本发明专利技术公开了一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法及装置，包括同步信号发生模块、光电探测器和一个时钟信号发生模块，同步信号发生模块的信号输出接口与光源驱动模块及模数转换器的控制接口相连，同步信号发生模块的控制接口连接至离散型数字延时器的控制接口；光源驱动模块连接至光源；光电探测器的输出接口与模数转换器的信号输入接口及减法器的被减数输入接口相连，模数转换器的输出接口依次连接有离散型数字延时器、数模转换器和减法器的减数输入接口；时钟信号发生模块为模数转换器、离散型数字延时器和数模转换器提供时钟；光源的输出、光电探测器的输入和减法器的输出分别作为整个装置的光输出接口、光输入接口和信号输出接口。
【技术实现步骤摘要】
一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法及装置
本专利技术属于分布式光纤传感领域及信号处理领域，涉及一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法及装置。
技术介绍
分布式光纤传感技术是以光波作为载体，光纤作为媒质，感知传感光纤沿线外界被测物理量的新型传感技术，具有长距离连续传感、损耗低、体积小、抗辐射、耐腐蚀等众多优点，得到了广泛的关注。利用光纤背向散射机制是实现长距离分布式光纤传感的重要手段。但工程现场的气候和施工环境复杂多变，传感光缆所处条件恶劣，给分布式光纤传感系统信号处理带来了很大的挑战。工程现场对分布式光纤传感系统的技术要求越来越高，主要有信噪比高、环境适应能力强、连续无盲区传感等。目前，分布式光纤传感系统提高背向散射迹线信噪比的手段主要是降噪法，包括平均降噪和小波降噪等。平均降噪是将多个光源脉冲周期内接收到的多条背向散射迹线进行平均处理，来滤除信号中的随机噪声，对信号信噪比的提高有一定的帮助，但是具有效率低、信号处理时间长以及不能有效地滤除散射迹线中固有的尖峰、凹谷和随时间缓慢变化的环境噪声等缺点，不能满足工程现场的需求；小波降噪首先对散射迹线进行小波变换，然后对变换得到的小波系数进行处理，以去除其中包含的噪声，最后进行小波逆变换得到去噪后的信号，该方法虽然能够降低散射迹线的噪声，但具有算法复杂、占用资源多，处理时间长等明显缺点，同样不能满足工程现场的要求。分布式光纤传感系统通常采用增加冗余光纤的方法来消除传感盲区，即在工程施工时，在事先确定的光缆位置中增加一段冗余光纤以避开系统的传感盲区。该方法虽然能够消除系统的传感盲区，但是通常情况下，一个盲区需额外地增加一段冗余光纤、两个光纤熔接点和一个光纤接续盒，增加了光信号损耗，增加了施工难度和施工成本，降低了整个光缆的性能和稳定性。如果系统有多个传感盲区，则该方法的缺点越明显。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种能够将分布式光纤传感系统中光电探测器捕获的散射迹线平坦化，消除散射迹线中固有的及随时间缓慢变化的尖峰和凹谷，使得传感光纤沿线的灵敏度变得均匀，并方便系统对外界物理量探测的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法。本专利技术还消除了系统的传感盲区，提高了系统传感的空间动态范围，并提高了信号的信噪比，增强了系统对外界环境的适应能力。本专利技术同时提供一种实现上述方法的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化装置。技术方案：本专利技术的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法，包括以下步骤：1)同步信号发生模块连续产生触发信号并同时传送至光源驱动模块和模数转换器，连续产生延时控制信号并发送给离散型数字延时器，所述触发信号的周期为T，光源驱动模块接收到所述的触发信号后，产生宽度为τ的电脉冲信号，且所述电脉冲信号的相位与所述触发信号的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源，由光源产生宽度为τ的光脉冲信号并传输至光纤光路，所述光脉冲信号的相位与所述电脉冲信号的相位相同；2)所述光纤光路接收光源产生的光脉冲信号后，产生背向散射光信号P(t)并发送给光电探测器，所述光电探测器将捕获的背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信号V(t)，并同时传输至模数转换器的信号输入接口和减法器的被减数信号输入接口，其中V(t)与P(t)满足如下关系：V(t)＝G×α×P(t)α和G分别为光电探测器的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻；3)所述的模数转换器在第i个触发信号的驱动下，对背向散射电信号V(t)作模数转换，产生一列数