基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传感和解调方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感仪器技术领域，具体涉及一种基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传 感和解调方法。

背景技术

分布式的光纤扰动传感方法在诸多领域有着广泛的应用，比如在入侵探测、油气管道监测、通信光缆 的监测等。光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)技术，作为分布式光纤传感的一种， 具有抗电磁干扰、强适应性、定位精度高、灵敏度高等优点，其在扰动传感方面有着很大的优势。基于瑞 利散射光谱分析的OFDR技术以及被广泛用于短距离扰动的测量中，并且具有很高的测量灵敏度和空间分 辨率。但是在将其应用与长距离扰动的测量中，由于光纤中背向瑞利散射本身就很微弱，再加上环境随机 噪声的影响也逐渐增大，对瑞利散射光谱信号会产生很大影响，使得在长距离下进行分布式的扰动传感并 要保证较高的空间分辨率就变得困难。在现有基于OFDR技术实现长距离光纤扰动分布式传感方法中，刘 铁根等人

光纤中的瑞利散射是由于光纤中随机波动的折射率产生的。对于一段光纤，其瑞利散射的幅度或折射 率是随距离随机变化的，但这种变化又是相对静态的特征信息，瑞利散射可以理解为光纤的“指纹”。通过 OFDR的拍频干涉信号得到这种空间分布的“指纹”，然后通过这些指纹信息发生的变化就可以得到沿光纤 上的扰动信息。当在光纤上某点处产生扰动时，将会导致该点处光纤折射率发生变化，由于光弹效应，此 处产生的背向瑞利散射光的相位也会发生变化，从而引起背向瑞利散射光强度发生变化，在瑞利散射光谱 上会出现频移。因此，无扰动的参考瑞利散射光谱和有扰动的测量瑞利散射光谱在扰动点处的相似度会很 低，即非相似度很高。通过计算参考瑞利散射光谱和测量瑞利散射光谱的非相似度得到非相似度变化大的 点就可以定位为扰动点。当光纤上存在两个及以上扰动点时，后扰动点处的背向瑞利散射同样会受到前扰 动点处的扰动影响，因此后扰动点处的非相似度会在前扰动点处的非相似度基础上出现一个阶跃的变化， 非相似度曲线在后扰动点会出现幅度的叠加。因此在理论上，通过非相似度变化可以定位两点及以上的扰 动。

由于光纤中的瑞利散射非常微弱，以至于非常容易被一些随机噪声淹没掉，因此在长距离光纤分布式 扰动传感中，随机噪声对于扰动点定位的影响是非常大的，利用一些去噪算法对其进行处理是非常有必要 的。同时如果取光纤某一段“指纹”信息，其包含数个甚至上百个数据点，这样也可以降低随机噪声对扰动 点定位的影响。

参考文献：

[1]丁振扬，刘铁根，刘琨，江俊峰，杨迪，一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，2019.5.28， 中国，ZL201710185731.1

[2]杜阳.基于OFDR的分布式光纤多参量传感方法研究[D].天津大学,2016.

[3]刘铁根，刘琨，丁振扬，江俊峰，杜阳，李定杰，一种基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感 装置和解调方法，2014.9，中国，ZL 201210100999.8

[4]丁振扬.几种改进OFDR性能方法的提出及验证[D].天津大学,2013.

发明内容

本发明提供了一种基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传感和解调方法，本发明克服了现有基于 光频域反射的长距离光纤扰动传感方法中，对多点扰动位置无法区分、传感信号噪声较大、空间分辨率不 高以及定位算法复杂等问题，尽可能针对扰动对传感信号造成的本质影响提出测量多点扰动的新型算法， 进而实现多点扰动的区分、传感信号噪声的降低、空间分辨率的提高以及定位算法的简化，该方法的步骤 如下：

