CN111854918B - 一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，采用φ‑OTDR分布式光纤振动传感系统，采集参考信号和测量信号，为了提高空间分辨率，分别对参考信号和测量信号进行划分子带处理，并将划分后的子带转换为时域，然后计算参考信号和测量信号的N个互相关轨迹，再对N个互相关轨迹进行平均，得到时间互相关迹线，用于减少信噪比的降低。本发明能够在不改变脉冲宽度的同时还能有效提高空间分辨率，减少信噪比的降低，且易于实现，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感测量技术领域，具体涉及一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法。
背景技术
分布式光纤干涉振动检测系统具有灵敏度高、信号处理实时性好、监测距离长、动态检测范围大等优点，受到了广泛的关注与研究，已运用于长距离通信、远距离输电等领域的定位监测中。
φ-OTDR分布式光纤振动传感系统是一种常见的光纤振动传感系统，其原理框图如图1所示，包括有激光器和光电探测器等，由激光器向传感光纤中输入脉冲光，脉冲信号在光纤中传输会发生瑞利散射，产生后向瑞利散射信号，当外界有振动作用在光纤上某处时，由于弹光效应，该处的光纤参数会发生变化，导致瑞利散射曲线对应位置处的光强发生变化，通过信号处理，即可实现对振动事件的探测和定位。
φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的动态范围是关键技术指标之一，决定了反射仪进行有效测量的光纤的最大长度，动态范围越大，所能测量的光纤距离越长，而空间分辨率是指φ-OTDR能够识别的两个故障点之间的最短距离，提高空间分辨率指标有利于准确定位光纤故障，一般通过增加光脉冲的宽度来提高动态范围，但脉冲宽度增加的同时也导致了空间分辨率下降这一问题，这就限制了φ-OTDR性能的进一步提升，近年有研究采用光脉冲编码或波长扫描相关等技术解决该问题，虽有较好的效果，但极大增加了系统的复杂性，并且成本高昂，因此提供一种不改变脉冲宽度的同时还能有效提高空间分辨率、易于实现、成本较低的提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，能够在不改变脉冲宽度的同时还能有效提高空间分辨率，减少信噪比的降低，且易于实现，成本较低。
本发明采用的技术方案为：一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，包括如下步骤：
A.采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，根据该系统“通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，会产生后向瑞利散射信号，该信号在光电探测器的作用下转化为电信号，从而能够得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线I(t)”这一原理，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，得到间隔时间为δt的参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)；
B.使用宽度为δv的数字带通滤波器分别对参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)中的通带进行处理，得到相对应的带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)；
C.提高空间分辨率，数字带通滤波器分别将所述带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)划分为带宽ΔW＝δv/N的N个独立子带和/>n＝1,2,…N，并调整相关时间
D.在同步滤波引起的时移之后，将参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的相对应的子带和/>均转换为时域；
E.根据转换后的时域计算参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的N个互相关轨迹；
F.对N个互相关轨迹进行平均，得到时间互相关迹线，用于减少信噪比的降低。
具体的，在所述步骤A中，所述φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的原理具体为：
a.通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，
该信号表示为：
其中，
式中，E0是脉冲振幅，是脉冲传播延迟，τp是脉冲宽度，Poc(t,z)是光频为/>的载波，其中v0为原信号的光频率，/>为载波的光频率，Pcp(t,z)是线性啁啾项。
b.所述啁啾脉冲光信号P(t，z)沿传感光纤传播时，会产生后向瑞利散射信号，该后向瑞利散射信号表示为光纤对啁啾脉冲的响应，该响应描述为所述啁啾脉冲光信号与光纤瑞利反向散射分布函数的卷积：
E(t)＝P(t,z)*r(z)＝Eoc(t)+Ecp(t)
其中，P(t，z)为啁啾脉冲光信号，r(z)为光纤瑞利反向散射分布函数，Eoc(t)为加入光载波对应的信号，Ecp(t)为原信号光代表的信号。
c.所述后向瑞利散射信号在光电探测器的作用下转化为电信号，得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线，表示为：
I(t)＝E(t)E*(t)＝Ibb(t)+Ipb(t)
其中，Ibb(t)＝|Eoc(t)|2+|Ecp(t)|2，频谱Ibb(f)＝F(Ibb(t))是基带，频谱Ipb(f)＝F(Ipb(t))是通带，为避免Ibb(f)和Ipb(f)重叠，需满足/>
具体的，在所述步骤D中，将每对参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的相对应的子带和/>均转换为时域的公式为：
具体的，在所述步骤E中，根据转换后的时域计算参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的N个互相关轨迹的公式为：
具体的，在所述步骤F中，对N个互相关轨迹进行平均采用的公式为：
其中，N为互相关轨迹的数量。
