CN116086589A - 一种面向分布式光纤振动传感系统的数据分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向分布式振动传感系统的数据分析方法，使用分布式光纤传感系统构成前端系统输出探测信号，使用环形器将探测信号注入待测光纤并使用探测器直接探测背向瑞利散射信号，实现对待测信号的接收与分析；探测器采集的探测信号由一系列反向散射/反射曲线组成，每个探测脉冲获得一条反向散射/反射曲线；每条反向散射/反射曲线的长度与分布式振动传感光纤的长度成正比；重新绘制记录曲线矩阵，以提供反向散射/反射曲线的二维矩阵数据，并将特定位置的输出确定为时间的函数；对瑞利背向散射/反向反射曲线的二维矩阵数据沿距离方向逐行做傅里叶变换，得到光纤传感沿线的扰动信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向分布式振动光纤传感系统的数据分析方法，尤其涉及一种提高系统动态范围和应变分辨率能力的分布式光纤传振动感数据谐波分析法，属于光纤传感领域。
背景技术
与其他类型的传感技术相比，分布式光纤传感技术具有能测量沿整个光纤长度(通常为几十公里)上物理参数空间分布的竞争优势，而不是仅仅获得单个位置的信息。基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，已经开发了多种分布式传感技术。在不同类型的分布式传感技术中，分布式振动传感器已经引起了越来越多的关注，尤其是在石油和天然气行业的应用中。分布式振动传感器的复用是通过使用偏振、相位或强度信息来实现光纤沿线振动的定位测量。
基于偏振的分布式振动传感器(DVS)，如果同时存在多个振动点，则在第一振动点之后沿光纤点发生的较远的后续振动点的信息很容易受到靠近光注入光纤点的振动事件的影响。这种限制是由于系统提取偏振信息的过程。大多数DVS系统基于相位信息提取相，通常通过双脉冲法、外差检测或干涉相位恢复法实现。现有的基于相位信息的DVS方案通常具有复杂的系统结构并且价格昂贵。例如，双脉冲方案需要两个声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)来获得探测脉冲，外差检测法需要窄线宽激光器和高速数据采集(DAQ)卡，而干涉相位恢复DVS需要三个光电检测器(PDs)，其产生的数据是原来的三倍，因此需要更多的计算需求。
本发明提出了一种基于瑞利背散射(RBS)强度信息定量测量振动应变的方法。该方法通过谐波数量定量分析振动强度，因此与仅基于强度或极化信息，可以大大提升系统应变动态范围和应变分辨率，与基于窄线宽光源和高速数据采集卡的方案相比可大大降低成本。该发明算法简单、便于实现广泛的工程应用。
发明内容
本发明目的是，提供一种基于瑞利背散射(RBS)/背身反射信号强度信息定量测量振动应变的方法。通过分析传感数据中的多个谐波信号，实现系统动态范围的提升和应变的定量测量。
本发明采用以下技术方案提高空间分辨率和物理量测量精度：面向分布式振动传感系统的数据分析方法，使用直接探测的分布式光纤传感系统获取瑞利背向散射信号，分布式振动传感光纤构成前端系统输出探测信号，使用环形器将探测信号注入待测光纤并使用探测器直接探测背向瑞利散射信号，实现对测量信号的接收与分析；探测器采集的探测信号由一系列反向散射曲线组成(调制器均匀或不均匀发出探测脉冲信号，每个探测脉冲获得一条反向散射/反射曲线)；每条反向散射/反射曲线的长度与分布式振动传感光纤的长度成正比；重新绘制记录曲线矩阵，以提供反向散射曲线的二维矩阵数据，并允许将特定位置的输出确定为时间的函数；对瑞利背向散射/反向反射曲线的二维矩阵数据沿距离方向逐行做傅里叶变换，可得光纤传感沿线的扰动信息；该方法可提高振动传感系统的空间分辨率和物理量测量精度。
具体包括以下步骤：
步骤1、分布式光纤传感系统中激光器输出的直流光信号被调制器调制为周期性的探测脉冲(探测脉冲宽度根据空间分辨率需求可以是飞秒量级、皮秒量级、纳秒量级、微秒量级甚至毫秒量级)，探测脉冲经环形器进入传感光纤或被EDFA放大后一再经环形器进入传感光纤；
步骤2、传感光纤的背向瑞利散射/反射信号被探测器接收或经EDFA放大后被探测器接收；
