CN114199514A - 基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法 - Google Patents

基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法，包括下列步骤：第一步，激光器调谐起始位置选取；第二步，附加干涉仪拍频信号中心频率提取；第三步，滤除附加干涉仪拍频信号非中心频率f处的反射峰；第四步，激光器调谐相位曲线获取；第五步：附加干涉拍频信号频谱反射峰位置获取；第六步：测量光纤分布式传感信号获取，得到距离域传感信号实现分布式测量。

Description

基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光频域反射中光纤分布式测量的假峰消除方法，应用于基于光频域反射技术的光纤连接点、损耗点、断点等位置的准确监测。
背景技术
光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)其基本原理与微波领域中调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)技术类似，具体为激光器为发射波长线性调谐连续光的激光器，其分为两束，其中一束作为参考光，另一束作为测试光发射到待测光纤中，光纤中瑞利散射或菲涅尔反射光返回与参考光发生拍频干涉。此时，信号频率大小与反射光的位置成线性正比关系。OFDR一方面是对被测光纤进行分布式测量，即对整个光纤链路的损耗，断点，连接点等进行健康监测；另一方面就是通过光频域反射技术实现分布式光纤的参量传感。OFDR系统中可调谐激光器提供波长线性调谐激光，严重的调谐非线性会影响OFDR系统性能，导致反射峰能量扩散，引起反射峰空间分辨率恶化，降低反射峰幅度。目前主要有硬件和软件两种方法解决非线性调谐问题，硬件方法是通过附加干涉仪输出正弦信号作为采集卡的外部采样时钟，实现等光频采样；软件方法主要为去斜滤波和重采样方法，常用的重采样方法包括线性插值、样条插值和非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)等。
利用OFDR进行分布式测量时，在不应该出现反射峰的位置出现的菲涅尔反射峰，称之为假峰，假峰是由光纤中某点大的菲涅尔反射引起的二次及以上反射。在基于重采样法的OFDR系统中，假峰也可能在插值过程中由附加干涉仪法兰盘反射、振动等噪声的存在而引入。假峰的出现会影响光纤的测试精确度，导致光纤链路反射点位置的误判。
本专利提出一种针对光频域反射系统中附加干涉仪的假峰消除方法。在装置中利用偏振不敏感迈克逊干涉仪采集可调谐激光器的光频或相位信息。对附加干涉仪拍频信号进行时频分析，通过短时傅里叶变换选取可调谐激光器调频线性度较好的一段时域信号作为附加信号。提取以附加干涉仪拍频信号强反射点为中心频率的频段，消除该频段外存在的假峰影响测量结果的可能。通过此方法，可以有效去除光频域反射光纤分布式测量中的假峰，提高测量精确度。
发明内容
本发明提供了一种基于光频域反射光纤分布式测量的假峰消除方法，可以很好的克服假峰造成的光纤故障点位置的误判问题，提高分布式测量的精确度，提供了一种基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法，该方法的步骤如下：
一种基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法，包括下列步骤：
第一步，激光器调谐起始位置选取
在调谐范围允许的情况下，选取激光器调频线性度高的区间，选定附加干涉仪拍频信号，并以该起始位置作为主干涉仪拍频信号索引，选择同样长度的主干涉仪拍频信号；
第二步，附加干涉仪拍频信号中心频率提取
