CN114485747A - 一种布里渊频移提取方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体公开了一种布里渊频移提取方法和系统。其中，方法包括：获取布里渊的散射的扫频信号数据序列，利用扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列，利用扫频信号数据序列与逆序移位数据序列生成布里渊增益谱数据序列，从布里渊增益谱数据序列中提取布里渊频移。本发明在低信噪比下比传统方法具有更好的布里渊频移提取精度和更低的计算量，降低了布里渊反射计和分析仪的硬件要求，特别是系统中允许使用更低成本的光电探测器。本发明也不依赖于信号中峰的确切形状，所以具有良好的通用性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种布里渊频移提取方法和系统。
背景技术
布里渊光时域反射仪(Brillouin Optical Time Domain Analyzer，简写为BOTDA)具有结构简单，成本较低，使用方便等优点，所以要实现单端长距离传输、温度和应变的同时测量，布里渊光时域反射仪是比较合适的选择。布里渊光时域反射仪获取形变和温度等物理量的精度取决于检测布里渊增益谱(Brillouin gain spectra，简写为BGS)的信噪比和提取其最大值的频率坐标的精度。自发布里渊散射光信号比较微弱，与入射光相较低约50dB，易受到光纤中噪声的干扰，因此对于布里渊光时域反射仪，信号的检测与处理是非常关键的一环。所以调优布里渊增益谱的噪声源(硬件)并找到噪声抑制方法是本领域技术工作研究的终点。
一种常用的方法是使用低噪声硬件和使用数字滤波器以尽可能最大程度降低噪声分量，然后在已经过噪声处理的布里渊增益谱信号数据中找到最大值。如低通滤波的使用、泵浦波和探测波强度的调制、探测信号波长的调制以及布里渊增益谱小波滤波的使用。上述方法在特定应用场景下非常有效，但由于其使用非典型算法和大量调谐参数和系数，甚至在某些情况下需要修改典型布里渊光时域分析仪或布里渊时域反射反射计(Brillouin Optical Time Domain Refl ectometer，简写为BOTDR)的硬件，这些方法并不能具备良好的通用性。
另一种常用方法是使用解析函数来近似光谱以重建布里渊散射光谱，如通过洛伦兹函数重建布里渊增益谱。与传统方法相比能够将提取布里渊增益谱的精度提高一倍。当洛伦兹函数的参数精确确定，且洛伦兹分布与其形状拟合的可靠性高时，具有较高的布里渊频移((Brillouin frequency shift，简称BFS))提取精度。但是实践中，诸如数字化失败、噪声和其他因素，包括与特定光纤中光子-声子相互作用相关的原因，利用这些解析函数重建的布里渊增益谱可能会显著失真。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种布里渊增益谱提取方法，其目的在于不优化硬件或硬件结构的前提下仅通过软件手段降低噪声对布里渊增益谱的负面影响，由此解决对布里渊时域分析系统硬件要求高、布里渊频移精度不足等技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种布里渊频移提取方法，其包括：获取布里渊的散射的扫频信号数据序列；利用扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列；利用扫频信号数据序列与逆序移位数据序列生成布里渊增益谱数据序列；从布里渊增益谱数据序列中提取布里渊频移。
优选地，利用逆序移位数据序列与扫频信号数据序列生成布里渊增益谱数据序列，具体包括：对扫频信号数据序列和逆序移位数据序列进行卷积计算；将卷积计算结果作为布里渊增益谱数据序列。
优选地，利用扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列，具体包括：利用扫频信号数据序列生成逆序数据序列；计算逆序数据序列的待移位距离；对逆序数据序列进行移位操作。
优选地，利用扫频信号数据序列生成逆序数据序列，具体包括：SEQ2i＝SEQ1N-1-i；其中，N为扫频数据序列的长度，SEQ1为扫频信号数据序列，SEQ2为逆序数据序列，i为SEQ2中数据的位置，i的取值范围大于等于0且小于等于N-1。
优选地，计算逆序数据序列的待移位距离，具体包括：提取扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值；D＝((N-1)/2-(fb-f0)/Δf)·2；其中，D为待移位距离，Δf为扫频步长，fb为扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值，f0为扫频最小频率。
优选地，提取扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值，具体包括：在扫频信号数据序列中查找出最大增益值；若最大增益值对应了1个频率，则该频率即为fb，否则取对应的最大频率与对应的最小频率之间的中点频率作为fb。
