一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法，基于相位敏感光时域反射原理，利用振动信号对光信号相位的调制作用，采用互相关‑频率分析算法实现对超低频振动信号的高空间分辨率的定位与检测，具有如下优点：可对超低频振动信号进行检测与定位；可极大地提高空间分辨率，解除脉宽对系统空间分辨率的限制，对超低频振动信号进行高空间分辨率的检测与定位；算法简单，实时性高。

A vibration signal detection method based on phase sensitive time domain reflection system

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法
本专利技术涉及光纤传感
，更具体地说，涉及一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法。
技术介绍
分布式光纤传感技术因其具有传感距离长，铺设灵活，成本低等优点，获得了人们的广泛关注。光时域反射技术采用脉冲光进行探测，一个脉冲光对应一条后向瑞利散射曲线，曲线上各点可反映光纤对应位置处的后向瑞利散射光状态，学界普遍采用移动差分、累加平均算法处理后向瑞利散射曲线，以实现对振动信号的检测。然而，该方法对振动信号定位的有效性容易受到移动差分点数的影响，且对低频振动信号的探测能力有限。边缘检测的图像处理算法也被应用于振动信号的定位，但是定位效果受限于系统信噪比，提升效果有限，且数据处理计算量大。二次包络算法也可实现对振动信号的定位。目前基于相位敏感光时域反射原理的振动检测技术能够对中频信号进行定位。对低频振动信号的检测，需要使用低重复频率的脉冲激光，然而降低脉冲频率会影响系统信噪比和灵敏度，容易造成误判，限制了低频振动信号的探测效果，目前仅能实现对赫兹数量级振动信号的有效探测与定位。光时域反射技术的空间分辨率主要取决于探测光的脉宽，其空间分辨率的提升主要依赖于两个方面。一是提高光脉冲质量，提高脉冲光的消光比，增加光的泵浦放大来获得同等传感长度下更窄的脉冲宽度，继而提高空间分辨率；二是改进信号处理算法，通过对后向瑞利散射曲线的矩阵及二维图像采用特殊算法[]处理来提高信噪比，提升空间分辨率。例如，有学者提出用二维边缘检测法结合卷积算法对后向瑞利散射信号的二维图像空间梯度进行计算，将空间分辨率从5m提高到3m。也有学者通过对原始信号矩阵做快速傅里叶变换(FFT)，在频域内对噪声和振动信号进行分离获得了高信噪比，基于此对振动信号进行定位，在脉宽50ns时获得了3.7m的空间分辨率。现有技术方案中振动定位的空间分辨率仍旧直接或间接受限于脉宽，仅能在脉宽的基础上进行有限的提升。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于相位敏感光时域反射系统的超低频振动信号检测方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于相位敏感光时域反射系统的超低频振动信号检测方法，包括如下步骤：步骤一：在未对相位敏感光时域反射系统施加振动信号的情况下，以固定参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始参考信号；步骤二：在通过振动源对相位敏感光时域反射系统装置施加振动信号的情况下，以同样的参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始待测信号；步骤三：分别对原始参考信号和原始待测信号分别作数据预处理，进行矩阵变换与数据筛选，分别获取参考信号和待测信号；步骤四：将参考信号、待测信号作为互相关的两组信号进行互相关运算，获取互相关曲线，对互相关曲线作频谱分析，获得距离-频率-幅值图，实现对动信号的检测与定位。其中，用于采集原始参考信号和原始待测信号的相位敏感光时域反射系统包括：参考信号产生装置、待测信号产生装置、第一信号处理装置、第二信号处理装置、第三信号处理装置和显示装置；参考信号产生装置和待测信号产生装置均包括窄线宽激光器、光调制器、光纤放大器、滤波器、光环形器、第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤、光电探测器和信号采集装置；其中，窄线宽激光器发出中心波长1550.12nm的高度相干的连续光，注入脉冲光调制器，连续光被调制成脉冲光，将脉冲光注入到光纤放大器中进行放大；脉冲光经滤波器滤除自发辐射噪声后，经光环形器入射到由第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤组成的三段光纤中；待测信号产生装置的第二传感光纤侧设置振动源，以向待测信号产生装置的第二传感光纤施加振动信号；光信号经光环行器连接到光电探测器；经数据采集装置后分别输入第一信号处理装置和第二信号处理装置，对采集到的数据进行矩阵转换与数据挑选的预处理，得到参考信号与待测信号；第一信号处理装置和第二信号处理装置均连接第三信号处理装置，以对参考信号与待测信号进行互相关归一化处理并进行频率分析；第三信号处理装置的输出端接显示器，由显示器显示振动位置。区别于现有技术，本专利技术提供的基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法基于相位敏感光时域反射原理，利用振动信号对光信号相位的调制作用，采用互相关-频率分析算法实现对超低频振动信号的高空间分辨率的定位与检测，具有如下优点：可对超低频振动信号进行检测与定位；可极大地提高空间分辨率，解除脉宽对系统空间分辨率的限制，对超低频振动信号进行高空间分辨率的检测与定位；算法简单，实时性高。