字背向散射信号Ai(n)，并输出至离散型数字延时器，其中Ai(n)与V(t)满足如下关系：Ai(n)＝V((i-1)×T+n×S)i为触发信号的序数并取值为1，2，3，…；n为数字背向散射信号的序数并取值为0，1，2，…，Z-1；Z为模数转换器在触发信号周期T内的采样长度，Z与T满足：S为模数转换器的采样周期；4)所述离散型数字延时器根据同步信号发生模块输出的延时控制信号控制延时时间D，对数字背向散射信号Ai(n)作延时处理，产生一列延时数字背向散射信号Bj(n)，并输出至数模转换器，其中D＝N×TBj(n)＝Ai-N(n)N为离散型数字延时器的延时周期数并取值为1，2，3，…；j为延时数字背向散射信号序列的序数并取值为1，2，3，…；且j满足：j＝i-N5)所述的数模转换器对延时数字背向散射信号Bj(n)作数模转换，产生延时背向散射电信号C(t)，并输出至减法器的减数信号输入接口，其中C(t)满足：C(t)＝V(t-N×T)6)所述的减法器对接收到的背向散射电信号V(t)和延时背向散射电信号C(t)作减法运算，并输出平坦化背向散射电信号Y(t)为：Y(t)＝V(t)-V(t-N×T)。本专利技术方法的优选方案中，同步信号发生模块产生的触发信号的周期T与光纤光路的长度L满足如下关系：其中vg表示光在纤芯中的传播速度。本专利技术方法的优选方案中，离散型数字延时器的延时周期数N与同步信号发生模块产生的触发信号的周期T满足如下关系：其中INT为四舍五入取整函数，即取最接近的整数值。本专利技术的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化装置，包括同步信号发生模块、光源驱动模块、光源、光电探测器、模数转换器、离散型数字延时器、数模转换器、时钟信号发生模块和减法器；所述同步信号发生模块的触发信号输出接口同时与光源驱动模块的控制接口和模数转换器的控制接口连接，所述同步信号发生模块的控制信号输出接口与离散型数字延时器的控制接口相连接，所述光源驱动模块的输出接口与光源的控制接口连接；所述光电探测器的输出接口同时与模数转换器的信号输入接口和减法器的被减数信号输入接口连接，所述模数转换器的数据输出接口与离散型数字延时器的数据输入接口相连，所述离散型数字延时器的数据输出接口与数模转换器的数据输入接口相连，所述数模转换器的信号输出接口与所述的减法器的减数信号输入接口相连；所述时钟信号发生模块的时钟输出接口同时与模数转换器、离散型数字延时器和数模转换器的时钟输入接口连接；所述光源的输出作为整个装置的光输出接口，所述光电探测器的输入作为整个装置的光输入接口，所述减法器的输出作为整个装置的信号输出接口。本专利技术装置的优选方案中，同步信号发生模块产生的触发信号的周期T与光纤光路的长度L满足如下关系：其中vg表示光在纤芯中的传播速度。本专利技术装置的优选方案中，离散型数字延时器的延时周期数N与同步信号发生模块产生的触发信号的周期T满足如下关系：其中INT为四舍五入取整函数，即取最接近的整数值。本专利技术装置的优选方案中，离散型数字延时器为现场可编程门阵列内部开设的先进先出队列缓存。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术将光电探测器接收到的散射迹线分成两路，一路信号延迟后与另一路信号相减，通过控制离散型数字延时器的延时时间，巧妙地构成了一个合适的带通滤波器。本专利技术对低频信号具有显著的抑制效果，使得本专利技术能有效地抑制散射迹线中的低频背景噪声，增强了系统对环境的适应能力。和平均降噪、小波降噪等传统去噪方法相比，本专利技术具有结构简单、响应快和实时性好等优点。本专利技术能够消除由光纤光路结构带来的散射迹线中固有的尖峰或凹谷，方便了系统对传感信号的提取。同时，本专利技术能够滤除由于传感光缆外界环境及光缆内部应力不均等因素导致的散射迹线上随时间缓慢本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)同步信号发生模块(1)连续产生触发信号并同时传送至光源驱动模块(2)和模数转换器(5)，连续产生延时控制信号并发送给离散型数字延时器(6)，所述触发信号的周期为T，光源驱动模块(2)接收到所述的触发信号后，产生宽度为τ的电脉冲信号，且所述电脉冲信号的相位与所述触发信号的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源(3)，由光源(3)产生宽度为τ的光脉冲信号并传输至光纤光路，所述光脉冲信号的相位与所述电脉冲信号的相位相同；2)所述光纤光路接收光源(3)产生的光脉冲信号后，产生背向散射光信号P(t)并发送给光电探测器(4)，所述光电探测器(4)将捕获的背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信号V(t)，并同时传输至模数转换器(5)的信号输入接口和减法器(9)的被减数信号输入接口(901