分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法技术

本发明专利技术公开了分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法，从算法上消除了干涉衰落问题，该算法通过信号的相关性定位，通过相对值的方法消除干涉衰落问题，具体流程如下：采集卡接收到一系列原始瑞利散射电信号，多条散射曲线做相关计算，多条散射曲线时域上平均，相关结果比上时域平均结果，最后确定事件位置。实验结果表明可以提高定位速度，更容易找到事件点，同时消除了干涉衰落的影响。

Distributed Vibration Sensor for Vibration Information Location to Eliminate Interference Fading

The invention discloses a vibration information positioning method for eliminating interference fading of distributed vibration sensor, eliminating interference fading problem from algorithm. The algorithm eliminates interference fading problem through correlation positioning of signals and relative value method. The specific flow chart is as follows: the acquisition card receives a series of original Rayleigh scattering signals, multiple scattering curves do correlation calculation, and many scattering curves are scattered. The time-domain average of the shooting curve is higher than that of the time-domain average. Finally, the location of the event is determined. The experimental results show that the location speed can be improved, the event points can be easily found, and the interference fading effect can be eliminated.

【技术实现步骤摘要】
分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法
本专利技术涉及分布式光纤瑞利散射振动传感系统
，尤其涉及一种振动传感器事件定位方法及相关的数据处理。
技术介绍
分布式光纤振动传感器是近几十年来发展的一种用于实时测量空间振动信息分布的光纤传感系统。经过几十年的发展，该技术比较成熟的。φ-OTDR分布式光纤振动传感系统利用瑞利散射信号，扰动位置根据OTDR原理可由下式计算：其中，Δt为发出脉冲到收到该点光信号的时间；c光速；n为光纤纤芯折射率。φ-OTDR型光纤振动传感系统拥有结构紧凑、解调算法简单、定位精度高、信噪比高等优点。但是存在干涉衰落问题，根据φ-OTDR原理，反射回来的散射曲线是周期性的锯齿波形，意思是有的地方在波峰，信号强度很大，有的地方在波谷，信号很弱。比如同样变化3dB，信号强的波峰变化量很大，信号弱的波谷变化量很小，这种情况很可能把波谷的振动信号忽略掉。
技术实现思路
针对现有分布式振动传感器振动信息定位方法不足或改进需求，本专利技术提供了一种相关解调算法，其目的在于又快又好地定位事件，同时消除干涉衰落问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供了一种分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法，包括以下步骤：S1、将采集卡接收到一系列原始瑞利散射曲线信号组成一个二维矩阵S：其中m为脉冲个数，n为采样点数，矩阵行向量表示一个脉冲的瑞利散射信号沿着光纤距离的大小，矩阵列向量表示光纤上某一点随着时间的变化；S2、对二维矩阵S做相关运算得到矩阵R：其中Rij＝E[S(i:a+i,j)*S(i+b:a+i+b,j)]-E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]a为相关算法中所取脉冲个数，b为相关取样间隔，floor是向下取整；S(i:a+i,j)表示取出矩阵S中第j列，第i行到i+a行的数据作为一个向量，E()表示对向量取平均值；S3、一系列原始瑞利散射曲线在时域上平均后得到矩阵T：其中Tij＝sqrt{E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]}Sqrt()表示开根号；S4、计算矩阵P：其中Pij＝Rij/Tij；S5、分析矩阵P的相关曲线，寻找尖峰，定位尖峰处为事件点。本专利技术还提供了一种分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位处理器，包括：二维矩阵模块，用于将采集卡接收到一系列原始瑞利散射电信号组成一个二维矩阵S：其中m为脉冲个数，n为采样点数，矩阵行向量表示一个脉冲的瑞利散射信号沿着光纤距离的大小，矩阵列向量表示光纤上某一点随着时间的变化；相关运算模块，用于对二维矩阵S做相关运算得到矩阵R：其中Rij＝E[S(i:a+i,j)*S(i+b:a+i+b,j)]-E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]a为相关算法中所取脉冲个数，b为相关取样间隔，floor是向下取整；S(i:a+i,j)表示取出矩阵S中第j列，第i行到i+a行的数据作为一个向量，E()表示对向量取平均值；时域平均模块，用于对多条散射曲线在时域上进行平均，得到矩阵T：其中Tij＝sqrt{E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]}Sqrt()表示开根号；比值模块，用于计算矩阵P：其中Pij＝Rij/Tij；事件点获取模块，用于分析矩阵P的相关曲线，寻找尖峰，定位尖峰处为事件点。本专利技术还提供了一种光纤振动传感系统，该系统包括依次连接的激光器、脉冲调制器、光放大器、环形器、光电探测器、采集卡、处理器，该环形器的一个端口还连接待测光纤；激光器发出的激光经脉冲调制器进行调制，调制光经光放大器放大，放大后的信号光经环形器进入待测光纤，待测光纤反射回来的瑞利散射光通过光电探测器进行光电转换，采集卡采集瑞利散射电信号；通过处理器对瑞利散射电信号进行处理，消除干涉衰落并定位事件点；所述处理器为上述技术方案中所述的振动信息定位处理器。接上述技术方案，所述激光器为窄线宽激光器，输出功率为13mw,波长为1550.12nm的窄线宽激光。接上述技术方案，所述脉冲调制器为光纤耦合声光调制器。接上述技术方案，所述放大器为EDFA掺饵光纤放大器。接上述技术方案，所述探测器为PD光电转换器。接上述技术方案，所述待测光纤为单模光纤。本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案的分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法的步骤。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术提出一消除干涉衰落的事件定位方法，通过瑞利散射曲线在时域上进行平均消除随机噪音；通过相对量计算，避免了锯齿状的干涉波形对外界激励变化的影响，消除了干涉衰落的影响，并可以提高定位速度，更容易找到事件点。本专利技术的方法也可以用在其他涉及到干涉原理的分布式传感器中。比如光频域反射计OFDR，基于布里渊散射原理的分布式光纤传感技术，使用本专利方法同样也可避干涉衰落问题。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例典型的分布式光纤振动传感系统；图2是本专利技术实施例一种在空间域处理数据的事件定位方法流程图；图3是本专利技术实施例事件定位曲线，左图为绝对值，右图为处理后相对值。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。根据一维脉冲响应模型：假设在t＝0时刻，将一个相干光脉冲入射到光纤中，其脉冲宽度为W，频率为v，在光纤的入射端处后向瑞利散射光波e(t)可以表示为其中ai和τi分别表示第i个散射波的振幅和往返时间，N表示散射点的总数，α表示光纤的衰减常数，c表示真空中的光速，nf表示光纤的折射率。其中第i个散射点往返时间和离光纤入射段之间距离zi可以表示成τi＝2nfzi/c。因此后向散射光功率可以表示成如下p(t)＝|e(t)|2＝p1(t)+p2(t)其中φij＝2πv(τi-τj)，表示第i个和第j个散射点的相位差。上式中p1(t)代表N个散射点各自散射功率之和，该项不随着光纤温度或应变的变化，也不随着激光频率的改变。而p2(t)表示了不同散射点之间干涉的结果，使得瑞利散射回波呈现出干涉衰落波形。在p2(t)表达式中有一项cos(φij)，其中相邻散射点之间的相位差φij正比于激光器的频率v，折射率nf，散射点间距sij＝zi-zj，其关系是可以表示为φij＝4πvnfsij/c。因此干涉项p2(t)是v，nf和sij的函数，而nf和sij取决于光纤温度和应变的变化。系统关注的是p2(t)，从p2(t)中可以看出由于相位造成的光强信号存在延迟，因此相位时域信号具有相关特性。如图1示，为光纤振动传感系统示意图，该系统包括依次连接的激光器、脉冲调制器、光放大器、环形器、光电探测器、采集卡、处理器，该环形器的一个端口还连接待测光纤。激光器发出的激光经脉冲调制器进行调制，调制光经光放大器放大，放大后的信号光经环形器进入待测光纤，待测光纤反射回来的瑞利散射光通过光电探测器进行光电转换，采集卡采集瑞利散射电信号；通过处理器对瑞利散射电信号进行处理，消除干涉衰落并定位事件点。上述处理器主要包括：二维矩阵模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将采集卡接收到一系列原始瑞利散射曲线信号组成一个二维矩阵S：