对第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号进行快速傅里叶变换FFT得到频域信号，取峰值对应频率为拍频信号中心频率f；
第三步，滤除附加干涉仪拍频信号非中心频率f处的反射峰
对第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号进行零相位带通滤波，滤除附加干涉仪拍频信号非中心频率f处的反射峰，得到滤波后附加干涉仪的时域干涉拍频信号；
第四步，激光器调谐相位曲线获取
滤波后附加干涉仪时域干涉拍频信号经过希尔伯特变换后得到正交信号，将其与第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号相除得到正切信号，然后进行反正切运算得到相位，进行相位解缠绕，得到激光器调谐相位曲线；
第五步：附加干涉拍频信号频谱反射峰位置获取
将第四步得到的激光器调谐相位曲线与附加干涉拍频信号利用重采样方法进行补偿，将插值后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到调谐非线性补偿后的干涉拍频频谱信号，标定法拉第转镜处的反射峰位置，从而得到频率与距离的对应关系；
第六步：测量光纤分布式传感信号获取
将第四步得到激光器调谐相位曲线与主干涉拍频信号利用重采样方法进行补偿，得到调谐非线性补偿后且附加干涉重采样过程引入的假峰消除后的主干涉频域信号，利用第五步得到的频率与距离的对应关系，得到距离域传感信号实现分布式测量。
进一步地，第一步，激光器调谐起始位置选取方法如下：对附加干涉仪拍频信号进行短时傅里叶变换DTFT，得到附加干涉仪瞬时频率变化，为尽可能选取频率波动较小的一段数据作为激光器调谐起始位置和信号长度，根据附加干涉仪拍频信号短时傅里叶变换后的时频图选定频率波动阈值，确定所需信号长度N，进行阈值检测，确定起始位置，以该起始位置为起始点索引，选择长度N的附加干涉拍频信号作为选定的附加干涉仪拍频信号，并以该起始位置作为主干涉仪拍频信号索引，选择同样长度的主干涉仪拍频信号，使得主干涉仪拍频信号与附加干涉仪拍频信号的采样时间一一对应，以携带相同的光源调频非线性。
进一步地，第五步中，将第四步得到的激光器调谐相位曲线与附加干涉拍频信号利用线性插值、样条插值或非均匀傅里叶变换(NUFFT)中的一种重采样方法进行补偿。
进一步地，第六步中，将第四步得到的激光器调谐相位曲线与主干涉拍频信号利用线性插值、样条插值或非均匀傅里叶变换(NUFFT)中的一种重采样方法进行补偿。
本专利提出一种基于光频域反射的光学链路监测中的假峰消除方法。主要通过对附加干涉拍频信号进行时频分析选取激光器调谐线性度较好时段，分别通过重采样方法补偿光源调频非线性效应，通过带通滤波滤除所需位置外的反射峰，在补偿光源调频非线性效应的同时，消除了测量信号中重采样法引入的假峰。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、实现了光频域反射中光源调频非线性的补偿
2、实现了基于光频域反射的光纤链路监测中假峰的消除。
附图说明
图1为基于光频域反射的光纤分布式测量装置；
图2为一种基于光频域反射的光纤链路监测中假峰消除方法的流程图；
图3为调谐激光器起始位置选取，(a)附加干涉仪时频分析，(b)附加干涉仪拍频信号，(c)主干涉仪拍频信号；
图4为附加干涉仪反射峰位置示意图(a)NUFFT，(b)线性插值；
图5为光纤分布式测量效果图(a)NUFFT，(b)线性插值。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：可调谐激光器； 2：1:99保偏光分束器；
3：第一环形器； 4：50:50耦合器；
5：第一延迟光纤； 6：第一法拉第转镜；
7：第二法拉第转镜； 8：平衡探测器；
9：50:50保偏耦合器； 10：参考臂；
11：测试臂； 12：第二环形器；
13：第二延迟光纤； 14：法兰盘；
