一种基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法。

背景技术

分布式光纤传感技术可将光纤视为无数个连续分布的传感单元，可对其沿线的物理量进行有效的测量。相对于传统的分立式传感技术，其有着结构简单、覆盖范围大、测量距离长、经济有效等优势，得到了各界的广泛关注。目前，分布式光纤传感技术已经在结构健康检测、边界安防、管道检测、光纤链路监测等领域发挥了重要的作用。其中，光频域反射(OFDR)技术通过对光纤中后向瑞利散射(RBS)信号的测量来实现对光纤沿线物理量的获取，其凭借着高空间分辨率、高灵敏度和潜在的长距离测量能力等特点，在分布式光纤应变、温度等传感领域占据了重要的席位，是分布式光纤传感技术的重要发展方向。

根据典型的OFDR分布式传感原理，在外界环境变化前后对待测光纤进行测量，分别获得其RBS信号，变化前后的RBS信号分别记为参考信号和测量信号。典型的，可利用正反傅里叶变化可分别通过参考信号和测量信号计算获得其所对应的参考特征频谱和测量特征频谱，而外界环境的变化导致的光程变化可通过探测光波长的变化进行补偿，该过程在OFDR测量中具体地表现为参考特征频谱和测量特征频谱之间的波长偏移。因此，可通过提取特征频谱的偏移获得对应的光谱频移量，进而解算出相应的外界环境信息。

当前，互相关算法是提取上述特征频谱偏移量即光谱频移量的常见方法。近年来，相关研究发现典型的互相关算法对输入的特征频谱幅值的分布特性及其特征较为敏感，并会严重影响对特征频谱偏移的测量精度和范围。一方面，幅值相对较大的信号对互相关结果具有更大的权重，这种权重不均匀的现象不仅会使得互相关结果出现较大偏差，更可能导致多峰、假峰的出现，制约了测量的精度和有效性。另一方面，当环境变化较大时，由于光谱频域量的增加，进行互相关的参考特征频谱和测量特征频谱间的非相关区域增多，其对互相关结果的贡献权重随之增大，进一步恶化了测量偏差，继而导致多峰、假峰概率的显著增加，制约了对分布式传感的测量范围。根据OFDR的分布式传感原理，其测量范围即传感量程理论上取决于扫频范围。研究表明，当环境改变所引起的光谱频移量不超过OFDR扫频范围的2～3％时，利用现有的互相关算法能够实现有效的解调效果。

因此，当前的互相关算法的缺陷不仅制约了OFDR分布式传感的测量精度，导致了可能的解调失效和错判，还限制了实际上所能解调的最大光谱频移量，降低了对扫频范围的利用率，限制了系统测量范围。

针对该问题，目前的解决方法主要有三种类型。一是改变互相关算法本身的形式，如采用最小均方差累加或采用相位互相关等方式来降低对两互相关信号幅值的敏感度，从而实现权重均匀；二是根据物理世界中应变、温度传播连续的规律，将所有位置的互相关结果组成一幅图像，其多峰和假峰视定为噪声，利用小波变换等图像去噪技术进行多峰和假峰的抑制；三是对于参考特征频谱可采用其特定位置处的局部特征进行互相关，从而降低非相关区域的贡献权重，以实现更大的有效解调范围。但是，上述的三种流行改进方案局限于互相关的一维统计特性，仍然受到前述问题的困扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法，参考信号和测量信号经过展开后所对应的二维图像，可清晰的呈现出参与互相关的两个信号上每个值的匹配细节，匹配结果具象成图像中的一条对角线(沿着-45°的直线)。相对于互相关的一维统计特性，利用直线检测算法判断该对角线的平移量可有效避免互相关算法的固有缺陷，改善对特征频谱偏移解调的有效性，增加解调精度并提升所能解调的最大光谱频移量，从而提高扫频范围的利用率，改善测量精度，扩展测量范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法，包括：

