一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法技术

本申请涉及分布式光纤传感探测技术领域，公开一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，包括：向检测光缆中发送检测光信号；利用震源产生声波；接收检测光缆中产生的散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间；根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度；根据传播速度与土壤含水率之间的关系，计算土壤的含水率。本申请提供的方法可以对大范围、长距离的土壤进行测量，且检测光缆埋置在土壤内部，受外界环境影响较小。而且不需要进行多次检测，就可以得到大范围土壤的含水率数据，缩短了检测流程，有效减小大范围土壤的检测成本，提高检测效率。提高检测效率。提高检测效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法


[0001]本申请涉及分布式光纤传感探测
，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法。

技术介绍

[0002]在作物生产中，农作物的种植范围非常广泛，土壤含水率在植物生长中有着至关重要的作用。含水率测量方法大致可分为点式测量和分布式测量。点式测量有电阻率法、时域反射仪法、频域反射仪和探地雷达法等，这些方法只能进行点式测量，无法连续性、大范围的实时获取土壤含水率的变化状态。分布式测量方法有光谱分析法、遥感法以及分布式温度传感器测量法。这些测量方法只是粗糙的对土壤整体含水状况做大概的估计，同样无法实现实时检测，导致检测效率低，检测结果不理想。

技术实现思路

[0003]本申请提供了一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，以解决现有土壤含水率检测效率低，检测结果不理想的技术问题。
[0004]本申请提供了一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，应用于分布式光纤传感检测系统，系统包括设置在土壤表面的震源，埋设于土壤内第一深处的检测光缆、光纤传感器和控制器，光纤传感器被配为：产生检测光信号，接收检测光缆在传输检测光信号期间产生的散射光信号，将散射光信号转换为数字信号，其中，散射光信号随检测光缆的应变状态的变化而变化，控制器被配置为：基于数字信号计算土壤内的含水率；方法包括：向检测光缆中发送检测光信号；利用震源产生在土壤中传递的声波；接收检测光缆中产生的散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间；根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度；根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个位置点的含水率。
[0005]在一些实施例中，采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间，包括：采用三乘三解调算法处理散射光信号，得到声波的瀑布图；采用初至时间提取算法在声波的瀑布图中提取多个位置点的初至时间；根据多个位置点的初至时间计算声波在多个位置点的时间。
[0006]在一些实施例中，根据各个位置点的初至时间计算声波在各个位置点的时间，包括：声波在位置点的时间为位置点的初至时间与前一位置点的初至时间之差。
[0007]在一些实施例中，根据声波在土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度，包括：以预设点为原点、第一方向为Y轴、第二方向为X轴，建立土壤对应的网格坐标系；对声波在震源和检测光缆之间的各个传播路径，确定传播路径附近的各个目标位置点的坐标值，以及，根据各个目标位置点的坐标值和声波在各个目标位置点的时间，计算声波在各个目标位置点的传播速度。
[0008]在一些实施例中，目标位置点为，在被传播路径分割的网格坐标系的网格中，面积较小一侧的网格点。
[0009]在一些实施例中，根据声波在土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度，包括：根据目标位置点的坐标值，计算目标位置点与前一目标位置点之间的网格距离；计算网格距离和声波在目标位置点的时间的比值，得到声波在目标位置点的传播速度。
[0010]在一些实施例中，根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个位置点的含水率，包括：根据布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，计算各个目标位置点的含水率。
[0011]在一些实施例中，根据布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，计算各个目标位置点的含水率，包括：将各个目标位置点的传播速度带入公式1中，计算土壤在各个目标位置点的含水率；公式1为：；其中，公式1为布鲁萨特模型，为声波在各个目标位置点的传播速度，为参数，为土壤有效应力，为土壤的总密度，为土壤的孔隙度，为无量纲量。
[0012]在一些实施例中，采用初至时间提取算法在声波的瀑布图中提取多个位置点的初至时间之后，方法还包括：采用压缩感知方法将各个位置点的初至时间进行稀疏处理。
[0013]在一些实施例中，采用压缩感知方法将各个位置点的初至时间进行稀疏处理，包括：将各个位置点的初至时间带入公式2中进行稀疏处理，公式2为：；其中，为各个位置点的初至时间，为压缩感知原理中设置的一个稀疏基，为稀疏信号。
[0014]本申请提供的一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，方法包括：向检测光缆中发送检测光信号；利用震源产生在土壤中传递的声波；接收检测光缆中产生的散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间；根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度；根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，反演计算土壤中的各个位置点的含水率。本申请提供的方法可以对大范围、长距离的土壤进行测量，且检测光缆埋置在土壤内部，受外界环境影响较小。而且不需要进行多次检测，就可以得到大范围土壤的含水率数据，缩短了检测流程，有效减小大范围土壤的检测成本，提高检测效率。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本申请实施例提供的分布式光纤传感检测系统的安装示意图；图2是本申请实施例提供的基于分布式光纤传感的声速测量反演的流程示意图；图3是本申请实施例提供的计算位置点时间的流程示意图；图4是本申请实施例提供的计算声波速度的流程示意图；
图5是本申请实施例提供的声波传递的模拟示意图；图6是本申请实施例提供的方法与传统方法的对比分析图。
具体实施方式
[0017]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。
[0018]以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0019]此外，本申请中，“上”“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
[0020]在作物生产中，农作物的种植范围非常广泛，土壤含水率在植物生长中有着至关重要的作用。含水率测量方法大致可分为点式测量和分布式测量。点式测量有电阻率法、时域反射仪法、频域反射仪和探地雷达法等，这些方法只能进行点式测量，无法连续性、大范围的实时获取土壤含水率的变化状态。分布式测量方法有光谱分析法、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，应用于分布式光纤传感检测系统，其特征在于，所述系统包括设置在土壤表面的震源，埋设于土壤内第一深处的检测光缆、光纤传感器和控制器，所述光纤传感器被配置为：产生检测光信号，接收所述检测光缆在传输所述检测光信号期间产生的散射光信号，将所述散射光信号转换为数字信号，其中，所述散射光信号随所述检测光缆的应变状态的变化而变化，所述控制器被配置为：基于所述数字信号计算土壤的含水率；所述方法包括：向所述检测光缆中发送所述检测光信号；利用所述震源产生在土壤中传递的声波；接收所述检测光缆中产生的所述散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理所述散射光信号，得到所述声波在土壤内各个位置点的时间；根据所述声波传播到土壤中各个所述位置点的时间，计算所述声波在各个所述位置点的传播速度；根据所述声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个所述位置点的含水率。2.根据权利要求1所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理所述散射光信号，得到所述声波在土壤内各个位置点的时间，包括：采用所述三乘三解调算法处理所述散射光信号，得到所述声波的瀑布图；采用所述初至时间提取算法在所述声波的瀑布图中提取各个所述位置点的初至时间；根据各个所述位置点的初至时间计算所述声波在各个所述位置点的时间。3.根据权利要求2所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据各个所述位置点的初至时间计算所述声波在各个所述位置点的时间，包括：所述声波在所述位置点的时间为所述位置点的初至时间与前一所述位置点的初至时间之差。4.根据权利要求1所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据所述声波在土壤中各个所述位置点的时间，计算所述声波在各个所述位置点的传播速度，包括：以预设点为原点、第一方向为Y轴、第二方向为X轴，建立土壤对应的网格坐标系；获取所述声波在所述震源和所述检测光缆之间的各个传播路径，确定所述传播路径附近的各个目标位置点的坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨，尚盈，黄胜，贺秋杰，杨健，渠帅，李常，曹冰，王伟涛，倪家升，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：