优选地，对逆序数据序列进行移位操作，具体包括：若j-D未超出[0，N-1]范围，则SEQ3j＝SEQ2j-D,否则SEQ3j＝0；其中，SEQ3为逆序移位数据序列，j为SEQ3中数据的位置，j的取值范围大于等于0且小于等于N-1。
优选地，扫频步长Δf的值小于等于阈值F。
优选地，阈值F为1MHz。布里渊散射信号的信噪比越低，频率扫描步长设置得越小，本方法的潜在优势就越高。例如，在频率扫描步长小于1MHz时，本方法显现出无关布里渊散射信号的信噪比的更好的布里渊频移提取精度。
优选地，扫频步长Δf的值等于1MHz，频谱最小频率f0的值等于10400MHz，N的值等于200。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于布里渊光时域反射仪的频移提取的系统，包括布里渊时域反射仪和数据处理单元，具体的：布里渊时域反射仪和数据处理单元之间通过数据接口和控制接口连接；数据处理单元包括至少一个处理器和存储器，至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，存储器存储能被至少一个处理器执行的指令，指令在被处理器执行后，用于完成第一方面中任一项的布里渊频移提取方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
由于本方法对布里渊散射信号中混入的大量噪声并不特别敏感，即可用于处理超低信噪比信号，不仅相较于洛伦兹拟合提取布里渊频移的误差更小，而且降低布里渊反射计和分析仪的硬件要求，特别是系统中允许使用更低成本的光电探测器。另外由于本方法不依赖于信号中峰的确切形状，本方法可以在低脉冲持续时间场景下相较于洛伦兹拟合具有更好的适应性。所以本方法具有良好的通用性。
本方法只需要计算出频谱样本数量个数的卷积，不需要遍历所有可能的洛伦兹拟合的参数组合，所以相较于于洛伦兹拟合本方法具有更低的计算量。基于此，本方法可以满足更低延迟提取布里渊频移的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种布里渊频移提取方法的流程图；
图2为本发明实施例中提供的一种逆序移位数据序列生成方法流程图；
图3为本发明实施例中提供的一种布里渊频移提取系统的结构示意图；
图4为本发明提供的一种布里渊频移提取系统的结构示意图；
图5为本发明提供的一种布里渊频移提取系统中数据处理单元的结构示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
一种布里渊频移提取方法，如图1所示，其包括：获取布里渊的散射的扫频信号数据序列；利用扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列；利用扫频信号数据序列与逆序移位数据序列生成布里渊增益谱数据序列；从布里渊增益谱数据序列中提取布里渊频移。由于本方法是对分布式布里渊时域分析仪或反射计的单周期采样数据中一个时间点上布里渊增益谱数据的处理，这里扫频信号数据序列仅为单周期内的一个扫频信号数据序列。若对整个周期的布里渊扫频信号数据的布里渊频移提取，需要对不同时间点的扫频信号数据序列反复执行本方法。
进一步的，利用逆序移位数据序列与扫频信号数据序列生成布里渊增益谱数据序列，具体包括：对扫频信号数据序列和逆序移位数据序列进行卷积计算；将卷积计算结果作为布里渊增益谱数据序列。由于扫频信号数据序列和逆序移位数据序列都是一维信号的数据序列，所以这里的卷积运算就是一维信号的卷积运算，即采用相乘后错位相加的方式实现。为了分析在这里使用卷积运算的有效性，可以将信号划分为信号分量和噪声分量，并观察他们在卷积运算中的作用，扫频信号数据序列SEQ1和逆序移位数据序列SEQ3信号的卷积结果布里渊增益谱数据序列SEQb可以使用公式1进行描述：
其中，SEQ1s和SEQ1n分别为扫频信号数据序列中数据的信号分量和噪声分量，SEQ3s和SEQ3n分别为逆序移位数据序列中数据的信号分量和噪声分量。因为信号的噪声和有用成分是独立的，公式1的第二项
和第三项
应该接近等于零。因为噪声值在不同点相乘，第四项
也应该比第一项
小得多。第一项中扫频信号数据信号分量和逆序移位数据信号分量的最大值越接近，第一项就越大。由于噪声分量值并不是完全等于零，表达式中的第二、第三和第四项也不完全为零，在提取布里渊频移时可能产生额外的误差。然而，噪声分量的单个突发并不会导致第二、第三和第四项的显著变化，所以噪声分量的增加不会导致在信号中寻找到错误的最大值对应频率。另外，在保持扫频范围(总频宽)不变的同时减小频率扫描步长Δf增加N的值，第二、第三和第四项应仅与(N/2)0.5成比例增加，而有效的第一项与N成正比增加得更快。
如图2所示，利用扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列，具体包括：利用扫频信号数据序列生成逆序数据序列；计算逆序数据序列的待移位距离；对逆序数据序列进行移位操作。其目标为产生逆序的数据序列，且该数据序列在移位后可以在后续计算中由于与扫频数据相关，产生更好的数据精度。