一种基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传感和解调方法，包括下列步骤：

第一步，在待测光纤上没有施加扰动时，利用光频域反射系统测量得到一组波长域拍频信号，作为参 考信号S

第二步，利用去斜滤波对S

第三步，利用快速傅里叶变换将RS从波长域转换到距离域，得到距离域信号R

第四步，利用大小为N的滑动窗对R

第五步，利用快速逆傅里叶变换将R

第六步，利用小波去噪对LRS

利用小波去噪对LMS

第七步，利用相对欧氏距离衡量DLRS

相对欧氏距离值越大说明DLRS

第八步，M段信号均完成第五-七步处理后，得到相对欧氏距离随滑动窗位置的变化曲线，记为曲线A， 横坐标为窗i，纵坐标为相对欧式距离(RED)；再对曲线A进行归一化，得到相对欧氏距离归一化曲线， 记为曲线B，横坐标为窗i，纵坐标为归一化相对欧氏距离(NRED)；

第九步，对曲线B进行低通滤波，滤除毛刺，得到相对欧氏距离归一化曲线的骨架，记为曲线C，横 坐标为窗i，纵坐标为低通滤波后归一化相对欧氏距离(LNRED)，C曲线上数据点为LNRED(i)；

第十步，在曲线C上定位扰动点；曲线C上判断扰动点的条件有如下三点：(1)选取LNRED(i)值不 小于阈值a

第十一步，将曲线C横坐标i转换为距离z即可实现扰动点的定位，距离z满足

其中，L为待测光纤总长度。

本专利提出一种基于光频域反射技术实现长距离光纤多点扰动传感方法。通过去斜滤波算法补偿光源 非线性调谐效应，通过小波去噪降低了随机噪声对长距离光纤扰动定位的影响，根据光纤中扰动点背向瑞 利散射光强度变化，在瑞利散射光谱上会出现频移，参考光谱和测量光谱在扰动点处非相似度变化大的特 征，区分多点扰动。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、实现了光频域反射中光源非线性调谐效应的补偿。

2、降低了随机噪声对长距离光纤扰动定位的影响。

3、实现了长距离光纤多点扰动定位。

4、大幅提升了基于光频域反射技术定位长距离光纤中多点扰动的空间分辨率。

附图说明

图1为基于光频域反射技术实现92.03km光纤多点扰动传感方法的流程图；

图2为运用光频域反射系统测量92.03km长度光纤扰动的传感采集信息装置示意图；

图3为背向瑞利散射距离域信息(a)参考信号(b)测量信号；

图4为待测光纤末端的距离域信息差异(a)参考信号(b)测量信号；

图5为RED随滑动窗位置的变化曲线；

图6为多点扰动定位图(a)整体图(b)局部放大图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：可调谐激光器； 2：1:99保偏光分束器；

3：第一环形器； 4：第一50:50耦合器；

5：延迟光纤； 6：第一法拉第转镜；

7：第二法拉第转镜； 8：平衡探测器；

9：50:50保偏耦合器； 10：参考臂；

11：测试臂； 12：第二环形器；

13：第一扰动源； 14：第二扰动源；

15：待测光纤； 16：偏振分集相干接收模块；

17：采集卡； 18：计算机；

19：附加干涉仪； 20：主干涉仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式做进一步详细描述。

本发明是通过小波去噪降低随机噪声对长距离光纤扰动定位的影响，根据光纤中发生扰动处背向瑞利 散射光强发生变化，以待测光纤同一位置在无扰动和有扰动两种情况下得到的局部瑞利散射光谱之间的非 相似度变化大为依据，在整段光纤的非相似度曲线中找寻非相似度变化大的点，从而定位多点扰动。

N为滑动窗取到的局部瑞利散射光谱的传感数据点，其值等于滑动窗的宽度，ΔZ是每个数据点的空 间分辨率，计算公式为

ΔZ＝c/2nΔF (2)

其中，c为真空中光速，n为光纤的折射率，ΔF为激光器的调谐范围，在本发明中，ΔF取为3GHz。

而空间分辨率计算公式为

ΔX＝N·ΔZ (3)

通过本发明实施例提出的基于光频域反射技术实现92.03km光纤多点扰动传感方法可以大幅减小滑动窗的 宽度，将其由800个点减小至150个点，空间分辨率由26.7米提升至4.95米。

