一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光学频域反射计(OFDR)系统调频信号强度误差的实时补偿方法，属于光纤传感领域。包括：A.采集OFDR系统调频信号并根据信号周期提取信号数据；B.提取每个周期数据的幅度变化；C.叠加周期数据；D.滑动平均下采样；E.线性插值并再次下采样，使最终采样点数与调频信号点数一致，得到补偿量；F.采用补偿量反馈控制调制信号发生单元实现强度误差的实时补偿；G.评估补偿效果。本发明专利技术旨在通过实时采集调频信号强度信息并结合本发明专利技术的方法对OFDR系统调频信号强度误差进行补偿，有效降低调频信号强度随频率增加而产生的衰减，提高系统信噪比，进而提高OFDR系统的测量范围、测量精度及空间分辨率。测量精度及空间分辨率。测量精度及空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感领域，具体涉及一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法。

技术介绍

[0002]近年来，伴随互联网和移动通信技术发展，针对“万物互联”的物联网技术得到了越来越多的关注。高性能传感器，作为物联网的核心感知层，也有了越来越多的市场需求。光反射仪作为光纤传感领域的重要组成部分，可用于实现分布式传感，被广泛应用于物联网系统中，而光频域反射仪(OFDR)技术以其独特的优势成为其中不可或缺的一部分。
[0003]OFDR技术基于调频连续波技术(FMCW)，采用频域定位的方式，主要分为非相干探测和相干探测两种。主流的相干探测方法中，通常将一束具有高相干特性的线性扫频光分为两路，一路作为测量光注入待测光纤，另一路作为参考光用于相干放大，通过测量光在光纤不同位置瑞利散射回光信号到达本地的时间不同，与参考光干涉形成的射频信号频率不同，从而在频域上实现位置区分。
[0004]OFDR系统中最重要的组成部分之一是扫频光源，扫频光源的性能直接决定了整个OFDR系统性能的优劣。扫频光源通常具有线性扫频特性，即输出光信号的瞬时频率随时间线性变化。扫频光的实现方法有内部调制和外部调制两种，其中内部调制采用可调谐激光器，改变激光器驱动电流或温度实现调频；外部调制采用单频激光器，改变加载到外部光调制器件上的调制信号实现调频。
[0005]外部调制方案避免了使用昂贵的可调谐激光器，具有低成本的优势，具有更为广泛的应用场景。外部调制方案中，调制信号的性能很大程度上影响OFDR系统的整体性能，调制信号强度随频率增加会发生一定程度的衰减就是其中不可避免的问题之一，强度的不均衡降低了系统的信噪比，为了实现长距离和高空间分辨率的测量，对调制信号强度误差进行补偿显得尤为重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对目前外部调制OFDR系统中普遍存在的调制信号强度随频率变化的问题，提供一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法，通过该方法可以实现调制信号强度在整个调频范围内的均匀分布，有效提高了OFDR系统的信噪比，并最终提高了OFDR系统的测量范围、测量精度以及空间分辨率。
[0007]本专利技术提出以下技术方案：
[0008]一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法，包括以下步骤：
[0009]A.采用模数转换器获取OFDR系统调频信号数据，将数据按信号周期提取为{signal
i
}
n
，其中，signal
i
代表第i周期的调频信号数据，n代表周期总数，n＞2；
[0010]B.分别对每个周期的调频信号数据进行希尔伯特变换，得到每个周期的幅度信息，记为{envelope
i
}
n
，其中，envelope
i
代表第i周期的调频信号数据的幅度信息；
[0011]C.由于幅度信息里的噪声符合高斯分布且符合独立同分布，因此均值为0，将每个envelope
i
相加能够消减噪声带来的影响，记相加能够消减噪声带来的影响，记存在envelope_mean的宽度小于任意一个envelope
i
，且处于envelope
i
的中心；
[0012]D.对envelope_mean进行滑动平均下采样：取窗口大小为w的滑动窗口，对第一个下采样点取envelope_mean第一个点到第w个点的平均，对第k个下采样点取envelope_mean的第w*k
‑
w/2个点到第w*k+w/2个点的平均，最后一个点为envelope_mean的后w个点的平均；记下采样后的点为envelope_downsample；
[0013]E.对envelope_downsample的点作线性插值，根据需求将其插值到m个点，再下采样到调频信号实际所需的点数，记为envelope_compensate，即为补偿参考量；
[0014]F.将调频信号的原始量{envelope
i
}
n
以envelope_compensate的点作为参考，反馈控制调频信号发生单元，得到新的补偿后的调频信号。
[0015]优选地，还包括步骤G.采集补偿后的调频信号，若未达到补偿要求，则重复步骤A
‑
G。
[0016]优选地，所述的OFDR系统采用外部调制方法，调频信号用于将单一频率信号调制为线性扫频信号，调制信号作为驱动信号加载到外部光调制器件上实现光频率的扫描，实现调频连续波测距。
[0017]优选地，所述的调频信号发生单元由FPGA和DDS组成，通过根据补偿参考量实时调整DDS输出信号幅值，实现调频信号强度的控制。
[0018]与现有技术相比，本专利技术对OFDR系统调频信号强度误差进行实时补偿，补偿参考量与调制信号强度的衰减趋势具有良好的一致性，有效降低了调频信号强度随频率增加而产生的衰减，提高了OFDR系统的信噪比，最终提高OFDR系统的测量范围、测量精度及空间分辨率。
附图说明
[0019]图1为OFDR系统中线性扫频光信号产生原理的示意图。
[0020]图2为补偿前调频信号时域图。
[0021]图3为补偿前单个周期的调频信号时域图。
[0022]图4为envelope和envelope_mean比较图。
[0023]图5为envelope_compensate和envelope_mean的效果图。
[0024]图6为补偿后调频信号的时域图。
具体实施方式
[0025]本专利技术通过实时调制信号强度信息，结合相应补偿算法得到补偿参考量，根据补偿参考量反馈控制调制信号发生单元，实现对调制信号强度误差的实时补偿。
[0026]下面结合附图对本专利技术的OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法作具体说明。
[0027]如图1所示，外部调制的OFDR系统中线性扫频光信号的发生原理为：单频激光器出射单一频率的光信号并进入光调制单元，调制信号发生单元产生调制信号并输入光调制单
元，将单频光信号调制为线性扫频光信号，同时，调制信号由补偿单元实时进行处理，处理后得到的补偿参考量反馈控制调制信号发生单元，实现调制信号强度误差的实时补偿。本实例中采用的单频激光器波长为1550nm、线宽为1kHz，光调制单元为铌酸锂IQ调制器，调制信号发生单元主要包括FPGA、DDS及处理电路。
[0028]其中，补偿单元采用的一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法，包括以下步骤：
[0029]A.采用模数转换器获取OFDR系统调频信号数据，根据信号周期将数据按周期提取为{signal
i
}
n
，其中，下角标i代表第i周期，n代表周期总数，本实例中选取n＝8。
[0030]B.分别对每个周本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种OFDR系统调频信号强度误差的实时补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：A.采用模数转换器获取OFDR系统调频信号数据，根据信号周期提取信号数据，记为{signal
i
}
n
，其中，signal
i
代表第i周期的调频信号数据，n代表周期总数，n＞2；B.分别对每个周期的调频信号数据进行希尔伯特变换，得到每个周期的幅度信息，记为{envelope
i
}
n
，其中，envelope
i
代表第i周期的调频信号数据的幅度信息；C.由于幅度信息里的噪声符合高斯分布且符合独立同分布，因此均值为0，将每个envelope
i
相加能够消减噪声带来的影响，记相加能够消减噪声带来的影响，记存在envelope_mean的宽度小于任意一个envelope
i
，且处于envelope
i
的中心；D.对envelope_mean进行滑动平均下采样：取窗口大小为w的滑动窗口，对第一个下采样点取envelope_mean第一个点到第w个点的平均，对第k个下采样点取envelope_mean的第w*k
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕思杰，张利萍，韩东良，
申请(专利权)人：青岛弘大智能电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：