进一步的，利用扫频信号数据序列生成逆序数据序列，具体包括：SEQ2i＝SEQ1N-1-i；其中，N为扫频数据序列的长度，SEQ1为扫频信号数据序列，SEQ2为逆序数据序列，i为SEQ2中数据的位置，i的取值范围大于等于0且小于等于N-1。
进一步的，计算逆序数据序列的待移位距离，具体包括：提取扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值；D＝((N-1)/2-(fb-f0)/Δf)·2；其中，D为待移位距离，Δf为扫频步长，fb为扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值，f0为扫频最小频率。
进一步的，提取扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值，具体包括：在扫频信号数据序列中查找出最大增益值；若最大增益值对应了1个频率，则该频率即为fb，否则取对应的最大频率与对应的最小频率之间的中点频率作为fb。由于未经处理的扫频信号数据序列的增益的波峰受噪声影响有一定可能出现最大增益值对应多个频率值，为了防止本方法的失效或精度收到较大影响，需要对上述情况做一些容错处理。
进一步的，对逆序数据序列进行移位操作，具体包括：若j-D未超出[0，N-1]范围，则SEQ3j＝SEQ2j-D,否则SEQ3j＝0；其中，SEQ3为逆序移位数据序列，j为SEQ3中数据的位置，j的取值范围大于等于0且小于等于N-1。借助已经计算出待移位距离D，可以对逆序后的数据序列进行移位，但对于超出[0，N-1]范围的移位，可以简化直接设置为0。因为逆序后的数据序列的波峰已经被完整挪动，本方法可以在不降低后续计算的精度的前提下，有助于降低移位时数组数据转储计算量和后续卷积计算的计算量。
进一步的，扫频步长Δf的值小于等于阈值F。布里渊散射信号的信噪比越低，频率扫描步长设置得越小，本方法的潜在优势就越高。
在实际使用中，阈值F为1MHz。经实际实验验证，在频率扫描步长小于1MHz时，本方法显现出无关布里渊散射信号的信噪比的更好的布里渊频移提取精度。
在实际场景中，为了不提高扫频光源成本和光信号采集设备成本，具体的扫频步长Δf的值等于1MHz，频谱最小频率f0的值等于10400MHz，N的值等于201。根据实际测量结果，此时采用分方法已经可以得到优于洛伦兹拟合的布里渊频移提取性能。
在实际使用中，从布里渊增益谱数据序列中提取布里渊频移，具体方法仍然是直接在布里渊增益谱数据序列中查找出最大增益值对应的频率，将该频率作为布里渊频移。
实施例2：
在实施例1中基于布里渊光时域反射仪的频移提取的方法的基础上，本实施例还提供了一种基于布里渊光时域反射仪的分布式光纤传感系统，以获取原始数据，并依照实施例1中提供的方法对数据进行处理。
如图3所示，系统包括布里渊时域反射仪和数据处理单元，布里渊时域反射仪和数据处理单元之间通过数据接口和控制接口连接，以进行数据信号和控制信号的交互。图3中，实线表示数据接口连接，虚线表示控制接口连接。
如图4所示，本实施例可以采用的一种布里渊时域反射仪包括：分布式反馈激光器光源、分光器、脉冲调制器、移频器、环形器、待测光纤、耦合器、平衡式光探测器、高速数据采集卡，其中，分布式反馈激光器光源与分光器的输入端口相连，分光器的第一分光口与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端与移频器的输入端相连，移频器的输出端与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口与待测光纤相连，环形器的第三端口与耦合器的第二输入端口相连，分光器的第二分光口与耦合器的第一输入端口相连，耦合器的两个分光口分别平衡式光探测器的两个输入端相连，平衡式光探测器的输出端口与高速数据采集卡相连，高速数据采集卡与数据处理单元相连，数据处理单元完成实施例1中提供的数据处理操作，其中，分光器的分光比为90：10，耦合器的分光比为50：50。
如图5所示，数据处理单元包括一个或多个处理器以及存储器。其中，图5中以一个处理器为例。处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。存储器作为一种布里渊频移提取方法非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如实施例1中的布里渊频移提取方法。处理器通过运行存储在存储器中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现实施例1的布里渊频移提取方法。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。程序指令/模块存储在存储器中，当被一个或者多个处理器执行时，执行上述实施例1中的布里渊频移提取方法，例如，执行以上描述的图1所示的各个步骤。本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一种或多种计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(Read Only Memory，简写为：ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简写为：RAM)、磁盘或光盘等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种布里渊频移提取方法，其特征在于，其包括：