)，其中V(t)与P(t)满足如下关系：V(t)＝G×α×P(t)α和G分别为光电探测器(4)的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻；3)所述的模数转换器(5)在第i个触发信号的驱动下，对背向散射电信号V(t)作模数转换，产生一列数字背向散射信号Ai(n)，并输出至离散型数字延时器(6)，其中Ai(n)与V(t)满足如下关系：Ai(n)＝V((i‑1)×T+n×S)i为触发信号的序数并取值为1，2，3，…，n为数字背向散射信号的序数并取值为0，1，2，…，Z‑1，Z为模数转换器(5)在触发信号周期T内的采样长度，Z与T满足：Z=TS]]>S为模数转换器(5)的采样周期；4)所述离散型数字延时器(6)根据同步信号发生模块(1)输出的延时控制信号控制延时时间D，对数字背向散射信号Ai(n)作延时处理，产生一列延时数字背向散射信号Bj(n)，并输出至数模转换器(7)，其中D＝N×TBj(n)＝Ai‑N(n)N为离散型数字延时器(6)的延时周期数并取值为1，2，3，…，j为延时数字背向散射信号序列的序数并取值为1，2，3，…，且j满足：j＝i‑N5)所述的数模转换器(7)对延时数字背向散射信号Bj(n)作数模转换，产生延时背向散射电信号C(t)，并输出至减法器(9)的减数信号输入接口(902)，其中C(t)满足：C(t)＝V(t‑N×T)6)所述的减法器(9)对接收到的背向散射电信号V(t)和延时背向散射电信号C(t)作减法运算，并输出平坦化背向散射电信号Y(t)为：Y(t)＝V(t)‑V(t‑N×T)。...
【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)同步信号发生模块(1)连续产生触发信号并同时传送至光源驱动模块(2)和模数转换器(5)，连续产生延时控制信号并发送给离散型数字延时器(6)，所述触发信号的周期为T，光源驱动模块(2)接收到所述的触发信号后，产生宽度为τ的电脉冲信号，且所述电脉冲信号的相位与所述触发信号的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源(3)，由光源(3)产生宽度为τ的光脉冲信号并传输至光纤光路，所述光脉冲信号的相位与所述电脉冲信号的相位相同；2)所述光纤光路接收光源(3)产生的光脉冲信号后，产生背向散射光信号P(t)并发送给光电探测器(4)，所述光电探测器(4)将捕获的背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信号V(t)，并同时传输至模数转换器(5)的信号输入接口和减法器(9)的被减数信号输入接口(901)，其中V(t)与P(t)满足如下关系：V(t)＝G×α×P(t)α和G分别为光电探测器(4)的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻；3)所述的模数转换器(5)在第i个触发信号的驱动下，对背向散射电信号V(t)作模数转换，产生一列数字背向散射信号Ai(n)，并输出至离散型数字延时器(6)，其中Ai(n)与V(t)满足如下关系：Ai(n)＝V((i-1)×T+n×S)i为触发信号的序数并取值为1，2，3，…；n为数字背向散射信号的序数并取值为0，1，2，…，Z-1；Z为模数转换器(5)在触发信号周期T内的采样长度，Z与T满足：S为模数转换器(5)的采样周期；4)所述离散型数字延时器(6)根据同步信号发生模块(1)输出的延时控制信号控制延时时间D，对数字背向散射信号Ai(n)作延时处理，产生一列延时数字背向散射信号Bj(n)，并输出至数模转换器(7)，其中D＝N×TBj(n)＝Ai-N(n)N为离散型数字延时器(6)的延时周期数并取值为1，2，3，…；j为延时数字背向散射信号序列的序数并取值为1，2，3，…；且j满足：j＝i-N5)所述的数模转换器(7)对延时数字背向散射信号Bj(n)作数模转换，产生延时背向散射电信号C(t)，并输出至减法器(9)的减数信号输入接口(902)，其中C(t)满足：C(t)＝V(t-N×T)6)所述的减法器(9)对接收到的背向散射电信号V(t)和延时背向散射电信号C(t)作减法运算，并输出平坦化背向散射电信号Y(t)为：Y(t)＝V(t)-V(t-N×T)。2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法，其特征在于，所述的同步信号发生模块(1)产生的触发...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙小菡，叶红亮，潘超，李明铭，赵澍慧，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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