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是本专利技术提供的一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法的流程示意图。图2是本专利技术提供的一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法中相位敏感光时域反射系统的结构示意图。图3是本专利技术提供的一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法中传感光纤受振动信号的计算示意图。图4是本专利技术提供的一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法中互相关定位算法的流程示意图。图2中，1、窄线宽激光器2、光调制器3、光纤放大器4、滤波器5、光环形器6、第一传感光纤7、振动源8、第二传感光纤9、第三传感光纤10、光电探测器11、信号采集装置12、第一信号处理装置13、第二信号处理装置14、第三信号处理装置15、显示装置。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示，在本专利技术的基于相位敏感光时域反射系统的超低频振动信号检测方法，包括步骤：步骤一：在未对相位敏感光时域反射系统施加振动信号的情况下，以固定参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始参考信号；步骤二：在通过振动源对相位敏感光时域反射系统装置施加振动信号的情况下，以同样的参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始待测信号；步骤三：分别对原始参考信号和原始待测信号分别作数据预处理，进行矩阵变换与数据筛选，分别获取参考信号和待测信号；步骤四：将参考信号、待测信号作为互相关的两组信号进行互相关运算，获取互相关曲线，对互相关曲线作频谱分析，获得距离-频率-幅值图，实现对动信号的检测与定位。其中，用于采集原始参考信号和原始待测信号的相位敏感光时域反射系统包括：参考信号产生装置、待测信号产生装置、第一信号处理装置12、第二信号处理装置13、第三信号处理装置14和显示装置15；参考信号产生装置和待测信号产生装置均包括窄线宽激光器1、光调制器2、光纤放大器3、滤波器4、光环形器5、第一传感光纤6、第二传感光纤8、第三传感光纤9、光电探测器10和信号采集装置11；其中，窄线宽激光器1发出中心波长1550.12nm的高度相干的连续光，注入脉冲光调制器2，连续光被调制成脉冲光，将脉冲光注入到光纤放大器3中进行放大；脉冲光经滤波器4滤除自发辐射噪声后，经光环形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位敏感光时域反射系统的超低频振动信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：在未对相位敏感光时域反射系统施加振动信号的情况下，以固定参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始参考信号；/n步骤二：在通过振动源对相位敏感光时域反射系统装置施加振动信号的情况下，以同样的参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始待测信号；/n步骤三：分别对原始参考信号和原始待测信号分别作数据预处理，进行矩阵变换与数据筛选，分别获取参考信号和待测信号；/n步骤四：将参考信号、待测信号作为互相关的两组信号进行互相关运算，获取互相关曲线，对互相关曲线作频谱分析，获得距离-频率-幅值图，实现对动信号的检测与定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于相位敏感光时域反射系统的超低频振动信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在未对相位敏感光时域反射系统施加振动信号的情况下，以固定参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始参考信号；
步骤二：在通过振动源对相位敏感光时域反射系统装置施加振动信号的情况下，以同样的参数采集系统输出的数据作为振动信号检测的原始待测信号；
步骤三：分别对原始参考信号和原始待测信号分别作数据预处理，进行矩阵变换与数据筛选，分别获取参考信号和待测信号；
步骤四：将参考信号、待测信号作为互相关的两组信号进行互相关运算，获取互相关曲线，对互相关曲线作频谱分析，获得距离-频率-幅值图，实现对动信号的检测与定位。


2.根据权利要求1所述的基于相位敏感光时域反射系统的超低频振动信号检测方法，其特征在于，用于采集原始参考信号和原始待测信号的相位敏感光时域反射系统包括：参考信号产生装置、待测信号产生装置、第一信号处理装置（12）、第二信号处理装置（13）、第三信号处理装置（14）和显示装置（15）；参考信号产生装置和待测信号产生装置均包括窄线宽激光器（1）、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，邹捷，王宇，靳宝全，张明江，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14