CN111579048A - 一种基于滑动时间选通的ofdr系统振动检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，其方法为在OFDR系统数据处理过程中利用一种时间选通的方法对采集到的数据进行处理，实现对光纤沿线的振动信号检测；同时，通过设置滑动步长，提高了数据处理的有效采样率，从而增加了系统的频率响应范围。

Description

一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于滑动时间选通的OFDR(光频域反射)系统，应用于对外界振动信息的检测，特别是需要测量高频振动信号的OFDR系统。
背景技术
国防、军事、民用设施及人民生命财产的安全是关系国计民生的大事，因此我国在周界安防、长输管道安全、大型结构健康监测等领域有重大技术需求。由于光纤具有很强的抗电磁干扰、良好的电绝缘性以及传光特性。近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的分布式光纤传感系统在国防、军事、民用设施等方面越来越受到人们的广泛关注。分布式光纤传感技术通过探测及分析光纤内的光学效应测量沿光纤方向的特征信息。作为分布式光纤传感系统的代表，光频域反射技术(OFDR)具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰性强等优点，并且可连续探测传输过程中的振动、应变及温度等外界干扰的时间变化及空间分布信息。同时，由于OFDR系统具有高空间分辨率的特点，因此其在航天航空等高精度监测领域具有非常重要的应用。
OFDR原理为：可调谐激光光源发出的光被耦合器分为两束，一束进入待测光纤，一束进入参考光纤。将待测光纤与参考光纤后向瑞利散射信号分别产生的干涉信号作为频率函数，以一种复杂的方式采集并进行快速傅里叶变换处理，从而可以得到沿传感光纤构建反射的距离域映射。在OFDR测量振动实验中，可调谐光源扫频速率是系统的采样率主要限制因素之一，其系统采样率成正比，因此，可调谐光源扫频速率影响着系统可测量的频率响应范围。虽然可以通过提升可调谐光源的扫频速率来增加系统的频率响应范围，但极大的增加了硬件成本，这也是分布式光纤传感系统价格高昂的一个主要原因，因此，如何有效的解决系统振动检测是当前OFDR系统的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，此方法可以有效提高OFDR系统的频率响应范围。其技术方案为，
一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，包括以下步骤：
S1.分别采集两次信号，一次为不包含振动信息的信号，为参考信号；另一次为包含振动信息的信号，为测试信号；
S2.将参考信号与测试信号在时域上按一定的窗口大小滑动分割成N等份,其中每一份为一个分段信号，同时设定步长q，从而确定沿传感光纤的采样率，采样率由步长q决定，若步长q的持续时间为L，则采样率为1/L；
S3.将参考信号与测试信号各自的其中一个分段信号使用快速傅里叶变换到时域，然后按比例缩放到光纤长度；
S4.对步骤S3得到的结果通过逆傅里叶变换得到参考信号与测试信号各自的局部谱信息，即参考信号与测试信号各自的波长域数据；
S5.将参考信号与测试信号的波长域数据进行互相关运算，用互相关依次计算参考信号与测试信号各自的波长域数据，在存在振动信息的数据处会存在互相关波峰的偏移；
S6.依次对步骤S2中所有的分段信号进行步骤S2-S5处理，最终得到振动信息。
进一步的，所述步骤S2中，设定窗口大小为M，步长q满足0<q<M。
进一步的，为实现分布式动态应变测量，对传感光纤其它各个位置的振动信息均可通过运行步骤S2-S6获得。
进一步的，应用于OFDR系统的单次测量系统，以及所需测量参考信号的OFDR系统。
有益效果
1)本发明所提出的基于滑动时间选通的方法不仅可以有效的实现对OFDR系统中振动信号的检测及分析，还可以同时有效的检测OFDR系统中存在的多个振动信号。
2)本发明所提出的基于滑动时间选通的方法对信号处理时可以有效的提高系统的采样率，从而扩大系统的频率响应范围，为OFDR系统实现高频响检测奠定良好基础。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是窗口滑动原理图；
图3为OFDR原理图；