本发明的有益效果：本发明采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，采集间隔时间为δt的参考信号和测量信号，为了提高空间分辨率，对其进行划分子带处理，并将子带信号由频域转化为时域，然后计算参考信号和测量信号的N个互相关轨迹，并对N个互相关轨迹进行平均，这一步操作减少了信噪比的降低，在不改变脉冲宽度的同时有效提高了空间分辨率，减少了信噪比的降低，且易于实现，因此也降低了成本。
附图说明
图1为本发明所述φ-OTDR分布式光纤振动传感系统原理框图；
图2为本发明的流程图。
图中：1、激光器 2、偏振控制器 3、任意波形发生器 4、Mach-Zehnder调制器 5、半导体放大器 6、第一掺铒光纤放大器 7、反射光纤布拉格光栅 8、被测光纤 9、第二掺铒光纤放大器 10、窄带光学滤波器 11、光电探测器 12、示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述的φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的原理如下，如由低相位噪声连续波激光器产生的波长为1550nm的光波通过偏振控制器进入Mach-Zehnder调制器，Mach-Zehnder调制器由任意波形发生器产生的驱动信号来调制激光输出的幅度，半导体放大器用于增加脉冲的消光比，也由任意波形发生器控制，从半导体放大器出来的光波经由第一掺铒光纤放大器增大脉冲功率，第一掺铒光纤放大器引入的放大的自发发射噪声由反射光纤布拉格光栅滤光片消除，然后将脉冲发射到被测光纤中，由被测光纤产生的后向瑞利散射信号在接收器前端被第二掺铒光纤放大器放大，然后经过窄带光学滤波器进行滤波，最后，使用光电探测器将后向瑞利散射信号转化为电信号，然后使用由任意波形发生器触发的示波器收集接收到的迹线，这些迹线由示波器直接以截止频率9.5GHz进行低通滤波，以消除高频噪声。
下面结合实施例对本发明进行说明。
实施例1
如图2所示，一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，包括如下步骤：
A.采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，根据该系统“通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，会产生后向瑞利散射信号，该信号在光电探测器的作用下转化为电信号，从而能够得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线I(t)”这一原理，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，得到间隔时间为δt的参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)；
B.使用宽度为δv的数字带通滤波器分别对参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)中的通带进行处理，得到相对应的带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)；
C.提高空间分辨率，数字带通滤波器分别将所述带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)划分为带宽ΔW＝δv/N的N个独立子带和/>n＝1,2,…N，并调整相关时间
D.在同步滤波引起的时移之后，将参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的相对应的子带和/>均转换为时域；
E.根据转换后的时域计算参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的N个互相关轨迹；
F.对N个互相关轨迹进行平均，得到时间互相关迹线，用于减少信噪比的降低。
本发明采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，采集间隔时间为δt的参考信号和测量信号，为了提高空间分辨率，对其进行划分子带处理，并将子带信号由频域转化为时域，然后计算参考信号和测量信号的N个互相关轨迹，并对N个互相关轨迹进行平均，这一步操作减少了信噪比的降低，在不改变脉冲宽度的同时有效提高了空间分辨率，减少了信噪比的降低，且易于实现，因此也降低了成本。
实施例2
如图2所示，一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，包括如下步骤：
A.采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，根据该系统“通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，会产生后向瑞利散射信号，该信号在光电探测器的作用下转化为电信号，从而能够得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线I(t)”这一原理，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，得到间隔时间为δt的参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)，该系统的原理具体为：
a.通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，
该信号表示为：
其中，
式中，E0是脉冲振幅，是脉冲传播延迟，τp是脉冲宽度，Poc(t,z)是光频为/>的载波，其中v0为原信号的光频率，/>为载波的光频率，Pcp(t,z)是线性啁啾项。
b.所述啁啾脉冲光信号P(t，z)沿传感光纤传播时，会产生后向瑞利散射信号，该后向瑞利散射信号表示为光纤对啁啾脉冲的响应，该响应描述为所述啁啾脉冲光信号与光纤瑞利反向散射分布函数的卷积：
E(t)＝P(t,z)*r(z)＝Eoc(t)+Ecp(t)
其中，P(t，z)为啁啾脉冲光信号，r(z)为光纤瑞利反向散射分布函数，Eoc(t)为加入光载波对应的信号，Ecp(t)为原信号光代表的信号。
c.所述后向瑞利散射信号在光电探测器的作用下转化为电信号，得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线，表示为：
I(t)＝E(t)E*(t)＝Ibb(t)+Ipb(t)