15：第三延迟光纤； 16：测量光纤；
17：偏振分集相干接收模块； 18：采集卡；
19：计算机； 20：触发线；
21：附加干涉仪； 22：主干涉仪。
具体实施方式
实施例一：
本实例包括基于光频域反射系统分布式光纤测量装置
基于光频域反射分布式光纤测量系统，包括：可调谐激光器1、1:99保偏光分束器2、计算机19、触发线20、采集卡18、附加干涉仪21和主干涉仪22。
附加干涉仪21为偏振不敏感迈克尔逊干涉结构，用于提取光频或相位信息，包括：第一环形器3、50:50耦合器4、第一延迟光纤5、第一法拉第转镜6、第二法拉第转镜7和平衡探测器8。
主干涉仪22为全保偏结构，包括：50:50保偏耦合器9、参考臂10、测试臂11、第二环形器12、偏振分集相干接收模块17、测量光纤16由第二延迟光纤13与第三延迟光纤15经法兰盘14连接组成。
触发线20的输入端与可调谐激光器1的trigger out端口相连；触发线20的输出端与采集卡18的trigger in端口相连；可调谐激光器1与1:99保偏光分束器2的a端口相连；1:99保偏光分束器2的b端口即1％分光口与第一环形器3的a端口相连；1:99保偏光分束器2的c端口即99％分光口与50:50保偏耦合器9的a端口相连；第一环形器3的b端口与50:50耦合器4的a端口相连；第一环形器3的c端口与平衡探测器8的输入端相连；50:50耦合器4的b端口与平衡探测器8的输入端相连；50:50耦合器4的c端口通过延迟光纤5与第一法拉第转镜6相连；50:50耦合器4的d端口与第二法拉第转镜7相连；平衡探测器8的输出端与采集卡18的某一通道相连；50:50保偏耦合器9的c端口即50％分端口通过参考臂10与偏振分集相干接收模块17的a端口相连；50:50保偏耦合器9的d端口即50％分端口通过测试臂11与第二环形器12的a端口相连；第二环形器12的b端口与测试光纤16相连；第二环形器12的c端口与偏振分集相干接收模块17的b端口相连；偏振分集相干接收模块17的c端口与采集卡18的某一通道相连；采集卡18的输出端与计算机19的输入端相连。
可调谐激光器1的出射光由1:99保偏光分束器2的a端口进入，从1:99保偏光分束器2的b端口即1％分光口进入环形器3的a端口，经环形器3的b端口，光从50:50耦合器4的a端口进入，50％从c端口出射、50％从d端口出射，来自50:50耦合器4的c端口的出射光经延迟光纤5被第一法拉第转镜6反射，返回50:50耦合器4的c端口,来自50:50耦合器4的d端口的出射光被第二法拉第转镜7反射，返回50:50耦合器4的d端口，两束光在50:50耦合器中发生干涉，从a、b端口输出，50:50耦合器a端口的光由第一环形器3的b端口输入，c端口输出，该输出光与50:50耦合器4的b端口的输出光在平衡探测器8中进行外差检测转换为模拟电信号。从1:99保偏光分束器2的c端口即99％分光口输出光由50:50保偏耦合器9的a端口输入，c端口50％输出光进入参考臂10，d端口50％输出光进入测试臂11，测试臂11中的光由第二环形器12的a端口输入，b端口输出，在测量光纤16中发生菲涅尔反射和瑞利散射，再由第二环形器12的b端口进入，c端口输出，该光与50:50保偏耦合器9的c端口的输出光在偏振分集相干接收模块17中发生干涉，并转换为模拟电信号，可调谐激光器1调频开始发出触发信号经触发线20触发采集卡，将模拟电信号转换为数字电信号传输至计算机19。
可调谐激光器1为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描。
第一环形器3防止附加干涉仪中50:50耦合器4的b端口反射光进入激光器。
50:50耦合器4用于分光与光干涉。
第一法拉第转镜6和第二法拉第转镜7用于为附加干涉仪提供反射，且能够消除附加干涉仪的偏振衰落现象。
延迟光纤5用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。