其中1-可调谐光源；2-耦合器一；3-耦合器二；4-环形器；5-马赫-曾德干涉仪；6-偏振控制器一；7-偏振控制器二；8-耦合器三；9-偏振分束器；10-探测器；11-采集卡；12-传感光纤；13-压电陶瓷。
具体实施方式
下面结合附图1-3和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分别采集两次信号，一次为不包含振动信息的信号，为参考信号；另一次为包含振动信息的信号，为测试信号；
S2.将参考信号与测试信号在时域上按一定的窗口大小滑动分割成N等份，采样时间为T，每一份时间为T/N；其中每一份为一个分段信号，同时设定步长P，从而确定沿传感光纤的采样率，采样率由步长q决定，若步长q的持续时间为L，则采样率为1/L；
图2中(a)为现有技术，(b)为本申请原理图，设定窗口大小为M，步长q满足0<q<M，若M＝3q,则相同的时间段内T/N采样率提高了3倍，如图2(b)。
S3.将参考信号与测试信号各自的其中一个分段信号使用快速傅里叶变换到时域，然后按比例缩放到光纤长度；
S4.对步骤S3得到的结果通过逆傅里叶变换得到参考信号与测试信号各自的局部谱信息，即参考信号与测试信号各自的波长域数据；
S5.将参考信号与测试信号的波长域数据进行互相关运算，用互相关依次计算参考信号与测试信号各自的波长域数据，在存在振动信息的数据处会存在互相关波峰的偏移，即频谱移动；
S6.依次对步骤S2中所有的分段信号进行步骤S2-S5处理，最终得到振动信息。
为了实现分布式动态应变测量，对传感光纤12其它各个位置的振动信息均可通过运行步骤S2-S6获得。
图1中,n代表循环次数，n小于等于T/L，m表示第m段光纤。
本方法适合于OFDR系统的单次测量系统，以及所需测量参考信号的OFDR系统。
图3，OFDR分布式振动传感系统，包括：可调谐激光源1的连续激光输出由耦合器一2(10/90光耦合器)分成两份，10％入射到一个非平衡的马赫-曾德触发干涉仪5，为采集卡11提供一个触发信号，其余部分的光被注入耦合器二3；耦合器一2的输出被耦合器二3(1/99光耦合器)分成两个部分，其中1％的输出通过偏振控制器一6进行调整，使“p”和“s”光分量具有相同的功率(此时耦合器三8与偏振控制器二7不接通)，99％通过环形器4和偏振控制器二7进入到传感光纤12探测；当耦合器三8与偏振控制器二7接通，瑞利散射信号与1％激光输出与耦合器三8(50/50光耦合器)相结合得到的干涉信号，通过偏振分束器9分解成“p”和“s”分量，由两个探测器10分别进行探测；最后“p”和“s”光由采集卡11采集，压电陶瓷13用来给传感光纤提供振动信号。
当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分别采集两次信号，一次为不包含振动信息的信号，为参考信号；另一次为包含振动信息的信号，为测试信号；
S2.将参考信号与测试信号在时域上按一定的窗口大小滑动分割成N等份,其中每一份为一个分段信号，同时设定步长q，从而确定沿传感光纤的采样率，采样率由步长q决定，若步长q的持续时间为L，则采样率为1/L；
S3.将参考信号与测试信号各自的其中一个分段信号使用快速傅里叶变换到时域，然后按比例缩放到光纤长度；
S4.对步骤S3得到的结果通过逆傅里叶变换得到参考信号与测试信号各自的局部谱信息，即参考信号与测试信号各自的波长域数据；
S5.将参考信号与测试信号的波长域数据进行互相关运算，用互相关依次计算参考信号与测试信号各自的波长域数据，在存在振动信息的数据处会存在互相关波峰的偏移；
S6.依次对步骤S2中所有的分段信号进行步骤S2-S5处理，最终得到振动信息。
2.根据权利要求2所述的一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，设定窗口大小为M，步长q满足0<q<M。
3.根据权利要求2所述的一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，为实现分布式动态应变测量，对传感光纤其它各个位置的振动信息均可通过运行步骤S2-S6获得。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于滑动时间选通的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，应用于OFDR系统的单次测量系统，以及所需测量参考信号的OFDR系统。
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