步骤3、使用数据采集卡对探测器输出信号进行数据采集，对测得的一维数据按周期进行二维整形；假设探测脉冲的周期为T，数据采集卡每次采集并处理n个周期的时域数据，每个周期的时域测量曲线内含N个数据点，将连续n个周期时域数据按周期分行赋到一个矩阵n*N中，再将矩阵转置为N*n；
步骤4、对N*n的矩阵，沿距离方向(即沿N*n矩阵中N行的方向)对此数据逐行做傅里叶变换，得光纤传感沿线的扰动信息；
进一步的，谐波分析提高系统动态范围的方法，通过对采集到的背向瑞利散射/反射信号强度信息进行傅里叶变换得到外部扰动信息的位置，根据公式z＝c*x*Δt/(2n)实现扰动信息的精确定位，其中z是光纤上的位置，c是光速，x代表一个周期采集的N个采样点中：0～N中的任意某一点(即指光纤沿线均匀采样的顺序数(自然数))，z对应的具体位置与x成正比，Δt是采样时间间隔，n是光纤中的折射率；
按距离方向对N*n矩阵的每一行傅里叶变换的频谱，代表光纤上每一点在所采集数据时间内受振动的影响情况，若光纤沿线未受振动影响，逐行傅里叶变换后获得的频谱图中，除零频率以外看不到其它任何频率；若光纤沿线有振动影响，则频谱图上除零频外还会从受振动影响位置处开始至光纤尾端出现振动频率，非零频率的位置即为振源的位置。
进一步的，傅里叶变换后的响应频谱会随振动信号的强弱变化而变化，同时响应频谱会出现谐波现象，谐波级次随振动信号的增强而增加。
进一步的，在噪声基底足够低的情况下，系统响应每增加一次谐波，应变变化量在
的范围内，即应变分辨率
其中λ是入射光波长，n是光纤折射率，Δl是系统空间分辨率，即数据采集的距离分辨率。理想情况下，当λ为1550nm，n为1.45，Δl为0.5m时对应的应变值为1.07με。
进一步的，基于振动传感系统响应频谱中的谐波级次分析振动信号的强度，可提高传感系统的动态范围。
本发明提出的谐波数据分析方法，适用于基于傅里叶变换获取振动信息的多种光纤传感系统，系统所提及的光纤可以是单模光纤、少模光纤、保偏光纤、多芯光纤、多模光纤、光子晶体光纤、特种光纤，同时传感单元也可是阵列光纤光栅或是含阵列弱反射单元的光纤。
谐波分析方法提高系统动态范围的工作原理可描述为：基于分布式光纤传感技术，根据瑞利背向散射信号的强度信息和外部扰动信息的时间值，可以实现扰动信息的精确定位。探测器采集的信号由一系列反向散射曲线/反射曲线组成(每个探测脉冲获得一条散射/反射曲线)。每条曲线的长度与传感光纤的长度成正比，重复率等于脉冲发生的重复频率。重新绘制记录曲线矩阵，以提供反向散射曲线的二维矩阵数据，并允许将特定位置的输出确定为时间的函数。对背向瑞利散射曲线的二维矩阵数据沿距离方向逐行做傅里叶变换，可得光纤传感沿线的扰动信息。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本发明在不增加甚至降低传统分布式振动传感系统技术复杂度的基础上，使用谐波分析方法，实现分布式振动传感，通过分析频谱响应中的谐波信息，实现动态范围的提升。
附图说明
图1分布式振动传感系统较佳实施例框图；
图2数据分析处理步骤图；图2(a)瑞利背向散射曲线,图2(b)为图2(a)中的数据按周期进行分段整形,图2(c)是对图2(b)中的数据做转置；
图3(a)、(b)系PZT1驱动电压分别为0.8V和20V时光纤传感系统的响应频谱，图3(b)中的序号1-12代表谐波次数，这里PZT1为模拟振动的压电陶瓷，也可用其它振动设备或实际振源；
图4中四图为光纤振动测量系统沿线存在两个振动时的频谱响应图，光纤振动测量系统中PZT1、PZT2(模拟振动源)在不同驱动电压下的系统响应；其中两个PZT的驱动频率分别为800Hz(PZT1)与500Hz(PZT2),(a),(b)是PZT1驱动电压是0.8V时的结果，(c),(d)是PZT2驱动电压是20V时的结果；系统沿线存在两个振动时的频谱响应图，图4中(a),(c)系两个振动源位置处(分别为1632m，800Hz；1686m,500Hz)的频谱信息，图4中(b),(d)是频谱信息沿光纤沿线的具体分布，分别对应了光纤从1600m到1700m处的响应频谱信息，内含两个振动源的频谱信息。
