q1表示传统编码脉冲光上升沿功率的变化造成的解调误差)。光源编码脉冲光宽度T1=2T0=2ns,上升沿时间T上升=0.5ns占整个脉冲宽度T1=2T0=2ns的比例过大,上升沿功率的变化对光纤传感检测的解调结果造成的解调误差Q1不可忽略,从而无法准确解调出光纤的反射信号y1,实际的空间分辨率要远低于单脉冲光宽度T1=2T0=2ns对应的空间分辨率2m。相比传统的编码方式,改进的8组数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w的编码方式即使在光源脉冲光宽度T0=1ns较小时,也可以有效滤除由于编码脉冲光上升沿功率的变化造成的采集信号变化,准确的解调出光纤的反射信号y1,实际的空间分辨率等于单脉冲光宽度T1=2T0=2ns对应的空间分辨率2m(当T0=0.5ns时,空间分辨率为1m),使得光纤传感检测的空间分辨率可以随着光源脉冲光宽度的进一步减小而提升。
本发明实施例的提高光纤传感检测空间分辨率的系统,包括以下单元:
脉冲光编码单元,用于设置光源脉冲光的编码方式,由编码器分别生成N组用于对脉冲光进行编码的数字序列;
光源调制单元,用于设置编码脉冲宽度T0,用编码器生成的N组数字序列分别对光源进行调制,产生N组编码脉冲光;
光纤传输单元,用于将光源经调制输出的N组编码脉冲光注入到光纤中;
信号采集单元,用于以T0为周期对光纤反射信号进行采集,采集得到N组反射信号;
反射信号解调单元,用于对N组反射信号进行解调,根据编码方式选取信号解调的相关运算方式,解调得到单脉冲的光纤反射信号,其脉冲宽度大于编码脉冲宽度T0。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1、设置光源脉冲光的编码方式,由编码器分别生成N组用于对脉冲光进行编码的数字序列;
S2、设置编码脉冲宽度T0,用编码器生成的N组数字序列分别对光源进行调制,产生N组编码脉冲光;
S3、将光源经调制输出的N组编码脉冲光注入到光纤中;
S4、以T0为周期对光纤反射信号进行采集,采集得到N组反射信号;
S5、对N组反射信号进行解调,根据编码方式选取信号解调的相关运算方式,解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号。
2.根据权利要求1所述的提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,该方法中由编码器分别生成8组用于对脉冲光进行编码的数字序列,进而对光源调制产生8组编码脉冲光。
3.根据权利要求2所述的提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,步骤S1中的编码方式具体为:
由编码器分别生成8组数字序列:A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w,使数字序列A1w、A2w满足从0到1变化的位置保持一致,其具体规则为:
传统编码位数为L的数字序列Ak={s1,s2,s3,…,sL};
得到编码位数为2L+2的数字序列{0,0,s1,s1,s2,s2,s3,s3,…,sL,sL};
其中若出现相邻两位编码为01时,将这两位编码改为11;
按此规则得出编码位数为2L+2的A1w;
而A1w-A2w等于{0,0,s1,s1,s2,s2,s3,s3,…,sL,sL},推算出编码位数为2L+2的A2w;
数字序列B1w、B2w满足从0到1变化的位置保持一致;数字序列C1w、C2w满足从0到1变化的位置保持一致;数字序列D1w、D2w满足从0到1变化的位置保持一致;其具体变化规则与数字序列A1w、A2w相同。
4.根据权利要求3所述的提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,步骤S1中的8组数字序列满足如下关系:
当w=2k+2或2k+3时:
A1w-A2w=A12k+2-A22k+2=A12k+3-A22k+3=Ak
B1w-B2w=B12k+2-B22k+2=B12k+3-B22k+3=Bk
C1w-C2w=C12k+2-C22k+2=C12k+3-C22k+3=Ck
D1w-D2w=D12k+2-D22k+2=D12k+3-D22k+3=Dk
当w=0或1时:
A1w-A2w=A10-A20=A11-A21=0
B1w-B2w=B10-B20=B11-B21=0
C1w-C2w=C10-C20=C11-C21=0
D1w-D2w=D10-D20=D11-D21=0
其中,0≤k<L,L为传统编码的位数,而改进后的编码位数为2L+2,即0≤w<2L+2。
5.根据权利要求4所述的提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,步骤S2中进行光源调制的方法具体为:
以T0为编码脉冲宽度进行光源调制,用编码器生成的8组数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w分别对光源进行调制,产生的编码脉冲光分别为xa1、xa2、xb1、xb2、xc1、xc2、xd1、xd2;编码脉冲光xa1、xa2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xb1、xb2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xc1、xc2上升沿的位置保持一致,编码脉冲光xd1、xd2上升沿的位置保持一致。
6.根据权利要求5所述的提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,步骤S4中采集到的反射信号为:
以T0为周期进行信号采集,以T0为周期采样经光源调制后的光纤的反射信号分别为ya1、ya2、yb1、yb2、yc1、yc2、yd1、yd2;
其中,y0表示单脉冲光宽度T0对应的光纤反射信号,Pa0表示编码脉冲光xa1、xa2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xa1、xa2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pb0表示编码脉冲光xb1、xb2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xb1、xb2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pc0表示编码脉冲光xc1、xc2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xc1、xc2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的;Pd0表示编码脉冲光xd1、xd2上升沿功率的变化造成的采集信号变化,编码脉冲光xd1、xd2上升沿功率的变化造成的采集信号变化是相同的。
7.根据权利要求6所述的提高光纤传感检测空间分辨率的方法,其特征在于,步骤S5中进行解调的方法具体为:
将经光源调制后的采样信号ya1、ya2、yb1、yb2、yc1、yc2、yd1、yd2与数字序列A1w、A2w、B1w、B2w、C1w、C2w、D1w、D2w进行相关运算;其公式为:
[(ya1-ya2)-(yb1-yb2)]*[(A1w-A2w)-(B1w-B2w)]+[(yc1–yc2)-(yd1–yd2)]*[(C1w-C2w)-(D1w-D2w)]
解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号为2Ly1。
9.一种提高光纤传感检测空间分辨率的系统,其特征在于,包括以下单元:
脉冲光编码单元,用于设置光源脉冲光的编码方式,由编码器分别生成N组用于对脉冲光进行编码的数字序列;
光源调制单元,用于设置编码脉冲宽度T0,用编码器生成的N组数字序列分别对光源进行调制,产生N组编码脉冲光;
光纤传输单元,用于将光源经调制输出的N组编码脉冲光注入到光纤中;
信号采集单元,用于以T0为周期对光纤反射信号进行采集,采集得到N组反射信号;
反射信号解调单元,对N组反射信号进行解调,根据编码方式选取信号解调的相关运算方式,解调出编码脉冲宽度T1=2T0对应的光纤的反射信号。
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