实施例一：

本实例包括基于光频域反射系统分布式光纤测量装置

基于光频域反射分布式光纤测量系统，包括：可调谐激光器1、1:99光分束器2、采集卡17、计算机 18、附加干涉仪19和主干涉仪20。

附加干涉仪19为偏振不敏感迈克尔逊干涉结构，用于获得光源的非线性相位信息，包括：第一环形 器3、第一50:50耦合器4、延迟光纤5、第一法拉第转镜6、第二法拉第转镜7和平衡探测器8。

主干涉仪20为全保偏结构，包括：50:50保偏耦合器9、参考臂10、测试臂11、第二环形器12、第 一扰动源13、第二扰动源14、待测光纤15和偏振分集相干接收模块16。

可调谐激光器1与1:99光分束器2的a端口相连；1:99光分束器2的b端口即1％分光口与第一环形 器3的a端口相连；1:99光分束器2的c端口即99％分光口与50:50保偏耦合器9的a端口相连；第一环 形器3的b端口与第一50:50耦合器4的a端口相连；第一环形器3的c端口与平衡探测器8的输入端相 连；第一50:50耦合器4的b端口与平衡探测器8的输入端相连；第一50:50耦合器4的c端口通过延迟 光纤5与第一法拉第转镜6相连；第一50:50耦合器4的d端口与第二法拉第转镜7相连；平衡探测器8 的输出端与采集卡17的某一通道相连；50:50保偏耦合器9的c端口即50％分端口通过参考臂10与偏振 分集相干接收模块16的a端口相连；50:50保偏耦合器9的d端口即50％分端口通过测试臂11与第二环 形器12的a端口相连；第二环形器12的b端口与待测光纤15相连；第二环形器12的c端口与偏振分集 相干接收模块16的b端口相连；偏振分集相干接收模块16的c端口与采集卡17的某一通道相连；采集 卡17的输出端与计算机18的输入端相连。

装置工作时，可调谐激光器1的出射光由1:99保偏光分束器2的a端口进入，从1:99保偏光分束器2 的b端口即1％分光口进入环形器3的a端口，经环形器3的b端口，光从第一50:50耦合器4的a端口进 入，50％从c端口出射、50％从d端口出射，来自第一50:50耦合器4的c端口的出射光经延迟光纤5被第 一法拉第转镜6反射，返回第一50:50耦合器4的c端口,来自第一50:50耦合器4的d端口的出射光被第 二法拉第转镜7反射，返回第一50:50耦合器4的d端口，两束光在第一50:50耦合器4中发生干涉，从a、 b端口输出，第一50:50耦合器4的a端口的光由第一环形器3的b端口输入，c端口输出，该输出光与第 一50:50耦合器4的b端口的输出光在平衡探测器8中进行外差检测转换为模拟电信号。从1:99保偏光分 束器2的c端口即99％分光口输出光由50:50保偏耦合器9的a端口输入，c端口50％输出光进入参考臂10，d端口50％输出光进入测试臂11，测试臂11中的光由第二环形器12的a端口输入，从第二环形器12 的b端口进入待测光纤15，而待测光纤的背向瑞利散射光从第二环形器12的b端口进入，c端口输出， 该光与50:50保偏耦合器9的c端口的输出光在偏振分集相干接收模块16中发生干涉，并转换为模拟电信 号。采集卡17将采集到的模拟电信号转换为数字电信号传输至计算机18。