图5系统对不同频率振动的频谱响应图(一个振动源为例)；图5(a)为PZT1驱动频率分别为100Hz,200Hz,500Hz时的响应频谱，图5(b)为PZT1驱动频率分别为1k Hz,2k Hz,5k Hz时的响应频谱，图5中(a)、(b)两图中每个频率都有谐波成份，实验结果系统性的证明该方案可实现不同频率成份的测量。
图6为振动源PZT1在不同驱动电压下响应频谱中的谐波次数及其所对应的应变。图6(a)为光纤传感系统的响应谐波数，图6(b)为光栅解调仪标定的光纤应变响应结果。
图7谐波产生原因分析示意图。
具体实施方式
为更加清楚明白地描述本发明，下面以光时域反射仪类传感系统为例，但不限于此类系统，结合附图说明本发明的较佳实施例。
本发明的数据来源是分布式光纤传感系统，本发明获取数据及数据处理的具体实施步骤如下：
该实施例使用直接探测的分布式光纤传感系统获取瑞利背向散射信号，前端系统输出探测信号，使用环形器将探测脉冲注入待测光纤并使用探测器直接探测背向瑞利散射信号，实现对测量信号的接收与分析。包括以下步骤：
步骤1、激光器输出的直流光信号被调制器调制为探测脉冲，探测脉冲被EDFA放大后经环形器进入传感光纤(此处EDFA根据激光器输出功率大小决定是否采用，当激光器输出功率足够高时可不使用EDFA)；
步骤2、传感光纤的背向散射信号经EDFA放大后被探测器接收(此处EDFA根据背向散射/反射信号功率大小和探测器灵敏度高低决定是否采用，当背向散射/反射信号功率足够高或探测器灵敏度足够高时可不使用EDFA)，系统框图如图1所示；
步骤3、使用数据采集卡对探测器输出信号进行采集，数据采集卡每次采集并处理n个周期的时域数据，每条时域测量曲线内含N个数据点。图2(a)中每个周期T内包含N个数据点，将时域信号的连续n个周期信号按周期分行赋到一个矩阵n*N中如图2(b)所示，再将矩阵转置为N*n(如图2(c)所示)；图2(c)中矩阵的每一行内的各个数据代表被测光纤上同一位置点的瑞利背向散射信号随时间的强度变化；
步骤4、将图2(c)矩阵的每一行做FFT变换，代表光纤上每一点在所采集数据时间内受振动的影响情况，若光纤沿线未受振动影响，逐行FFT变换后获得的的频谱图中，除零频率以外看不到其它任何频率；若光纤沿线有振动影响，则频谱图上除零频外还会从受振动影响位置处开始至光纤尾端出现振动频率，非零频率的位置即为振源的位置。本实施例获得的频谱信息样图如图3-6所示。
进一步的，谐波分析提高系统动态范围的方法，根据对采集到的背向瑞利散射/反射信号强度信息做傅里叶变换，得到外部扰动信息的时间值，根据公式z＝c*x*Δt/(2n)实现扰动信息的精确定位，其中z是光纤上的位置，c是光速，x代表一个周期的N个采样点中：0～N中的任意某一点，z对应的具体位置与x成正比，Δt是采样时间间隔，n是光纤中的折射率；N代表图2(b)中的一行数据或图2(c)中的一列数据。
实施例中振源1(PZT1)在光纤沿线1625m-1640m的位置，振源2(PZT2)在光纤沿线1680m-1691m的位置。
进一步的，傅里叶变换后的响应频谱会随振动信号的强弱变化而变化，同时响应频谱会出现谐波现象，谐波级次随振动信号的增强而增加。
进一步的，在噪声基底足够低的情况下，系统响应每增加一次谐波，应变变化量在
的范围内，即应变分辨率
其中λ是入射光波长，n是光纤折射率，Δl是系统空间分辨率。理想情况下，当λ为1550nm，n为1.45，Δl为0.5m时，对应的应变值为1.07με。
进一步的，基于振动传感系统响应频谱中的谐波级次分析振动信号的强度，可提高传感系统的动态范围和应变分辨能力。
本发明提出的谐波数据分析方法，适用于基于傅里叶变换获取振动信息的多种光纤系统，传感系统中所提及的光纤可以是单模光纤、少模光纤、保偏光纤、多芯光纤、多模光纤、光子晶体光纤等特种光纤，同时传感单元也可是阵列光纤光栅或是含阵列弱反射单元的光纤。
根据本实施例的实验结果可以简要分析一下谐波产生的原因，如图7所示，在相干探测技术中，一般通过相位解卷积的方法获取频率信息，解卷前信息如图7中实线所示，解卷后信息如图7中虚线所示。本发明是基于振源的强度调制，未经过相干探测，但是由于光源线宽足够窄，探测脉冲本身的自相干信号叠加在调制信息中，系统获取的强度调制信息与图7中的解卷前信号即图中实线相似，假设信号的原始周期为T对应频率为f，根据图中标注出的周期信息，很容易发现探测信号里面存在多个分周期成份T/2，T/4，等，即对应倍频信号的频率分别为2f，4f等；因此，将与图7中实线相似的数据傅里叶变换后会出现多个阶次的谐波信息(即图7中的虚线为基波数据，虚拟中除基波外还含多个谐波信息)。本发明的方法在系统激光器上可使用低成本光源，信号接收部分不需要高频数据采集卡，同时不需要使用电滤波器或数字滤波器，可大大降低系统成本，为分布式光纤传感技术的广泛推广提供强有力的可行性方案。
