CN111693131A - 一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，该方法通过对传感单元获取的声场信号进行预处理从而获取信号源的空间位置信息，继而对上述信息进行信号处理，既能有效抑制分布式光纤声传感系统本身引入的系统随机噪声，提高系统灵敏度，又具备增强或抑制特定来向和特定空间位置信号的能力，使得能够定向及定点探测扰动信号。本发明具备实施简单、处理速度快、抗干扰能力强、信噪比提升明显等优势，可进一步提高现有传感系统在复杂工作环境下对目标干扰信号的监测能力，适用于铁路安全、油气管监测、周界安防等领域，具有重大意义。

Description

一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法

技术领域

本发明涉及信号源监测领域，具体为一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法。

背景技术

分布式光纤声传感器被广泛运用在铁路安全，油气管道监测，周界安防等领域。现有的分布式光纤声传感器大多利用普通通信光纤作为传感光纤，一方面其对分布式光纤声传感器应用场景的扰动信号的换能系数较低，对于弱信号的探测能力受限于传感系统的基底噪声；另一方面，分布式光纤声传感器的应用场景中往往会存在环境噪声以及除目标信号之外的干扰信号，使得传感系统难以有效识别复杂工作环境下的目标信号。

现有技术一【Pan Z,Cai H,Qu R,et al.Phase-sensitive OTDR system basedon digital coherent detection.Asia Communications&Photonics Conference&Exhibition.IEEE,2012.】提出了基于数字相干解调的相位敏感光时域反射计定量化测量系统及幅度、相位信息的解调公式，但并未进一步利用定量化声场信号间的空间相关性对声场信号进行增强。

现有技术二【Yang G,Fan X,Wang S,et al.Long-Range Distributed VibrationSensing Based on Phase Extraction From Phase-Sensitive OTDR.IEEE PhotonicsJournal,2016.】提出了一种针对激光器相位噪声的补偿方法，来提高相位敏感光时域反射计在长距离监测下的信噪比，但该方法需要在传感光纤沿线设置弱反射点来提取激光器相位噪声。

现有技术三【Martins H,Shi K,Thomsen B,et al.Real time dynamic strainmonitoring of optical links using the backreflection of live PSK data[J].Optics Express,2016.】利用了脉冲编码技术对相位敏感光时域反射计的传感信号进行增强，有效提升了信噪比，但这种方法不具备定向探测能力，对于干扰信号难以进行抑制。

现有技术四【Liu T,Wang F,Zhang X,et al.Phase sensitive distributedvibration sensing based on ultraweak fiber Bragg grating array using double-pulse[J].Optical Engineering,2017.】利用弱反射光栅阵列结构对光纤背向散射光进行增强，能够有效抑制相位敏感光时域反射计中的瑞利相干噪声，提升对扰动信号探测的信噪比，但这种方法不具备定向探测能力，对于干扰信号难以进行抑制。

发明内容

为了克服上述在先技术的缺点，本发明提出一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，使分布式传感系统能够定向及定点探测扰动信号，同时具备增强和抑制特定来向或特定空间位置信号的能力。该方法适用于现有传感系统，具有实施简单、处理速度快、抗干扰能力强、信噪比提升明显等优势，能够极大提高分布式光纤声传感器在铁路安全、油气管道监测、周界安防等复杂工作环境下对目标信号的监测能力。

本发明提出了一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，包括信号源、分布式光纤声传感器、传感光纤，其特征在于所述方法如图1所述，包括以下步骤：

1)所述的分布式光纤声传感器向所述传感光纤发射探测光脉冲，对所述传感光纤沿线感知的声场进行定量化监测，并获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；

2)所述的分布式光纤声传感器对获得的声场信号进行预处理：

首先，在所述的传感光纤内选择一段长为L的区间作为增强孔径，计算增强孔径内所接收信号的空间位置信息；

其次，增强孔径内，包含的传感单元数量为N，由分布式光纤声传感器的空间采样频率f_s决定，以Δn为间隔取，

个传感单元采集的声场信号作为采样信号组，

其中，l₁表示增强孔径在光纤链路上的起始位置；

最后，根据所述的空间位置信息，计算信号源关于增强孔径内每个传感单元的时间延迟向量，

或相位延迟向量

其中m＝1,2,…,M，M表示信号源个数；

3)利用阵列信号处理方法对步骤2)所获得的采样信号组和延迟向量进行信号处理。

所述的步骤2)中空间位置信息为信号源相对增强孔径的方位向量或信号源相对增强孔径的三维位置坐标。

所述的步骤2)中空间位置信息利用信号源空间定位方法获得或根据先验知识人为指定。

所述的增强孔径的区间根据具体应用场景需求而定，需权衡计算时间和增强效果。所述采样信号组包含传感单元数量根据具体应用场景需求而定，需权衡计算时间和增强效果。所述基于分布式光纤传感的信号源空间定位方法不属于本专利讨论范围。所述的空间信息可以只是信号源相对增强孔径的方位向量，也可以只是信号源相对增强孔径的三维位置坐标，也可以两者都包括，根据实际应用场景和应用需求而定。