获取布里渊散射的扫频信号数据序列；
利用所述扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列；
利用所述扫频信号数据序列与所述逆序移位数据序列生成布里渊增益谱数据序列；
从所述布里渊增益谱数据序列中提取布里渊频移。
2.如权利要求1所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述利用所述扫频信号数据序列与所述逆序移位数据序列生成布里渊增益谱数据序列，具体包括：
对所述扫频信号数据序列和所述逆序移位数据序列进行卷积计算；
将卷积计算结果作为所述布里渊增益谱数据序列。
3.如权利要求2所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述利用所述扫频信号数据序列生成逆序移位数据序列，具体包括：
利用所述扫频信号数据序列生成逆序数据序列；
计算所述逆序数据序列的待移位距离；
对所述逆序数据序列进行移位操作。
4.如权利要求3所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述利用所述扫频信号数据序列生成逆序数据序列，具体包括：
SEQ2i＝SEQ1N-1-i；
其中，所述N为所述扫频数据序列的长度，所述SEQ1为所述扫频信号数据序列，所述SEQ2为所述逆序数据序列，所述i为所述SEQ2中数据的位置，所述i的取值范围大于等于0且小于等于N-1。
5.如权利要求4所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述计算所述逆序数据序列的待移位距离，具体包括：
提取所述扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值；
D＝((N-1)/2-(fb-f0)/Δf)·2；
其中，所述D为所述待移位距离，所述N为所述扫频数据序列的长度，所述Δf为扫频步长，所述fb为所述扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值，所述f0为扫频最小频率。
6.如权利要求5所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述提取所述扫频信号数据序列中最大增益值对应的频率值，具体包括：
在所述扫频信号数据序列中查找出最大增益值；
若所述最大增益值对应了1个频率，则该频率即为fb，否则取对应的最大频率与对应的最小频率之间的中点频率作为fb。
7.如权利要求6所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述对所述逆序数据序列进行移位操作，具体包括：
若j-D未超出[0，N-1]范围，则SEQ3j＝SEQ2j-D,否则SEQ3j＝0；
其中，所述D为所述待移位距离，所述N为所述扫频数据序列的长度，所述SEQ2为所述逆序数据序列，所述SEQ3为所述逆序移位数据序列，所述j为所述SEQ3中数据的位置，所述j的取值范围大于等于0且小于等于N-1。
8.如权利要求7所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述扫频步长Δf的值小于等于阈值F。
9.如权利要求8所述的布里渊频移提取方法，其特征在于，所述阈值F为1MHz。
10.一种布里渊频移提取的系统，包括布里渊时域反射仪和数据处理单元，其特征在于：
所述布里渊时域反射仪和所述数据处理单元之间通过数据接口和控制接口连接；
所述数据处理单元包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-9中任一项所述的布里渊频移提取方法。
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2021
- 2021-12-30 CN CN202111657110.1A patent/CN114485747B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114485747B (zh) | 2024-07-16 |
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