以上实施例为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明精神和范围的情况下做任何修改和局部替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面向分布式振动传感系统的数据分析方法，其特征是，使用分布式光纤传感系统构成前端系统输出探测信号，使用环形器将探测信号注入待测光纤并使用探测器直接探测背向瑞利散射信号，实现对待测信号的接收与分析；探测器采集的探测信号由一系列反向散射/反射曲线组成，每个探测脉冲获得一条反向散射/反射曲线；每条反向散射/反射曲线的长度与分布式振动传感光纤的长度成正比；重新绘制记录曲线矩阵，以提供反向散射/反射曲线的二维矩阵数据，并将特定位置的输出确定为时间的函数；对瑞利背向散射/反向反射曲线的二维矩阵数据沿距离方向逐行做傅里叶变换，得到光纤传感沿线的扰动信息；
包括以下步骤：
步骤1、分布式光纤传感系统中激光器输出的直流光信号被调制器调制为周期性的探测脉冲，探测脉冲经环形器进入传感光纤或被EDFA放大后再经环形器进入传感光纤；
步骤2、传感光纤的背向瑞利散射/反射信号被探测器接收或经EDFA放大后被探测器接收；
步骤3、使用数据采集卡对探测器输出信号进行数据采集，对测得的一维数据按周期进行二维整形；假设探测脉冲的周期为T，数据采集卡每次采集并处理n个周期的时域数据，每个周期的时域测量曲线内含N个数据点，将连续n个周期时域数据按周期分行赋到一个矩阵n*N中，再将矩阵转置为N*n；
步骤4、对N*n的矩阵，沿距离方向对此数据逐行做傅里叶变换，得光纤传感沿线的扰动信息；
谐波分析提高系统动态范围的方法，通过对采集到的背向瑞利散射/反射信号强度信息进行傅里叶变换得到外部扰动信息的位置，根据公式z＝c*x*Δt/(2n)实现扰动信息的精确定位，其中z是光纤上的位置，c是光速，x代表一个周期的N个采样点中：0～N中的任意某一点即指光纤沿线均匀采样的顺序数，z对应的具体位置与x成正比，Δt是采样时间间隔，n是光纤中的折射率；
按距离方向对N*n矩阵的每一行傅里叶变换的频谱，代表光纤上每一点在所采集数据时间内受振动的影响情况，若光纤沿线未受振动影响，逐行傅里叶变换后获得的频谱图中，除零频率以外看不到其它任何频率；若光纤沿线有振动影响，则频谱图上除零频信号外还会从受振动影响位置处开始至光纤尾端出现振动频率，非零频率的位置即为振源的位置。
2.根据权利要求1所述的面向分布式振动传感系统的数据分析方法，其特征是，傅里叶变换后的响应频谱会随振动信号的强弱变化而变化，同时响应频谱会出现谐波现象，谐波级次随振动信号的增强而增加。
3.根据权利要求1所述的面向分布式振动传感系统的数据分析方法，其特征是，探测脉冲宽度根据空间分辨率需求是飞秒量级、皮秒量级、纳秒量级、微秒量级甚至毫秒量级。
4.根据权利要求1-3任一所述的面向分布式振动传感系统的数据分析方法，其特征是，在噪声基底足够低的情况下，系统响应每增加一次谐波，应变变化量在
的范围内，即
其中λ是入射光波长，n是光纤折射率，Δl是系统空间分辨率。
5.根据权利要求1-3任一所述的面向分布式振动传感系统的数据分析方法，其特征是，基于振动传感系统响应频谱中的谐波级次分析振动信号的强度，能提高传感系统的动态范围。
6.根据权利要求1-3任一所述的面向分布式振动传感系统的数据分析方法，其特征是，谐波数据分析方法适用于基于傅里叶变换获取振动信息的多种光纤传感系统，系统所提及的光纤可以是单模光纤、少模光纤、保偏光纤、多芯光纤、多模光纤、光子晶体光纤，同时传感单元、阵列光纤光栅或是含阵列弱反射单元的光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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