【技术特征摘要】
1.一种分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将采集卡接收到一系列原始瑞利散射曲线信号组成一个二维矩阵S：其中m为脉冲个数，n为采样点数，矩阵行向量表示一个脉冲的瑞利散射信号沿着光纤距离的大小，矩阵列向量表示光纤上某一点随着时间的变化；S2、对二维矩阵S做相关运算得到矩阵R：其中Rij＝E[S(i:a+i,j)*S(i+b:a+i+b,j)]-E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]a为相关算法中所取脉冲个数，b为相关取样间隔，floor是向下取整；S(i:a+i,j)表示取出矩阵S中第j列，第i行到i+a行的数据作为一个向量，E()表示对向量取平均值；S3、一系列原始瑞利散射曲线在时域上平均后得到矩阵T：其中Tij＝sqrt{E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]}Sqrt()表示开根号；S4、计算矩阵P：其中Pij＝Rij/Tij；S5、分析矩阵P的相关曲线，寻找尖峰，定位尖峰处为事件点。2.一种分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位处理器，其特征在于，包括：二维矩阵模块，用于将采集卡接收到一系列原始瑞利散射电信号组成一个二维矩阵S：其中m为脉冲个数，n为采样点数，矩阵行向量表示一个脉冲的瑞利散射信号沿着光纤距离的大小，矩阵列向量表示光纤上某一点随着时间的变化；相关运算模块，用于对二维矩阵S做相关运算得到矩阵R：其中Rij＝E[S(i:a+i,j)*S(i+b:a+i+b,j)]-E[S(i:a+i,j)]*E[S(i+b:a+i+b,j)]a为相关算法中所取脉冲个数，b为相关取样间隔，floor是向下取整；S(i:a+i,j)表示取出矩阵S中...

【专利技术属性】
技术研发人员：田铭，闫奇众，董雷，杨玥，刘洪凯，
申请(专利权)人：武汉理工光科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42