一种基于相位敏感光时域反射系统的振动信号检测方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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，本发明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发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明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是本发明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是本发明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是本发明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

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，在本发明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，经光环形器5入射到由第一传感光纤6、第二传感光纤8和第三传感光纤9组成的三段光纤中；待测信号产生装置的第二传感光纤8侧设置振动源7，以向待测信号产生装置的第二传感光纤8施加振动信号；光信号经光环行器5连接到光电探测器10；

光电探测器10的输出端通过一根高频电缆连接到数据采集装置11的输入端；数据采集装置11的输出端连接到第一信号处理装置12，对采集到的数据进行矩阵转换与数据挑选的预处理，采集到的数千条数据作为待测信号曲线。外界振动源7对所述第二传感光纤8不施加振动信号时，数据采集装置11的输出端连接到第二信号处理装置13，对采集到的数据进行矩阵转换与数据挑选的预处理，采集到的数千条数据作为参考信号曲线。第三信号处理装置14对全光纤范围内同一采样点在待测信号曲线和参考信号曲线中取出的数据进行算法处理，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14的输出端接显示器15，由显示器15显示振动位置。

本发明提出一种新的互相关定位算法，该算法对低频振动信号具有独特的定位能力，可无需改变脉冲重复频率等条件即可对超低频振动信号进行有效定位，可探测振动信号的频率可达到0.0001hz，且无频率下限。另外，该算法可以极大地提升系统的空间分辨率，将空间分辨率完全脱离于脉宽的限制。经典的定位方法基于移动差分定位算法，该算法对不同振动信号所造成的原始后向瑞利散射光强信号的波动进行无差别的移动差分处理，因此系统对振动信号检测的空间分辨率受限于系统的脉冲宽度。而本定位算法对后向瑞利散射光强信号得来的相关信号进行频谱的精确分析，因此不受系统脉冲宽度的影响，可对任意间距的振动信号进行定位，实现任意空间分辨率的振动识别。

基于图2所述的相位敏感光时域反射系统，振动源7产生振动信号作用于第二传感光纤8时会对光纤上对应位置处产生压力p，继而导致应力效应、弹光效应和泊松效应，造成光纤长度δl，折射率δn，和纤芯直径δd的变化，最终造成光相位的变化，表示为

其中，β是光纤中的传递系数，l是光纤长度，p是振动造成的声压，e是杨氏模量，μ是泊松系数，s只与p有关。因此，当其他条件不变，外界发生振动时，相位的变化正比于振动信号造成的压力p。

由于制作工艺的限制，光纤中具有一定数量的杂质，因此不同光纤任一点对瑞利散射光的反射效率皆有其唯一性。在外界无振动干扰时，后向瑞利散射光强稳定，光纤上各点的后向瑞利散射曲线具有高度的重复性。在发生振动时，振动区域的相位发生变化，振动位置处的后向瑞利散射曲线发生突变。由于相位敏感光时域反射系统采用的是脉冲光进行探测，如图3所示，任意某时刻采集到的信号皆为脉宽范围d(d＝tpulse.c/2，c为光在光纤中的传播速度)内后向瑞利散射光干涉后的结果，因此限制了系统的空间分辨率。而由于相位敏感光时域反射系统采用的是1550.12nm的窄线宽激光源，因此振动位置处的后向瑞利散射光信号包含两个频率成分，包括激光的频率和振动信号的频率。通过频率分析，可以辨别脉宽范围内的多次振动，摆脱空间分辨率的限制。

互相关算法主要用来表征两组信号间的相关程度，可以用来获取特定的频率成分。振动点处的互相关曲线与实验中所施加的振动信号具有相同频率成分，而无振动处的互相关曲线峰值呈现忽高忽低的无规律变化，且频率与振动信号无关。因此可以通过分析互相关曲线的频率成分而不是互相关峰值来确定该点是否发生外界振动，从而实现对全局的振动定位。在光纤某点处的后向瑞利散射光信号在无外界振动时可以表征为f(t)，有外界振动时表征为h(t)。

e为后向瑞利散射光幅值，ω为瑞利散射光频率，为瑞利散射光的初相位。为振动信号造成的相位变化。互相关结果r(t)可表示为：

其中，t为互相关时间，均为常数，从互相关结果中可以得到当振动发生时，r(t)含有振动信号的频率成分，无振动发生时，r(t)不含振动信号的频率成分。对互相关曲线作频谱分析可以实现对振动信号的定位。

如图4所示，在互相关定位算法中，分为数据预处理和互相关定位两部分。在数据预处理中，首先需要采集无振动时的后向瑞利散射光信号作为参考信号，采集发生时的振动后向瑞利散射光信号作为目标信号。提取出参考信号与目标信号中各一个采样点的时序曲线。在互相关处理部分，将两组提取出的时序曲线作互相关运算，振动位置处的互相关曲线具有一定的规律性。对所有采样点(对应光纤上各位置)的互相关曲线作fft，对各条互相关曲线的频率成分进行分析。在振动位置处，会产生一个尖峰，对应的频率成分即为振动信号的频率。

区别于现有技术，本发明提供的相位敏感光时域反射系统及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。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。