所述的步骤3)中阵列信号处理方法为自适应空域滤波方法或延时求和方法。

所述的自适应空域滤波方法为最小方差无畸变响应波束形成器(MVDR)、线性约束最小方差波束形成器(LCMV)、广义旁瓣相消波束形成器(GSC)中的一种。

所述的延时求和方法如下：

计算延迟补偿权重，

对于第m个信号源，其增强信号按照以下方式计算，

对于其他M-1个信号源，其抑制信号效果受增强孔径大小限制，若需要增强第m'个信号源，重新计算其延迟补偿权重w_m'(Δτ)，并按上述方程计算增强信号的输出Y_m'(t)即可。

所述的线性约束最小方差波束形成器(LCMV)方法如下：

计算采样信号组的协方差矩阵，

其中K表示所述的分布式光纤声传感器向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数；

对于第m个信号源，确定限制向量F_1×M＝[0 0…1…0]，其中限制向量的第m个元素为1，其余均为0，限制向量确定了只对第m个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制，按下列方程计算相位补偿权重，

其中，H表示共轭转置，

对于第m个信号源，其增强信号分别按下列方程计算，

若需增强第m'个信号源，修改限制向量F_1×M，重新计算相位补偿权重

并按上述方程计算增强信号的输出Y_m'(t)即可。

所述的信号源为宽带信号时，所述的步骤2)还包括：

将采样信号组变换到频域采样信号组X(f)，并拆分成P个子带信号X(f_p)，

根据信号源相对增强孔径的空间位置信息，计算信号源的每个子带关于每个传感单元的相位延迟向量

或时间延迟向量

所述的步骤3)为采用线性约束最小方差波束形成器处理所述的频域采样信号组，具体为：

首先计算各子频带对应的协方差矩阵，

其中J表示所述的分布式光纤声传感器对时域采样信号组进行快速傅里叶变换的频率精度；

其次，对于第m个信号源，确定限制向量F_1×M＝[0 0…1…0]，其中限制向量的第m个元素为1，其余均为0，限制向量确定只对第m个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制，按下列方程计算各子频带对应的相位补偿权重，

其中，H表示共轭转置，

最后，对于第m个信号源的第p个子带，其频域增强信号按下列方程计算，

将所有子带重构成完整频域信号，再通过快速傅里叶逆变换即可得到经过增强后的第m个信号源的时域信号。若需增强第m'个信号源，修改限制向量F_1×M，重新计算各个子带的相位补偿权重

并按上述方程计算各个子带的频域增强信号

即可。

本发明的特点和优点在于：

1.本发明适用于现有分布式光纤声传感器系统，仅利用光纤沿线分布的传感单元以及对接收到的信号进行预处理即可实现，实施简单、成本较低；

2.本发明通过对信号进行处理，不仅有效抑制了系统的随机噪声，提高了系统的灵敏度，同时具备增强或抑制特定空间方向和特定空间位置的功能，有效拓展了分布式光纤声传感器在声波通信与探测等领域的应用，进一步提高了现有传感系统在复杂工作环境下对目标信号的监测能力，具有重大意义。

3.本发明使分布式光纤声传感器实现了大范围长距离的实时定量化声场测量，传感孔径大，容易形成具备精确空间指向的波束形成器，能有效抑制测量环境中的干扰信号，提升信干比；传感点在传感光纤上密集排布，为信号源增强提供了大量冗余的传感信号，能有效抑制传感系统本身的系统噪声，对传感系统灵敏度有大幅度提升。

附图说明

图1是本发明信号处理流程图；

图2是本发明信号处理方法原理图；

图3为本发明双平行传感光纤铺设结构的信号处理方法原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。根据本发明的思想，可以采用若干实施方法。如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案并不局限于此。

实施例1：

其原理图如图2所示，包括相干探测的相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感器1，传感光纤2，增强孔径2-1，传感通道2-2，特定空间方向的信号源3-1、3-2以及特定空间位置的信号源3-3，波束形成器4。信号源可以是宽带信号，也可以是窄带信号，其信号处理方法主要包括以下3个步骤：