平衡探测器用于采集50:50耦合器4从b端口的出射光及第一环形器3从c端口的出射光，即附加干涉仪的时域干涉拍频信号。
偏振分集相干接收模块17含偏振分集和平衡探测模块，将参考光与信号光的两个偏振态进行分别相干，采用两路高速低噪声平衡探测器进行分别接收，消除偏振衰落问题。
采集卡18：将干涉仪产生的时域干涉拍频信号经模数转换后的数字信号通过USB、PCIE等总线方式传输到计算机。
计算机19：对采集卡模数转换后的干涉信号进行数据处理，实现光纤的分布式测量。
实施例二：
本实例提供了一种基于光频域反射光纤分布式测量的假峰消除方法，步骤如下：
第一步，激光器调谐起始位置选取。附加干涉仪拍频信号时频分析，对附加干涉仪拍频信号进行短时傅里叶变换(DTFT)，得到附加干涉仪频率随时间的变化，如图3(a)所示。观察附加干涉仪拍频信号短时傅里叶变换后的频谱图即图3(a)选定频率波动阈值，确定信号长度N，进行阈值检测，选取激光器扫频起始位置为图3(a)中的A点，结束位置为图3(a)中的B点，两点采样间隔为信号长度N，此时激光器频率调谐非线性度较小。索引相同位置处的附加干涉仪拍频信号图3(b)与主干涉仪拍频信号图3(c)，使得主干涉仪与附加干涉仪信号的采样时间一一对应。
第二步，附加干涉仪拍频信号中心频率提取。对第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域信号，取峰值采样点位置，对应频率为拍频信号中心频率f。
第三步，滤除附加干涉仪拍频信号非f处的反射峰。设定采样频率为采集卡采样速率fs，中心频率为f，设计IIR数字带通滤波器，类型为ChebyshevⅠ型，对附加干涉仪拍频信号进行零相位带通滤波，滤除附加干涉仪系统中外界环境影响引入的反射峰。
第四步，激光器调谐相位曲线获取。滤波后附加干涉仪时域干涉拍频信号经过希尔伯特变换后得到正交信号，将其与第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号相除得到正切信号，然后进行反正切运算得到相位，进行相位解缠绕，得到激光器调谐相位曲线。
第五步：附加干涉拍频信号频谱反射峰位置获取。调谐激光器在调谐过程中存在非线性效应使反射峰严重展宽。将第四步得到的激光器调谐相位曲线与附加干涉拍频信号分别利用NUFFT、线性插值重采样方法进行补偿，将插值后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到调谐非线性补偿后的附加干涉频谱信号，将法拉第转镜处的反射峰标定为5m得到频率与距离的对应关系。理想情况下附加干涉重采样后的频域信号应为单一的强反射峰，而实际信号中除强反射峰外还存在多个反射峰如图4所示，其中图4(a)为附加干涉仪拍频信号NUFFT插值后的距离域信号，图4(b)为附加干涉仪拍频信号线性插值后的距离域信号，5m处的强反射峰为法拉第转镜产生的强反射，其余为法拉第转镜二次干涉、光纤连接处法兰盘、外界噪声等引入的反射峰。
第六步：测量光纤分布式传感信号获取。将第四步得到的激光器调谐相位曲线与主干涉拍频信号分别利用NUFFT、线性插值重采样方法进行补偿，将重采样后主干涉仪拍频信号FFT后的频域数据作为纵坐标，利用第五步得到的频率与距离的对应关系获取测量光纤距离信息作为横坐标得到图5(a)、(b)中的滤波后曲线。若不进行第三步处理，附加干涉仪中携带的非法拉第转镜反射的峰或二次反射峰(图4(a)、4(b)中除5m处外的反射峰)等会通过激光器调谐相位曲线在主干涉仪重采样过程中引入，如图5中滤波前曲线所示
实施例三
下面结合具体的试验对实施例1-2中的光纤分布式测量系统和测量方法进行可行性验证，详见下文描述：
本发明实施例验证实验为采用测量光纤16为25m和20m单模光纤经法兰盘相接，测量目的为法兰盘和光纤末端反射峰的定位。
