瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统和数据处理方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统和数据处理方法。

背景技术

分布式光纤传感技术以其连续多点检测、监测距离长、安装简便等特点，特别适合于油、气、水、电、网等埋地管道的安全监测，目前一般利用相位敏感光时域反射计探测沿埋地管道铺设光缆沿线上的振动信号，对管道附近的机械施工和人为破坏等事件进行准确定位和预警，及时将可能造成的泄露事故防范在萌芽之中。

在实际事故发生时总是产生多个物理参量的同时变化，因此仅对单个物理量的检测难以对事件进行准确的预警或定位，所以可以实现分布式振动温度同时监测非常有意义。目前已有的融合系统的方法要不就是利用多芯光纤实现，要不就是融合系统技术指标严重劣化，不能实现普通单模光纤分布式振动温度同时监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统和数据处理方法，实现普通单模光纤分布式振动温度同时监测。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统，所述瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统包括窄线宽激光器、开关型半导体光放大器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、波分复用器、校准组件、传感光缆、多级放大电路、多通道采集卡和工控机，所述窄线宽激光器、所述开关型半导体光放大器、所述掺铒光纤放大器、所述光纤环形器、所述波分复用器、所述校准组件和所述传感光缆依次连接，所述多级放大电路与所述光纤环形器和所述波分复用器连接，所述多级放大电路、所述多通道采集卡和所述工控机依次连接。

其中，所述瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统还包括脉冲宽度及时延控制模块，所述脉冲宽度及时延控制模块分别与所述开关型半导体光放大器和所述多通道采集卡连接。

其中，所述校准组件包括校准光纤和热敏电阻，所述校准光纤与所述波分复用器和所述传感光缆连接，所述热敏电阻与所述工控机连接。

其中，所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述掺铒光纤放大器连接，所述第二端口与所述波分复用器连接，所述第三端口与所述多级放大电路连接。

其中，所述波分复用器具有第四端口和第五端口，所述第四端口和所述第五端口均与所述多级放大电路连接。

第二方面，本发明提供了一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统的数据处理方法，适用于如第一方面所述的瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统，包括以下步骤：

通过脉冲宽度及时延控制模块驱动开关型半导体光放大器产生不同时延的脉冲对，直至多组脉冲对发射完成后，进入传感光缆产生后向瑞利散射光和后向拉曼散射光；

在得到所述后向瑞利散射光后，将各组脉冲对进行对应的时延平移对齐，并对得到了的两组原始数据曲线进行降噪处理，然后进行扰动波形叠加，并利用合并后的扰动波形进行告警；

在得到所述后向拉曼散射光后，将多组所述后向拉曼散射光交叉重组、平滑降噪及解卷积计算，并利用脉冲宽度对通过温度解调得到的温度曲线进行重建。

本发明的一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统和数据处理方法，利用窄线宽激光器作为光源，开关型半导体光放大器进行脉冲调制，利用采样率的相同的光电转换和采集卡同时接收后向瑞利信号和后向拉曼信号，利用变时延脉冲对进行探测，对后向瑞利散射光平移对齐后进行后续处理，而后向拉曼散射光通过交叉重组、平滑降噪及解卷积计算后达到采样率的提升，最后再通过脉冲对的温度曲线重建温度场，实现融合系统温度测量空间分辨率的提升，硬件高度融合的，主要技术指标不受影响，可实现普通单模光纤分布式振动温度同时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统的结构示意图。

