一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法技术

本发明专利技术公开了一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，所述多点扰动传感方法包括以下步骤：计算光纤中本地瑞利散射光频域信息的频移，当发生扰动事件时，会出现多点局部瑞利散射光频域信号连续频移；通过定位和判断连续频移点起始位置，实现第一点扰动位置定位和识别；当发生两点同时扰动事件时，由于第二点扰动位置会造成光纤距离域信号上该位置功率产生凹陷波谷，寻找均值处理后背向瑞利散射距离域信号中的凹陷波谷，该凹陷波谷的位置即为第二点扰动位置。本发明专利技术克服现有基于光频域反射的光纤扰动传感中，对多点扰动位置无法区分，传感信号噪声较大以及空间分辨率不高等问题，区分了多点扰动、降噪与提高其空间分辨率。

Long distance optical frequency domain reflective optical fiber distributed multi-point disturbance sensing method

The present invention discloses a long distance optical frequency domain reflectometry fiber distributed disturbance sensor method, the multi point disturbance sensing method comprises the following steps: calculating the local Rayleigh scattering light frequency information in optical fiber frequency shift, when the disturbance events, there will be more local Rayleigh scattering light frequency signal through continuous frequency shift; identify the location and continuous frequency shift starting position, to achieve the first position disturbance location and recognition; at the same time when the two disturbance events, due to the second point position disturbance will cause the position of power optical fiber distance domain signal produced on the concave trough, looking back to the depression trough and average distance of Rayleigh scattering domain signal in the sag. The position is second trough position disturbance. The invention overcomes the existing fiber disturbance sensing based on optical frequency domain reflectometry in the position disturbance cannot distinguish to multi point sensing signal noise and spatial resolution is not high, the distinction between the multiple disturbances and noise and improve the spatial resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法
本专利技术涉及分布式光纤传感仪器
，尤其涉及一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法。
技术介绍
长距离的分布式扰动传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如海底光缆、石油管道、周界安全等重点部位的安全监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动，可实现高精度、高空间分辨率、以及长距离的分布式扰动(振动)传感。
技术实现思路
本专利技术提供了一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，本专利技术克服现有基于光频域反射的光纤扰动传感中，对多点扰动位置无法区分，传感信号噪声较大以及空间分辨率不高等问题，尽可能针对扰动对传感信号造成的本质影响提出测量多点扰动的新型算法，进而区分多点扰动、降噪与提高其空间分辨率，详见下文描述：一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，所述多点扰动传感方法包括以下步骤：计算光纤中本地瑞利散射光频域信息的频移，当发生扰动事件时，会出现多点局部瑞利散射光频域信号连续频移；通过定位和判断连续频移点起始位置，实现第一点扰动位置定位和识别；当发生两点同时扰动事件时，由于第二点扰动位置会造成光纤距离域信号上该位置功率产生凹陷波谷，寻找均值处理后背向瑞利散射距离域信号中的凹陷波谷，该凹陷波谷的位置即为第二点扰动位置。其中，所述通过定位和判断连续频移点起始位置，实现第一点扰动位置定位和识别的步骤具体为：频移点作为疑似扰动点，疑似扰动点若为真实扰动信号，在该疑似扰动点之后一段距离表现特征为幅值产生连续变化，以此实现第一点扰动位置定位和识别。其中，所述均值处理具体为：采用信号均值方法降噪，在距离域以一定数量为窗，依次对窗内数据取平均。其中，所述多点扰动传感方法中使用的应变传感装置，包括：可调谐激光器、1:99光分束器、计算机、GPIB控制模块、附加干涉仪、以及主干涉仪。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：该方法是根据扰动与应变的相近关系——扰动位置必然存在较多扰动，基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，根据应变位置判定初始扰动位置。以存在频移点作为疑似扰动点，由于扰动造成扰动点之后频移信号处于不断变化之中，因此以该点之后一段距离信号的幅值变化为特征。