S1、分别获取目标光频域分布式光纤传感系统中传感光纤未施加外界扰动和施加外界扰动时，所述传感光纤上不同位置处的参考特征频谱和测量特征频谱；

S2、获取所述传感光纤上同一位置的所述参考特征频谱和所述测量特征频谱，通过最长公共子串算法对同一位置的所述参考特征频谱和所述测量特征频谱进行计算，获取原始图像；

S3、对所述原始图像进行裁剪与拼接，获取新图像；

S4、对所述新图像进行二值化处理，获取二值化后的图像；

S5、通过直线检测算法对所述二值化后的图像进行计算，获取扰动量；

S6、重复步骤2-5对所述传感光纤沿线上所有位置进行扰动量的计算，根据所述扰动量获得分布式测量结果。

可选的，所述S1中获取所述传感光纤上不同位置处的参考特征频谱和测量特征频谱包括：

在未施加外界扰动时，获取所述传感光纤上的瑞利后向散射信号作为第一原始测量数据；

在施加外界扰动时，获取所述传感光纤上的瑞利后向散射信号作为第二原始测量数据；

根据预设的窗长和窗移动步长对所述第一原始测量数据和所述第二原始测量数据进行短时傅里叶变换，获取不同位置处的所述参考特征频谱和所述测量特征频谱。

可选的，所述S2中通过最长公共子串算法对同一位置的所述参考特征频谱和所述测量特征频谱进行计算，包括：采用矢量相对误差判别函数对所述参考特征频谱和所述测量特征频谱进行计算，通过获取所述原始图像中的像素值获取所述原始图像；

采用矢量相对误差判别函数获取所述原始图像中的像素值的计算方法为：

其中，I

可选的，所述S3中对所述原始图像进行裁剪与拼接，获取新图像包括：

根据预设图像高度，对所述原始图像进行裁剪与拼接，获取所述新图像；

其中，对所述原始图像进行拼接的方法为：

I

式中，I

可选的，所述S4中对所述新图像进行二值化处理，获取二值化后的图像包括：

获取所述新图像中的像素值，将所述新图像中的像素值从小到大进行排序，选取第X个像素值作为阈值；

根据所述阈值对所述新图像进行二值化处理，获取所述二值化后的图像。

可选的，选取所述第x个像素值的方法为：

X＝round{coef*b*(2n-b)}

其中，round表示四舍五入处理，coef是一个常数系数，b为预设图像高度，n为特征频谱长度，X表示第X个像素。

可选的，所述S5中通过直线检测算法对所述二值化后的图像进行计算包括：

将所述二值化后的图像进行霍夫曼变换，获取霍夫曼变换域；

在所述霍夫曼变换域中提取目标角度处的值，得到判定曲线，其中所述目标角度为所述原始图像中对角线的角度；

选取所述判定曲线上值最大处的位置作为直线检测结果。

可选的，所述S5中获取扰动量包括：

根据所述直线检测结果获取所述目标角度的直线对应的对角线的条数值；

根据所述条数值，获取所述目标角度的直线对应的对角线相对初始对角线移动的像素个数，其中所述初始对角线为所述原始图像的对角线且所述原始图像的对角线的条数值为0；

根据所述移动的像素个数，获取频移量，根据所述频移量，对所述扰动量进行计算。

本发明的有益效果为：

与传统的互相关算法提取瑞利散射特征频谱频移量方法相比，本发明不再利用互相关的统计特性，将频移量的判定转化为检测图像上沿着-45°方向的直线相对于对角线的移动情况，即将互相关一维信号处理转化成二维图像处理，十分直观的看出特征谱线的平移情况，不再有互相关的固有缺陷，在没有大的偏差情况下，本方法所提取的最大频移量比传统互相关方法更大，提取频移量的准确度更高，在不改变扫频范围的情况下，提高了扫频范围的利用率，一定程度上扩展了OFDR系统的量程。该方法对任意获取参考特征频谱和测量特征频谱的方法均有效。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的OFDR系统结构示意图；

图2为本发明实施例的参考特征频谱和测量特征频谱；

图3为本发明实施例的对角线的定义的示意图；

图4为本发明实施例的图像I

图5为本发明实施例的图像I

图6为本发明实施例的图像I

图7为本发明实施例的传统归一化互相关解调结果；

图8为本发明实施例的基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法解调结果；

图9为本发明实施例的基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法的流程图；

其中，1激光器、2相位调制器、3射频信号发生器、4光滤波器、5第一耦合器、6环形器、7PZT传感光纤、8第二耦合器、9平衡探测器、10示波器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示展示了一典型的外调制OFDR测量系统，本实施例基于该系统进行实现。该系统具体实施方式如下：