在实验中，我们使用OFDR系统，起始频率为1550nm波段，扫频速率为10nm/s,采样点数为5M，附加干涉仪延迟光纤长度为5m，激光器扫频起始点设定为2660000，信号长度设为0.5M。
图5为执行本假峰消除方法后光纤分布式测量的效果图，峰A为25m位置法兰盘处的反射峰，峰B为45m位置光纤末端反射峰。可以证明应用本方法后，测试光纤中假峰消除或测试光纤中假峰峰值降低，部分淹没在瑞利散射和本底噪声中不再影响光纤中反射峰位置的判断。
该分布式测量系统和测量方法实现了光纤分布式测量，消除了部分假峰，可以有效提高反射点定位的准确性。
综上所述，实现了基于光频域反射光纤分布式测量的假峰消除方法，有效提高了光纤连接点、损耗点、断点等定位的精确性。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光频域反射分布式传感的假峰消除方法，包括下列步骤：
第一步，激光器调谐起始位置选取
在调谐范围允许的情况下，选取激光器调频线性度高的区间，选定附加干涉仪拍频信号，并以该起始位置作为主干涉仪拍频信号索引，选择同样长度的主干涉仪拍频信号。
第二步，附加干涉仪拍频信号中心频率提取
对第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号进行快速傅里叶变换FFT得到频域信号，取峰值对应频率为拍频信号中心频率f；
第三步，滤除附加干涉仪拍频信号非中心频率f处的反射峰
对第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号进行零相位带通滤波，滤除附加干涉仪拍频信号非中心频率f处的反射峰，得到滤波后附加干涉仪的时域干涉拍频信号；
第四步，激光器调谐相位曲线获取
滤波后附加干涉仪时域干涉拍频信号经过希尔伯特变换后得到正交信号，将其与第一步选定位置的附加干涉仪拍频信号相除得到正切信号，然后进行反正切运算得到相位，进行相位解缠绕，得到激光器调谐相位曲线；
第五步：附加干涉拍频信号频谱反射峰位置获取
将第四步得到的激光器调谐相位曲线与附加干涉拍频信号利用重采样方法进行补偿，将插值后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到调谐非线性补偿后的干涉拍频频谱信号，标定法拉第转镜处的反射峰位置，从而得到频率与距离的对应关系；
第六步：测量光纤分布式传感信号获取
将第四步得到激光器调谐相位曲线与主干涉拍频信号利用重采样方法进行补偿，得到调谐非线性补偿后且附加干涉重采样过程引入的假峰消除后的主干涉频域信号，利用第五步得到的频率与距离的对应关系，得到距离域传感信号实现分布式测量。
2.根据权利要求1所述的假峰消除方法，其特征在于，第一步，激光器调谐起始位置选取方法如下：对附加干涉仪拍频信号进行短时傅里叶变换DTFT，得到附加干涉仪瞬时频率变化，为尽可能选取频率波动较小的一段数据作为激光器调谐起始位置和信号长度，根据附加干涉仪拍频信号短时傅里叶变换后的时频图选定频率波动阈值，确定所需信号长度N，进行阈值检测，确定起始位置，以该起始位置为起始点索引，选择长度N的附加干涉拍频信号作为选定的附加干涉仪拍频信号，并以该起始位置作为主干涉仪拍频信号索引，选择同样长度的主干涉仪拍频信号，使得主干涉仪拍频信号与附加干涉仪拍频信号的采样时间一一对应，以携带相同的光源调频非线性。
3.根据权利要求1所述的假峰消除方法，其特征在于，第五步中，将第四步得到的激光器调谐相位曲线与附加干涉拍频信号利用线性插值、样条插值或非均匀傅里叶变换(NUFFT)中的一种重采样方法进行补偿。
4.根据权利要求1所述的假峰消除方法，其特征在于，第六步中，将第四步得到的激光器调谐相位曲线与主干涉拍频信号利用线性插值、样条插值或非均匀傅里叶变换(NUFFT)中的一种重采样方法进行补偿。
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