1)所述的相干探测的相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感器1向所述的传感光纤2发射探测光脉冲，对所述传感光纤沿线感知的声场进行定量化监测，并获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；

2)所述的相位敏感光时域反射计1对获得的声场信号进行预处理：

首先，所述的分布式光纤声传感器1在传感光纤链路中，选择一段长为L区间作为增强孔径2-1，在该区间内利用基于分布式光纤传感的信号源空间定位方法，获取增强孔径2-1内的所接收信号的空间位置信息。所述增强孔径2-1内，包含的传感通道2-2数量为N，具体由分布式光纤声传感器的采样频率f_s决定，以Δn为间隔取

个传感单元采集的声场信号作为采样信号组，

其中，l₁表示增强孔径2-1在光纤链路上的起始位置。

最后，根据目标信号源3-1相对增强孔径2-1的空间信息，计算信号源关于每个传感单元的时间延迟向量

其中m＝1,2,…,M，M表示信号源个数。

3)所述的采样信号组输入至波束形成器4中，并按延时求和方法处理，计算延迟补偿权重，

对于第m个信号源，其增强信号分别按下列方程计算，

对于其他M-1个信号源的抑制效果受增强孔径大小限制，若需要增强第m'个信号源，重新计算其延迟补偿权重w_m'(Δτ)，并按上述方程计算增强信号的输出Y_m'(t)即可。

实施例2

其原理图如图3所示，包括光频域反射计结构的分布式光纤声传感系统1，传感光纤2，增强孔径2-1，传感通道2-2，特定空间方向的信号源3-1，特定空间位置的信号源3-2和3-3波束形成器4。所述传感光纤2以双平行结构铺设，与分布式光纤声传感系统1相连。所述传感光纤铺设结构需满足基于分布式光纤传感的信号源空间定位方法的要求，不属于本专利讨论范围。信号源可以认为是窄带信号的。信号处理方法主要包括3个步骤：

1)所述的光频域反射计1向传感光纤2发射探测光脉冲，对所述传感光纤2沿线感知的声场进行定量化检测，并获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；

2)所述的光频域反射计1对获得的声场信号进行预处理：

首先，所述的分布式光纤声传感器1在传感光纤链路中，选择一段长为L区间作为增强孔径2-1，在该区间内根据应用场景的先验知识，指定增强孔径2-1内需要增强的接收信号的信号源空间位置P_m(x,y,z)，以及需要抑制的接收信号的信号源空间位置P_m'(x,y,z)，或者是需要增强的接收信号的信号源空间来向

以及需要抑制的接收信号的信号源空间来向

增强孔径内，包含的传感单元数量为N，具体由分布式光纤声传感器的空间采样频率f_s决定，以Δn为间隔取

个传感单元采集的声场信号作为采样信号组，

其中，l₁表示增强孔径在光纤链路2_2上的起始位置。

根据待增强的信号源空间位置信息或空间方向信息，计算该空间位置或空间方向下关于相对每个传感单元的相位延迟向量

其中m＝1,2,…,M，M表示信号源个数。

3)所述的采样信号组输入至波束形成器4中，并按基于线性约束最小方差波束形成器(LCMV)处理，按下列方程先计算采样信号组的协方差矩阵，

其中K表示所述的光频域反射计向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数。

对于第m个信号源，确定限制向量F_1×M＝[0 0…1…0]，其中限制向量的第m个元素为1，其余均为0。限制向量确定了只对第_m个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制。

按下列方程计算相位补偿权重，

其中，H表示共轭转置。对于第m个信号源，其增强信号分别按下列方程计算，

若需增强第m'个信号源，修改限制向量F_1×M，重新计算相位补偿权重

并按上述方程计算增强信号的输出Y_m'(t)即可。

实施例3

采用直接探测的相位敏感光时域反射计结构的分布式光纤声传感系统，其原理图如图2类似，这里不再赘述。信号源是宽带信号的，其信号处理方法主要包括以下3个步骤：

1)所述的相位敏感光时域反射计1向传感光纤2发射探测光脉冲，对所述传感光纤2沿线感知的声场进行定量化检测，并获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；

2)所述的光频域反射计1对获得的声场信号进行预处理：

首先，所述的分布式光纤声传感器1在传感光纤链路中，选择一段长为L区间作为增强孔径2-1，在该区间内利用基于分布式光纤传感的信号源空间定位方法，获取增强孔径内的所接收信号的信号源空间位置信息。增强孔径内，包含的传感单元数量为N，具体由分布式光纤声传感器的空间采样频率f_s决定，以Δn为间隔取

