基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法技术方案

一种基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法，包括：获取时域信号；选取传感光纤轴向的多个空间信道，构建样本序列

【技术实现步骤摘要】
基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法


[0001]本专利技术涉及低频噪声的抑制，特别是一种基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法
。

技术介绍

[0002]分布式光纤振动传感技术因其灵敏度高
、
响应速度快
、
传感距离远等优点，在结构健康监测
、
矿山安全
、
地质勘探
、
管道安全
、
周界侵入等方面有着广泛的应用，成为国内外研究的热点，其中更多地关注在高频部分
。
近年来，地震波探测
、
海洋水声探测等领域中对低频微弱信号的监测受到研究人员的关注，这些应用对分布式光纤振动传感技术低频探测能力提出了更高的要求
。
然而，激光器的窄线宽与波长的稳定性之间存在矛盾关系
、
光频与系统电子学时钟信号异步等都会影响系统低频探测能力
。
[0003]现有技术一
【K.Ying,D.Chen,H.Pi,Z.Wang,and X.Li,Ultra
‑
Stable Fiber Laser Based on Intracavity Dual Mode Self
‑
Reference Mechanism,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,40(12):3923
–
3929,2022】
该方法从分布式光纤振动传感系统结构入手，实现了具有腔内频率参考机制的波长稳定
DFB
光纤激光器，使激光频率漂移从
50MHz
减小到小于
5kHz。
然而激光器的窄线宽与绝对波长之间存在矛盾关系，并且不能保证光频与系统的电学时钟信号同步，因此该方法对系统低频噪声的抑制有限
。
[0004]现有技术二
【F.Zhu,X.Zhang,L.Xia,and Y.Zhang,Active compensation method for light source frequency drifting in phi
‑
OTDR sensing system,IEEE Photonics Technol.Lett.,27(24):2523
–
2526,2015】
该方法首先对不同激光频率下的后向散射信号进行预测，然后根据实时信号和预测信号之间的相互关系对激光器频率漂移进行跟踪和补偿
。
但是整个环境的变化
(
如环境温度的变化
)
可能会使预测结果失效，导致无法总是正确补偿激光器频率漂移带来的低频噪声
。
[0005]现有技术三
【M.Wu,X.Fan,Q.Liu,and Z.He,Highly sensitive quasi
‑
distributed fiber
‑
optic acoustic sensing system by interrogating a weak reflector array,Optics Letter,43(15):3594
–
3597,2018】
利用辅助干涉仪监测激光器频率漂移并对相位噪声进行补偿，成功地降低了
Φ
‑
OTDR
中弱反射器阵列的激光相位噪声
。
然而，当使用普通单模光纤时，该方法沿传感距离的影响可能是不均匀的，不具备普适性
。
[0006]现有技术四
【Q.Yuan,F.Wang,T.Liu,et al,Compensating for influence of laser
‑
frequency
‑
drift in phase
‑
sensitive OTDR with twice differential method,Optics Express,27(3):3664
–
3671,2019】
提出了二次微分法来补偿
Φ
‑
OTDR
中激光器频率漂移的影响
。
它以传感光纤上两点之间的差分信号作为参考信号，然后从主信号中减去参考信号，得到最终结果
。
然而，在选取传感光纤上两点之间的差分信号作为参考信号时要求所选区域为专门设置与外界隔离的光纤区域，对测试环境要求很高，不适用于环境复杂的应用场景
。

技术实现思路

[0007]为了克服上述在先技术的缺点，本专利技术提出一种基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法，以期突破目前分布式光纤振动传感系统中由激光器窄线宽与绝对波长之间的矛盾关系和光频与系统的电学时钟信号异步引起的系统低频探测能力有限
、
应用场景受限等关键问题
。
[0008]本专利技术的技术解决方案如下：
[0009]一种基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
[0010]1)
获取时域信号：由分布式光纤振动传感系统获取解调的时域信号的时间
‑
空间分布表示为
V(z,t)
，其中
z
为沿传感光纤的轴向位置，即空间信道，
t
为分布式光纤振动传感系统信号采样时刻；得到传感光纤上第
z
i
个空间信道的时域信号
V(z
i
,t)
＝
V
n
(z
i
,t)+V
LFD
(z
i
,t)+V
s
(z
i
,t)
，其中
V
n
(z
i
,t)
由环境噪声引入，
V
LFD
(z
i
,t)
由系统低频噪声引入，
V
s
(z
i
,t)
由外界扰动引入；
[0011]2)
选取传感光纤轴向的多个空间信道，构建样本序列
z1,z2,z3,
…
,z
N
，其中
N
为样本数量：首先要消除外界扰动信号对系统低频噪声带来的影响，空间信道长度的选取要远远大于受外界光纤扰动作用的传感光纤长度，以此确定空间信道的最小样本数量；其次根据激光器频率漂移所引入的低频噪声在沿传感光纤轴向空间尺度上有所不同，将空间信道分为
X
段；在构建样本序列时，在保证满足所述最小样本数量的前提下可在
X
段空间信道区间中任意选取；
[0012]3)
获取低频自参考噪声：针对步骤
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于空间离差的分布式光纤振动传感系统低频噪声抑制方法，其特征在于，所述方法包含下列步骤：
1)
获取时域信号：由分布式光纤振动传感系统获取解调的时域信号的时间
‑
空间分布表示为
V(z,t)
，其中
z
为沿传感光纤的轴向位置，即空间信道，
t
为分布式光纤振动传感系统信号采样时刻；得到传感光纤上第
z
i
个空间信道的时域信号
V(z
i
,t)
＝
V
n
(z
i
,t)+V
LFD
(z
i
,t)+V
s
(z
i
,t)
，其中
V
n
(z
i
,t)
由环境噪声引入，
V
LFD
(z
i
,t)
由系统低频噪声引入，
V
s
(z
i
,t)
由外界扰动引入；
2)
选取传感光纤轴向的多个空间信道，构建样本序列
z1,z2,z3,
…
,z
N
，其中
N
为样本数量：首先要消除外界扰动信号对系统低频噪声带来的影响，空间信道长度的选取要远远大于受外界光纤扰动作用的传感光纤长度，以此确定空间信道的最小样本数量；其次根据激光器频率漂移所引入的低频噪声在沿传感光纤轴向空间尺度上有所不同，将空间信道分为
X
段；在构建样本序列时，在保证满足所述最小样本数量的前提下可在
X
段空间信道区间中任意选取；
3)
获取低频自参考噪声：针对步骤
2)
中构建的样本序列
z1,z2,z3,
…
,z
N
所对应的时域信号做进一步的合成来获取低频自参考噪声，设
X
段空间信道区间内分别有
m1,m2,m3,
…
,m
X
个样本，即
m1+m2+m3+
…
+m

【专利技术属性】
技术研发人员：刘依凡，王照勇，瞿荣辉，蔡海文，叶青，叶蕾，高侃，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：