图2是本发明提供的变时延脉冲对采样示意图。

图3是本发明提供的后向瑞利散射数据处理示意图。

图4是本发明提供的后向拉曼散射数据处理示意图。

图5是本发明提供的一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统的数据处理方法的步骤示意图。

1-窄线宽激光器、2-开关型半导体光放大器、3-掺铒光纤放大器、4-光纤环形器、5-波分复用器、6-校准光纤、7-热敏电阻、8-传感光缆、9-多级放大电路、10-多通道采集卡、11-脉冲宽度及时延控制模块、12-工控机、41-第一端口、42-第二端口、43-第三端口、51-第四端口、52-第五端口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统，所述瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统包括窄线宽激光器1、开关型半导体光放大器2、掺铒光纤放大器3、光纤环形器4、波分复用器5、校准组件、传感光缆8、多级放大电路9、多通道采集卡10和工控机12，所述窄线宽激光器1、所述开关型半导体光放大器2、所述掺铒光纤放大器3、所述光纤环形器4、所述波分复用器5、所述校准组件和所述传感光缆8依次连接，所述多级放大电路9与所述光纤环形器4和所述波分复用器5连接，所述多级放大电路9、所述多通道采集卡10和所述工控机12依次连接。

在本实施方式中，多通道APD及多级放大电路9和多通道采集卡10的采样率都是40MHz；开关型半导体光放大器2接收发出的电脉冲信号，将窄线宽激光器1发出的连续光调制成对应宽度激光脉冲信号，然后经过掺铒光纤放大器3将光脉冲放大后，经过光纤环形器4、1450nm/1550nm/1660nm波分复用器5和校准组件后，入射到传感光缆8，随着光脉冲在光缆中的向前传输，会与传感光缆8发生相互作用产生后向瑞利散射光和后向拉曼散射光，后向散射光按原路返回，经过1450/1550/1660波分复用器5滤波后，后向瑞利散射光通过光纤环形器4的第三个端口出射，后向后向拉曼散射光分别从1450/1550/1660波分复用器5的其中两个端口出射，三路传感光信号通过多通道APD及多级放大电路9进行光电转换并多级放大后，传给采集卡进行模数转换和数据采集，最后数据传输给工控机12进行数据处理。

多通道APD及多级放大电路9和多通道采集卡10的采样率都是40MHz，通过脉冲宽度及时延控制模块11驱动开关型半导体光放大器2产生不同试验的脉冲对，脉冲对的脉冲宽度分别为100ns和105ns，在第一组脉冲对的基础上，后四组脉冲对依次延时25ns进行脉冲触发，第五组脉冲对发射完后再从第一组开始循环，当采样开始时间不变的情况下，就相当于进行了时延采样。

进一步的，所述瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统还包括脉冲宽度及时延控制模块11，所述脉冲宽度及时延控制模块11分别与所述开关型半导体光放大器2和所述多通道采集卡10连接。

在本实施方式中，脉冲宽度及时延控制模块11发出电脉冲信号给开关型半导体光放大器2，将窄线宽激光器1发出的连续光调制成对应宽度激光脉冲信号。

进一步的，所述校准组件包括校准光纤6和热敏电阻7，所述校准光纤6与所述波分复用器5和所述传感光缆8连接，所述热敏电阻7与所述工控机12连接。

在本实施方式中，校准光纤6和热敏电阻7用于拉曼光时域反射计的温度解调时的实时校准。

进一步的，所述光纤环形器4具有第一端口41、第二端口42和第三端口43，所述第一端口41与所述掺铒光纤放大器3连接，所述第二端口42与所述波分复用器5连接，所述第三端口43与所述多级放大电路9连接。

在本实施方式中，第一端口41接收掺铒光纤放大器3放大后的信号，第二端口42则将经过光纤环形器4的信号传输给校准光纤6，第三端口43则将后向瑞利散射光射出至多级放大电路9。

进一步的，所述波分复用器5具有第四端口51和第五端口52，所述第四端口51和所述第五端口52均与所述多级放大电路9连接。

在本实施方式中，第四端口51为1660端口、第五端口52为1450端口，主要作用是将后向后向拉曼散射光射出至所述多级放大电路9。

请参阅图5，本发明提供一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统的数据处理方法，适用于所述的瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统，包括以下步骤：

S101、通过脉冲宽度及时延控制模块11驱动开关型半导体光放大器2产生不同时延的脉冲对，直至多组脉冲对发射完成后，进入传感光缆8产生后向瑞利散射光和后向拉曼散射光。