激光器1发出单频激光进入相位调制器2，相位调制器2在射频信号发生器3给予的啁啾电信号下对输入的激光进行相位调制，相位调制器2的输出光信号经过光滤波器4进行边带滤出从而产生光调频连续波。该调频连续波经过第一耦合器5分成两路信号，上面一路经过环形器6进入60.2m的PZT传感光纤7，传感光纤的散射信号经过环形器6到达第二耦合器8并于下面一路的光发生干涉。干涉信号被平衡探测器9接收并被示波器10采集，示波器10采集的信号即包含了传感光纤上的瑞利后向散射信息。

接下来利用该OFDR系统进行本方法的实施，如图9所示，一种基于最长公共子串的光频域反射分布式传感解调方法实施步骤如下：

S1、分别获取目标光频域分布式光纤传感系统中传感光纤未施加外界扰动和施加外界扰动时，传感光纤上不同位置处的参考特征频谱和测量特征频谱；

具体的包括：

S11、在未施加外界扰动时，利用光频域分布式光纤传感系统进行测量，获取传感光纤上的瑞利后向散射信号作为原始测量数据。设置好窗长和窗移动的步长对该测量数据进行短时傅里叶变换从而得到传感光纤上不同位置处的瑞利散射特征频谱，将此频谱作为参考特征频谱，图2中的参考特征频谱即为传感光纤上某一位置处实测的参考特征频谱。

S12、对传感光纤施加外界扰动，即对PZT传感光纤施加20V的电压，即可实现对传感光纤施加静态应变，利用光频域分布式光纤传感系统进行测量，获取施加扰动后传感光纤上的瑞利后向散射信号作为原始测量数据。按照步骤S11设置的窗长和窗移动的步长对该测量数据进行短时傅里叶变换从而得到传感光纤上不同位置处的瑞利散射特征频谱，将此频谱作为测量特征频谱，附图2中的测量特征频谱为步骤1中同样位置处施加扰动后得到的实测测量特征频谱。

S2、获取传感光纤上同一位置的参考特征频谱和测量特征频谱，通过最长公共子串算法对同一位置的参考特征频谱和测量特征频谱进行计算，获取原始图像；

具体的，步骤1中的参考特征频谱和测量特征频谱，对其进行最长公共子串算法的计算从而得到一副图像I

其中，I

S3、根据预设图像高度，对拼接图像进行裁剪与拼接，获取新图像；

具体的，选取合适的值b＝600作为新图像的高度，然后对步骤2的图像I

I

式中，I

S4、对新图像进行二值化处理，获取二值化后的图像；

具体的，将步骤3中得到的图像I

X＝round(coef*b*(2n-b))

式中，round表示四舍五入处理，coef是一个常数系数，该系数可以在未施加应变时进行调整使得二值化后图像I

S5、通过直线检测算法对二值化后的图像进行计算，获取扰动大小；

具体的，将步骤4中得到的图像I

S6、重复步骤2-5对传感光纤沿线上所有位置进行扰动大小的计算，根据扰动大小获得分布式测量结果。

具体的，重复步骤2-5对传感光纤沿线上所有位置处的特征谱线进行扰动大小的计算则可获得分布式测量结果，图8展示的是利用本实施例的方法在PZT传感光纤施加20V时对传感光纤沿线应变的解调结果，图7是利用传统的归一化互相关的解调结果，可以看出传统归一化互相关的解调结果存在大量的大的偏差，因为对于PZT传感光纤而言，其沿线所受到的应变应该是均匀的。然而利用本实施例的方法解调的结果没有大的偏差，说明了本实施例的方法可以很好的解决上述的问题，达到了发明目的。

本发明不再局限于互相关的一维统计特性，而是将互相关的过程进行二维展开，展开的二维图像清晰的呈现出参与互相关的两个信号上每个值的匹配细节，匹配结果具象成图像中一条-45°的直线，即对角线，原本的取互相关结果最大值转变为判定该直线位于对角线的平移情况。相对于互相关的一维统计特性，利用直线检测算法判断对角线的平移量可有效避免互相关算法的固有缺陷，改善对特征频谱偏移解调的有效性，提升所能解调的最大光谱频移量，从而提高扫频范围的利用率，改善测量精度，扩展测量范围。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。