其中，Ibb(t)＝|Eoc(t)|2+|Ecp(t)|2，频谱Ibb(f)＝F(Ibb(t))是基带，频谱Ipb(f)＝F(Ipb(t))是通带，为避免Ibb(f)和Ipb(f)重叠，需满足/>
依据该原理，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，得到间隔时间为δt的参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)。
B.使用宽度为δv的数字带通滤波器分别对参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)中的通带进行处理，得到相对应的带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)；
C.提高空间分辨率，数字带通滤波器分别将所述带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)划分为带宽ΔW＝δv/N的N个独立子带和/>n＝1,2,…N，并调整相关时间
D.在同步滤波引起的时移之后，将参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的相对应的子带和/>均转换为时域，其公式为：
E.根据转换后的时域计算参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的N个互相关轨迹，其公式为：
F.对N个互相关轨迹进行平均，得到时间互相关迹线，用于减少信噪比的降低，所采用的公式为：
其中，N为互相关轨迹的数量。
从上述过程能够知道，对每个子带进行分析可以确保φ-OTDR迹线具有高分辨率，独立不重叠的子窗口会表现出不相关的噪声，这保证了对互相关轨迹平均操作可以有效降低噪声，避免了信噪比的降低。
本发明采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，采集间隔时间为δt的参考信号和测量信号，为了提高空间分辨率，对其进行划分子带处理，并将子带信号由频域转化为时域，然后计算参考信号和测量信号的N个互相关轨迹，并对N个互相关轨迹进行平均，这一步操作减少了信噪比的降低，在不改变脉冲宽度的同时有效提高了空间分辨率，减少了信噪比的降低，且易于实现，因此也降低了成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
A.采用φ-OTDR分布式光纤振动传感系统，根据该系统“通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，会产生反向瑞利散射信号，该信号在光电探测器的作用下转化为电信号，从而能够得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线I(t)”这一原理，以间隔δt向传感光纤中输入两条相同的啁啾脉冲光信号，得到间隔时间为δt的参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)；
B.使用宽度为δv的数字带通滤波器分别对参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)中的通带进行处理，得到相对应的带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)；
C.提高空间分辨率，数字带通滤波器分别将所述带通分量Ipb,r(f)和Ipb,m(f)划分为带宽ΔW＝δv/N的N个独立子带和/>并调整相关时间/>
D.在同步滤波引起的时移之后，将参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的相对应的子带和/>均转换为时域；
E.根据转换后的时域计算参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的N个互相关轨迹；
F.对N个互相关轨迹进行平均，得到时间互相关迹线，用于减少信噪比的降低。
2.根据权利要求1所述的提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，其特征在于：在所述步骤A中，所述φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的原理具体为：
a.通过激光器向传感光纤中注入加入光载波的啁啾脉冲光信号，
该信号表示为：
其中，
式中，E0是脉冲振幅，是脉冲传播延迟，τp是脉冲宽度，Poc(t,z)是光频为/>的载波，其中v0为原信号的光频率，/>为载波的光频率，Pcp(t,z)是线性啁啾项；
b.所述啁啾脉冲光信号P(t，z)沿传感光纤传播时，会产生反向瑞利散射信号，该反向瑞利散射信号表示为光纤对啁啾脉冲的响应，该响应描述为所述啁啾脉冲光信号与光纤瑞利反向散射分布函数的卷积：
E(t)＝P(t,z)*r(z)＝Eoc(t)+Ecp(t)
其中，P(t，z)为啁啾脉冲光信号，r(z)为光纤瑞利反向散射分布函数，Eoc(t)为加入光载波对应的信号，Ecp(t)为原信号光代表的信号；
c.所述反向瑞利散射信号在光电探测器的作用下转化为电信号，得到加入啁啾脉冲光信号后的φ-OTDR迹线，表示为：
I(t)＝E(t)E*(t)＝Ibb(t)+Ipb(t)
其中，Ibb(t)＝|Eoc(t)|2+|Ecp(t)|2，频谱Ibb(f)＝F(Ibb(t))是基带，频谱Ipb(f)＝F(Ipb(t))是通带，为避免Ibb(f)和Ipb(f)重叠，需满足/>
3.根据权利要求1所述的提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，其特征在于：在所述步骤D中，将每对参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的相对应的子带和均转换为时域的公式为：
4.根据权利要求1所述的提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，其特征在于：在所述步骤E中，根据转换后的时域计算参考信号Ir(t)和测量信号Im(t)的N个互相关轨迹的公式为：
5.根据权利要求1所述的提高分布式光纤检测空间分辨率的子带处理方法，其特征在于：在所述步骤F中，对N个互相关轨迹进行平均采用的公式为：
其中，N为互相关轨迹的数量。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |