基于OFDM-NLFM时间序列脉冲调制的分布式光纤振动传感方法技术

本发明专利技术涉及一种基于OFDM

【技术实现步骤摘要】
基于OFDM
‑
NLFM时间序列脉冲调制的分布式光纤振动传感方法


[0001]本专利技术属于光纤领域，具体涉及一种基于OFDM
‑
NLFM时间序列脉冲调制的分布式光纤振动传感方法。

技术介绍

[0002]振动是自然界最普遍的物理现象之一，研究先进的振动传感器用于高效率和高质量地检测振动信息(幅度、频率、速度和加速度)，对保障人类活动的安全和提升效率有着重要的意义。比如，研究人员通过测量钢筋和混凝土的振动情况，可以有效地检查桥梁、大坝和高楼等重要建筑物的健康现状，预防垮塌事故；通过测量土壤、岩石或冰川中地震波的产生和传播情况，可以实现对某些严重地质灾害的预警，如山体滑坡等，也可以推算出地质结构，勘探地下的油、气和金属等资源，通过测量管道、电缆和铁轨的振动分布情况，可以有效地监控有无挖掘、钻孔等人为破坏管道、电缆和铁轨的非法活动，可以确定管道泄漏或电缆故障的位置，加快维修进度等等。
[0003]20世纪60年代以来，随着光纤、光调制器、激光器以及数字信号处理等技术的迅速发展，光纤传感技术也随之蓬勃发展，引起了研究人员的广泛关注。光纤传感器是以光纤作为传感元件，或者仅作为信号传输载体，或者同时肩负两个功能的新型传感器。光纤传感器种类繁多，能够专一或者多参量地检测环境的温度、磁场、振动等物理量。
[0004]分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分，它的工作原理主要是利用光纤感知接收到一个信号并将这个信号实时传出并返回，具有以下突出优势：无需在光纤上制作传感器，传感光纤集传感与传输于一体，可实现远距离、大范围的传感与组网。
[0005]分布式光纤传感系统主要是根据外界环境的变化对传感光纤内的背向散射光的调制，使得光纤中的背向散射光物理信息发生了变化，进而实现对外界参量的感知。1980年的时候Rogers就提出了对光纤中的后向瑞利散射光进行强度监测来测量光纤中的温度分布，从此基于光纤中散射光信号的分布式光纤传感技术得到了前所未有的发展。目前国内外对基于散射原理的分布式光纤传感技术主要分为以下几种：一是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，利用散射光的布里渊频移与温度和应力之间线性变化关系实现测量，由于光纤内自发布里渊散射光强度较弱，并且布里渊频移对温度和应变同时敏感，因此，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术不适于长距离的动态监测；二是基于拉曼散射的分布式光纤传感技术，利用斯托克斯光与反斯托克斯光之间的功率比值与温度之间的线性关系测量光纤沿线的温度变化，可用于输油管道、高压电线等的温度监测，光纤内拉曼散射光强度同样较弱，并且只能测量温度的变化。三是基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，瑞利散射由光纤介质不均匀分布所引起，没有能量交换，散射光频率与入射光一致，当外界的应变发生改变时，会改变光纤的折射率，使瑞利散射光发生相位调制，瑞利散射光强度比拉曼或布里渊散射要高，更适合动态测量
[0006]基于瑞利散射的分布式光纤传感技术主要包括用于光纤故障诊断的光时域反射
仪(OTDR)，以及用于分布式应力和振动测量的偏振敏感光时域反射仪(POTDR)、相干光时域反射仪(COTDR)、相位敏感光时域反射仪(Φ
‑
OTDR)和光频域反射仪(OFDR)等。
[0007]Φ
‑
OTDR由H F Taylor等人于1993年提出，系统的核心是窄线宽光源，输出激光高度相干，从而使得瑞利散射光之间也具有强相干性，当有扰动对光纤产生影响时，背向瑞利散射光的相位随扰动而改变，经过背向散射光的内部自干涉作用，进而将散射的位变化转为光强变化。由于扰动信息搭载于散射光的相位之上，而光相位对于光纤形变与应力极其敏感，因此Φ
‑
OTDR技术拥有极高的探测灵敏度，出色的动态响应能力和可靠的定位性，具有重要的应用价值，Φ
‑
OTDR技术出现后被广泛研究，并迅速向实用化和产业化发展，Φ
‑
OTDR用于在距离远大于100km的距离上以几米的空间分辨率进行传感的可行性已经得到了充分证实，是当前的研究热点之一。
[0008]空间分辨率是分布式光纤传感可分辨扰动的最小空间间隔，如何提高空间分辨率也是分布式光纤传感技术研究的难点和热点之一。在Φ
‑
OTDR系统中，空间分辨率由脉冲宽度决定，要获得更高的空间分辨率，需要压窄脉冲宽度，但是脉冲宽度变窄会导致注入光能量减少，进而导致信噪比(SNR)和传感距离的减小。传统的Φ
‑
OTDR系统空间分辨率与传感距离之间存在矛盾的关系，不能同时满足高空间分辨率和长传感距离的应用需求。
[0009]在分布式光纤传感系统中，通过监测确定位置信号的相对变化来检测光纤中的扰动，根据奈奎斯特采样定律，较大的响应带宽需要较高的探测脉冲重复频率，由于探测光的重复频率受到传感光纤长度的制约，因此，系统的频率响应范围受光纤长度的限制，传感距离越大，可实现的频率响应带宽越小。如何解决传感范围与响应带宽的矛盾也是分布式光纤传感需要研究的一个重要问题。为了解决这个问题，频分复用(FDM)、正负拍信号、周期非均匀采样等方法被应用于了分布式光纤传感系统。FDM可以有效地提高扫描重复频率和频率响应带宽，但探测器的带宽需要增加相同的倍数，因此，在接收机带宽固定的情况下，要在超长传感距离和高空间分辨率条件下实现的高的频率响应带宽依然受到限制。
[0010]2017年，J.Xiong等提出了利用正拍和负拍信号来提高频率响应范围，但这种方法只能将频率响应范围提高一倍。
[0011]2015年，Z.Y.Wang等采用时间序列多频(TSMF)源，使用35个脉冲串注入，在9.6km传感距离下，实现了175kHz的频率响应带宽。2017年，日本NTT的D.Iida等采用频率复用技术，使用16个频率成分，在5km的传感距离下，实现了80kHz的频率响应。通过FDM技术可以获得多个不相关的或相关性低的独立信号，从而提高频率响应范围。然而在多频Φ
‑
OTDR中，为获得独立的多频测量信号，不同频率间的频率差必须要满足以下条件：
[0012][0013]式中，f1和f2是探测脉冲频率，V
g
是光在光纤中传输的群速度，L是差分鉴相的间隔。当各探测频率的频率差满足上式时，各探测频率获得的RBS信号间的相位具有较低的相关性，此时可被视为不同的独立测量信号，可以独立解调。但是因为激光脉冲的光谱展宽以及脉冲之间的重叠，信噪比随N的增加和Δf的减小而恶化，因此，复用的频率数量有限，频谱效率不高。另外，该技术没有解决Φ
‑
OTDR系统中空间分辨率与传输距离之间的制约关系，空间分辨率仍由脉宽决定，会影响其他指标，导致传输距离不能过长等问题。
[0014]2015年，ZouW等提出了光学脉冲压缩反射计(OPCR)技术，采用线性调频光作为探
测脉冲，利用较长的探测脉冲可确保接收端信号具有较高的SNR，同时，接收端通过匹配滤波近似于脉冲压缩的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OFDM
‑
NLFM时间序列脉冲调制的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，该方法包括：把一个脉冲周期T平均分割成n个区间{T1,T2,T3,T4,...,T
n
}，每个区间时长T/n，再产生NLFM信号x(t)乘以频率间隔为信号带宽的子载波序列{f1,f2,f3,f4,...,f
n
}，其中f
i
＝f1+(i
‑
1)*B，i＝1,...,n，得到乘积{s1,s2,s3,s4,...,s
n
},B为NLFM信号带宽，然后每个子载波对应的乘积信号s
i
分别取脉冲宽度t
p
的时长，放入对应的区间T
i
中，就得到了OFDM
‑
NLFM电信号；将OFDM
‑
NLFM电信号调制到探测光上，以产生时间序列调制脉冲探测光；将时间序列调制脉冲探测光输入至传感光纤中，传感光纤产生后向瑞利散射光信号，将瑞利散射光信号传输到平衡光电探测器中；平衡光电探测器相干探测后得到拍频信号I
beat
，被ADC采集，通过PC进行信号处理，分别乘以与调制相同的子载波序列{f1,f2,f3,f4,...,f
n
}，其中f
i
＝f1+(i
‑
1)*B，i＝1,...,n，再通过匹配滤波器，分别得到每个子载波对应的解调结果，{A
11
,A
12
,
…
,A
1k
,A
21
,A
22
,
…
,A
2k
,A
31
,A
32
,
…
,A
3k
,
…
,A
n1
,A
n2
,
…
,A
nk
}，其中A
ik
代表第i个子载波的第k个脉冲周期的解调结果，将{A
i1
,A
i2
,
…
,A
ik
}在时间轴上向前平移(i
‑
1)*(T/n)，与{A
11
,A
12
,
…
,A
1k
}对齐，然后按照{A
11
,A
21
,A
31
,
…
,A
(n
‑
1)k
,A
nk
}的顺序重新排列，得到n*k个采样序列；对采样序列进行处理，得到振动位置，并按顺序取出每个采样序列上振动位置对应的采样点，再做FFT得到振动频率。2.如权利要求1所述的基于OFDM
...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁学光，张阳安，颜鑫，张霞，肖振宇，李正阳，徐博，张原，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：