具体的，多通道APD及多级放大电路9和多通道采集卡10的采样率相同，通过脉冲宽度及时延控制模块11驱动开关型半导体光放大器2产生不同时延的脉冲对，脉冲对的脉冲宽度分别为T和T+ΔT，在第一组脉冲对的基础上，后面的脉冲对依次延时Δt后进行脉冲触发，Δt应为采集卡采样率的整数倍，第N组脉冲对发射完后再从第一组开始循环当采样开始时间不变的情况下，就相当于进行了时延采样。如图2所示，脉冲对的脉冲宽度分别为100ns和105ns，在第一组脉冲对的基础上，后四组脉冲对依次延时25ns进行脉冲触发，第五组脉冲对发射完后再从第一组开始循环，当采样开始时间不变的情况下，就相当于进行了时延采样。

S102、在得到所述后向瑞利散射光后，将各组脉冲对进行对应的时延平移对齐，并对得到了的两组原始数据曲线进行降噪处理，然后进行扰动波形叠加，并利用合并后的扰动波形进行告警。

具体的，在得到所述后向瑞利散射光后，将各组脉冲对进行对应的时延平移对齐，如图3所示，就得到了对应不同脉冲宽度平移后的两组φ-OTDR原始数据曲线，首先将两组脉宽的原始信号进行滑动平均降噪处理，然后再进行平均算法继续降噪并降低数据的处理量，接着用差值算法计算出扰动曲线并利用小波分解进行降噪处理。由于微小的脉冲宽度变化不会影响振动位置的变化，所以这时可以将两个不同脉宽得到扰动波形叠加，最后利用合并后的扰动波形进行告警，并截取对应位置附近的振动信号矩阵利用机器学习判别产生扰动的事件类型。

S103、在得到所述后向拉曼散射光后，将多组所述后向拉曼散射光交叉重组、平滑降噪及解卷积计算，并利用脉冲宽度对通过温度解调得到的温度曲线进行重建。

具体的，在得到所述后向拉曼散射光后，由于N组脉冲对的时延依次增加Δt，通过将N组后向拉曼散射光交叉重组、平滑降噪及解卷积计算就可以得到一组N倍光电转换和采集卡采样率的数据，这样就得到了T和T+ΔT脉冲宽度对应N倍采样率的斯托克斯拉曼散射信号和反斯托克斯拉曼散射信号。通过温度解调就得到了T和T+ΔT脉冲宽度对应温度曲线，最后利用T和T+ΔT脉冲宽度对应温度曲线重建ΔT脉宽的温度曲线，提升了融合系统中温度测量的空间分辨率。

如图4所示，由于五组脉冲对的时延依次增加25ns，对应的刚好是40MHz采样率的一个采样点的间隔，通过用五组刚好时延一个采样点的40MHz的采样数据，通过五组40MHz后向拉曼信号交叉重组、平滑降噪及解卷积计算就可以得到一组200MHz采样的数据，这样就可以计算出100ns和105ns脉冲宽度对应200MHz采样的斯托克斯拉曼散射信号和反斯托克斯拉曼散射信号。通过温度解调就得到了100ns和105ns脉冲宽度对应温度曲线，最后利用100ns和105ns脉冲宽度对应温度曲线重建5ns脉宽的温度曲线，使得融合系统的温度测量空间分辨率达到0.5m。

本发明的一种瑞利-拉曼融合型分布式光纤传感系统和数据处理方法，利用窄线宽激光器作为光源，开关型半导体光放大器进行脉冲调制，利用采样率的相同的光电转换和采集卡同时接收后向瑞利信号和后向拉曼信号，利用变时延脉冲对进行探测，对后向瑞利散射光平移对齐后进行后续处理，而后向拉曼散射光通过交叉重组、平滑降噪及解卷积计算后达到采样率的提升，最后再通过脉冲对的温度曲线重建温度场，实现融合系统温度测量空间分辨率的提升，硬件高度融合的，主要技术指标不受影响，可实现普通单模光纤分布式振动温度同时监测。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。