个传感单元采集的声场信号作为采样信号组，

其中，l₁表示增强孔径在光纤链路2上的起始位置，将采样信号组变换到频域X(f)，并拆分成P个子带信号X(f_p)。

根据信号源的相对增强孔径的空间信息，计算信号源的每个子频带关于每个传感单元的相位延迟向量

其中m＝1,2,…,M，M表示信号源个数。

3)所述的频域采样信号组按基于线性约束最小方差波束形成器处理，按下列方程先计算各子频带对应的协方差矩阵，

其中J表示所述的直接探测光时域反射计对时域采样信号组进行快速傅里叶变换的频率精度。对于第m个信号源，确定限制向量F_1×M＝[0 0…1…0]，其中限制向量的第m个元素为1，其余均为0。限制向量确定了只对第m个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制。按下列方程计算各子频带对应的相位补偿权重，

其中，H表示共轭转置。对于第m个信号源的第p个子带，其频域增强信号按下列方程计算，

将所有子带重构成完整频域信号，再通过快速傅里叶逆变换即可得到经过增强后的第m个信号源的时域信号。若需增强第m'个信号源，修改限制向量F_1×M，重新计算各个子带的相位补偿权重

并按上述方程计算各个子带的频域增强信号

即可。

Claims (9)

1.一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，包括信号源、分布式光纤声传感器、传感光纤，所述方法包括以下步骤：

1)所述的分布式光纤声传感器向所述传感光纤发射探测光脉冲，对所述传感光纤沿线感知的声场进行定量化监测，并获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；

2)所述的分布式光纤声传感器对获得的声场信号进行预处理：

首先，在所述的传感光纤内选择一段长为L的区间作为增强孔径，计算增强孔径内所接收信号的空间位置信息；

其次，增强孔径内，包含的传感单元数量为N，由分布式光纤声传感器的空间采样频率f_s决定，以Δn为间隔选取，

个传感单元采集的声场信号作为采样信号组：

其中，l₁表示增强孔径在光纤链路上的起始位置；

最后，根据所述的空间位置信息，计算信号源关于增强孔径内每个传感单元的时间延迟向量

或相位延迟向量

其中m＝1,2,…,M，M表示信号源个数；

3)利用阵列信号处理方法对步骤2)所获得的采样信号组和延迟向量进行信号处理。

2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤2)中空间位置信息为信号源相对增强孔径的方位向量或信号源相对增强孔径的三维位置坐标。

3.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤2)中空间位置信息利用信号源空间定位方法获得或根据先验知识人为指定。

4.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤3)中阵列信号处理方法为自适应空域滤波方法或延时求和方法。

5.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的自适应空域滤波方法为最小方差无畸变响应波束形成器(MVDR)、线性约束最小方差波束形成器(LCMV)、广义旁瓣相消波束形成器(GSC)中的一种。

6.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的延时求和方法如下：

计算延迟补偿权重，

对于第m个信号源，其增强信号按照以下方式计算，

对于其他M-1个信号源，其抑制信号效果受增强孔径大小限制。

7.如权利要求5所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的线性约束最小方差波束形成器(LCMV)方法如下：

计算采样信号组的协方差矩阵，

其中K表示所述的分布式光纤声传感器向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数；

对于第m个信号源，确定限制向量F_1×M＝[0 0 … 1 … 0]，其中限制向量的第m个元素为1，其余均为0，限制向量确定了只对第m个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制，按下列方程计算相位补偿权重，

其中，H表示共轭转置，

对于第m个信号源，其增强信号分别按下列方程计算，

8.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的信号源为宽带信号时，所述的步骤2)还包括：

将采样信号组变换到频域采样信号组X(f)，并拆分成P个子带信号X(f_p)，

根据信号源相对增强孔径的空间位置信息，计算信号源的每个子带关于每个传感单元的相位延迟向量

或时间延迟向量

9.如权利要求8所述的一种基于分布式光纤声传感器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤3)为采用线性约束最小方差波束形成器处理所述的频域采样信号组，具体为：

首先计算各子频带对应的协方差矩阵，

其中J表示所述的直接探测光时域反射计对时域采样信号组进行快速傅里叶变换的频率精度；

其次，对于第m个信号源，确定限制向量F_1×M＝[0 0 … 1 … 0]，其中限制向量的第m个元素为1，其余均为0，限制向量确定只对第m个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制，按下列方程计算各子频带对应的相位补偿权重，

其中，H表示共轭转置，

最后，对于第m个信号源的第p个子带，其频域增强信号按下列方程计算，

将所有子带重构成完整频域信号，再通过快速傅里叶逆变换即可得到经过增强后的第m个信号源的时域信号。

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