由于多点扰动无法通过应变信息进行区分，因此在通过上述方法取得初始扰动点位置后，以另一方法区分后点扰动。由于后点扰动造成光纤距离域信号上该位置产生凹陷，故以此为特征区分多点扰动。附图说明图1为一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法的流程图；图2为运用光频域反射系统测量百公里长度扰动的传感采集信息装置的示意图；图3a为光纤所受应变信息的示意图；图3b为非扰动信号的示意图；图3c为扰动信号的示意图；图3d为初始扰动点位置的示意图；图3e为距离域信号的示意图；图3f为局部均值方法降噪后的有扰动和无扰动信号的示意图；图3g为第二扰动点位置的示意图。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光分束器；3：50:50分束器；4：偏振控制器；5：环形器；6：50:50耦合器；7：第一偏振分束器；8：第二偏振分束器；9：第一平衡探测器；10：第二平衡探测器；11：采集装置；12：第一扰动源；13：第二扰动源；14：计算机；15：参考臂；16：测量臂；17：主干涉仪；18：附加干涉仪；19：GPIB控制器；20：传感光纤。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本方法是由于扰动与应变的同性关系——扰动位置必然存在较多应变变化，故可根据光纤传感获得的光纤所受应变信息来判断初始点扰动位置。以存在频移点作为疑似扰动点，由于扰动造成扰动点之后频移信号处于不断变化之中，因此以该点之后一段距离信号的幅值变化为特征。由于多点扰动无法通过应变信息进行区分，因此在通过上述方法取得初始扰动点位置后，以另一方法区分后点扰动。由于后点扰动造成光纤距离域信号上该位置产生凹陷，故以此为特征区分多点扰动。假设在待测光纤中的某一位置存在一扰动事件，其振动会引起测试臂中测试光场E的相位变化及损耗反射率R的变化。振动引起的相位变化可以表示为：其中，fm是振动频率，δ是相位的调制幅度。而损耗反射率亦因振动而衰减，造成距离域信号幅值下降。本专利技术实施例所提出的针对百公里光纤分布式传感测量多点扰动的新型算法，即利用上述原理特性进行扰动位置检测。假设N是本地瑞利散射的数据点数，其值等于移动窗的宽度，Δx是振动时间的空间分辨率或定位精度，Δx可以表示：Δx＝NΔz其中，Δz是每个数据点的空间分辨率，通过本专利技术实施例提出的针对百公里光纤分布式传感测量多点扰动的新型算法可以有效的降低移动窗的宽度，将窗口点数由800点降至400点，空间分辨率由26.7米提升至13.3米。针对扰动对于距离域信号的影响进行分析，扰动造成对应距离域信号产生凹陷，即成“V”形，原因在于背向瑞丽散射受扰动影响，产生频率展宽造成扰动对应频率信号幅度下降，相近频率信号幅度上升，本专利技术实施例即以此方法判断多点扰动。实施例1一种光频域反射，针对百公里光纤分布式传感测量多点扰动的新型算法，参见图1和图2，该新型算法包括以下步骤：101：在光频域反射仪的主干涉仪中由光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的瑞利散射距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取光纤的各个位置形成本地距离域信息；102：将前后两个时刻采集的两次信号作为参考信号和测量信号，利用移动窗选取传感光纤瑞利散射的本地距离域信息，将其利用复数傅里叶反变换，再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；103：利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行互相关峰频移估计；104：以存在频移点作为疑似扰动点，以该疑似扰动点之后一段距离信号的互相关峰是否出现超过一定阈值的频移为特征进行判断，如果是，执行步骤105，如果否，执行步骤106；105：疑似扰动点为真实扰动信号，即在该疑似扰动点之后一段距离表现特征依然存在互相关峰频移，以此特征判断初始扰动点位置，执行步骤107；106：疑似扰动点中为非扰动信号，互相关峰频移在该疑似扰动点之后一段距离表现特征为孤立峰，不存在互相关峰频移，流程结束；107：通过局部信号平均和凹陷波谷可识别出第二扰动点位置。其中，由于本地光频域瑞利散射信息的频移特征只能识别一点扰动(即初始扰动点位置)，针对扰动对于距离域信号的影响进行分析，扰动造成对应距离域信号产生凹陷，即成“V”形，原因在于背向瑞丽散射受扰动影响，产生频率展宽造成扰动对应频率信号幅度下降，相近频率信号幅度上升。第二扰动点位置(即第二点扰动事件)会引起瑞利散射距离域信息发生凹陷，通过局部信号平均和凹陷波谷可识别出第二点扰动事件。具体实现时，采用信号均值方法降噪，在距离域以400点为窗(对应空间分辨率13.33米)，依次对窗内数据取平均，对应于分辨率为13.3米的距离域信号。寻找均值处理后背向瑞利散射距离域信号中的凹陷波谷，该凹陷波谷位置即为第二点扰动位置，以上述方法区分多点扰动。其中，本专利技术实施例中应用到的扰动传感装置，如图2所示。该扰动传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，其特征在于，所述多点扰动传感方法包括以下步骤：计算光纤中本地瑞利散射光频域信息的频移，当发生扰动事件时，会出现多点局部瑞利散射光频域信号连续频移；通过定位和判断连续频移点起始位置，实现第一点扰动位置定位和识别；当发生两点同时扰动事件时，由于第二点扰动位置会造成光纤距离域信号上该位置功率产生凹陷波谷，寻找均值处理后背向瑞利散射距离域信号中的凹陷波谷，该凹陷波谷的位置即为第二点扰动位置。

【技术特征摘要】
1.一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，其特征在于，所述多点扰动传感方法包括以下步骤：计算光纤中本地瑞利散射光频域信息的频移，当发生扰动事件时，会出现多点局部瑞利散射光频域信号连续频移；通过定位和判断连续频移点起始位置，实现第一点扰动位置定位和识别；当发生两点同时扰动事件时，由于第二点扰动位置会造成光纤距离域信号上该位置功率产生凹陷波谷，寻找均值处理后背向瑞利散射距离域信号中的凹陷波谷，该凹陷波谷的位置即为第二点扰动位置。2.根据权利要求1所述的一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，其特征在于，所述通过定位和判断连续频移点起始位置，实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁振扬，杨迪，刘铁根，刘琨，江俊峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12