可调谐激光器1用于为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描。

第一环形器3防止附加干涉仪中50:50耦合器4的b端口反射光进入激光器。

50:50耦合器4用于分光与光干涉。

第一法拉第转镜6和第二法拉第转镜7用于为附加干涉仪提供反射，且能够消除附加干涉仪的偏振衰 落现象。

延迟光纤5用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。

平衡探测器8用于采集50:50耦合器4从b端口的出射光及第一环形器3从c端口的出射光，即附加 干涉仪的时域干涉拍频信号。

偏振分集相干接收模块16含偏振分集和平衡探测模块，将参考光与信号光的两个偏振态进行分别相 干，采用两路高速低噪声平衡探测器进行分别接收，消除偏振衰落问题。

采集卡17：将干涉仪产生的波长域拍频信号经模数转换后的数字信号通过USB、PCIE等总线方式传 输到计算机。

计算机18：对采集卡模数转换后的干涉信号进行数据处理，实现光纤的分布式测量。

实施例二：

本实例提供了一种基于光频域反射技术实现92.03km光纤多点扰动传感的新型算法，步骤如下：

第一步，在92.03km待测光纤上没有施加扰动时，在光频域反射仪的主干涉仪中由光纤背向瑞利散射 形成一组波长域拍频干涉信号，作为参考信号S

第二步，利用去斜滤波算法对S

第三步，利用快速傅里叶变换将RS从波长域转换到距离域，得到距离域信号R

第四步，利用大小为N的滑动窗对R

第五步，利用快速逆傅里叶变换将R

第六步，利用小波去噪对LRS

第七步，利用相对欧氏距离公式(1)衡量DLRS

第八步，M段信号均完成第五-七步处理后，得到相对欧氏距离随滑动窗位置的变化曲线，记为曲线A， 横坐标为窗i，纵坐标为相对欧氏距离(RED)，如图5所示。再将曲线A进行归一化，得到相对欧氏距离 归一化曲线，记为曲线B，横坐标为窗i，纵坐标为归一化相对欧氏距离(NRED)。

第九步，对曲线B进行低通滤波，滤除高频干扰，得到相对欧氏距离归一化曲线的骨架，记为曲线C， 横坐标为窗i，纵坐标为低通滤波后归一化相对欧氏距离(LNRED)，C曲线上数据点为LNRED(i)。低 通滤波器的采样频率保持和采集卡的采样频率相同，低截止频率依据所需信号频带选取，要在确保将毛刺 滤除的同时保留信号变化的整体趋势。本实施例低通滤波器的采样频率设为100M，低截止频率设为0.5M。

第十步，在曲线C上定位扰动点。曲线C上判断扰动点的条件有如下三点：(1)由于在上述第八步中 做了归一化处理，放大了数据之间的差异，首先需要选取LNRED(i)值不小于阈值a

上述多个阈值的选取，需要根据具体应用场景和实验进行标定。阈值a

第十一步，将曲线C横坐标i转换为距离z即可实现扰动点的定位，如图6所示。本专利中待测光纤 总长度为92.03km。

实施例三

下面结合具体的试验对实施例1-2中的光纤分布式测量系统和测量方法进行可行性验证，详见下文描 述：

本发明实施例验证实验所采用待测光纤15为50km和42.03km单模光纤经法兰盘相接，测量目的为待 测光纤末端两点扰动的定位。

在实验中，我们使用OFDR系统，可调谐激光器的线宽约为1kHz，中心波长为1550nm，光源的输出 功率约为10Mw，可调谐激光器的调谐速率为40GHz/s，调谐范围为3GHz。整个扫描时间为0.075s。采集 卡的采样率为100MS/s。

两组距离域信号R

图6为利用本专利所提出方法在光纤末端定位的两个扰动点。图中曲线首端LNRED迅速上升是由于 在此处的光纤长度还很短，随机噪声对相似度的影响还很小，非相似度保持在一个较低的水平，而在光纤 末端，非相似度保持在一个较高的水平，如图5所示，归一化处理会放大数据之间的差异，从而导致图6 中曲线首端出现骤升的现象，并非是由扰动引起，因此本专利在判断LNRED变化大的条件中加入了“选 取LNRED大于0.4的所有数据点”，目的就是为了排除曲线首端幅值骤升的影响。而图6曲线中部出现的 LNRED骤降是由于两组信号在50km处的法兰盘都存在反射峰，从而两组信号在该位置处的相似度变大。

该分布式测量系统和测量方法实现了光纤分布式测量，以4.95米的空间分辨率实现了92.03km光纤 末端多点扰动的定位。

综上所述，本专利实现了基于光频域反射技术对92.03km光纤末端多点扰动的定位，极大地提高了基 于长距离光频域反射光纤分布式扰动传感的空间分辨率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能 的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述， 不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。