一種脈沖細分疊加信號處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種脈沖細分疊加信號處理方法，旨在提供一種能同時提高BOTDR系統空間分辨率和傳感距離的信號處理方法。其技術方案的要點是：1）將獲得散射譜分別與標準散射譜相減，獲得疊加信息譜；2）將獲得的疊加信息譜中的第n+1條譜線與第n條譜線做差（n=2,3，…），如此依次得到整個光纖的信息譜線；3）最后計算出每條信息譜線零點對應的頻率，即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內的溫度分布。本發明方法解決了傳統BOTDR系統空間分辨率與脈沖寬度相互制約的問題。本發明方法操作簡單，解決了空間分辨率和傳感距離是一對矛盾的問題，極大地提高了系統性能，是一種理想的信號處理方法。
【專利說明】一種脈沖細分疊加信號處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學【技術領域】中的信號處理方法，特別涉及一種脈沖細分疊加信號處理方法，該方法用于分布式光纖傳感系統的信號處理。
【背景技術】
[0002]分布式光纖傳感具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐高壓、耐腐蝕等優點，近年來受到了越來越多學者的關注，具有巨大的發展前景。分布式光纖傳感的空間分辨率隨著探測脈沖寬度的增加而減小，所以通常采用減小探測脈沖寬度的辦法來提高空間分辨率，但是受到聲子壽命的限制，當脈沖寬度小于聲子豫馳時間時，將導致聲子激發不充分，使得布里淵增益降低以及布里淵散射譜展寬及劣化，最終導致分布式光纖傳感器理論上極限空間分辨率只能達到lm。但是在飛行器船體健康診斷以及建筑結構健康監測等領域需要厘米級空間分辨率，因此在這些領域迫切需求提高空間分辨率的方法。
[0003]研究發現，空間分辨率內長度光纖被測信息發生變化時，采集到的后向Brillouin散射譜會發生微形變，此形變中隱含著傳統技術無法得到的被測信息變化，基于此，我們提出一種脈沖細分疊加信號處理方法，通過將探測脈沖細分獲得Brillouin散射譜中隱含的信息量，以得到厘米級空間分辨率，理論分析證明其可行性，數據分析也已驗證了該方法的正確性與有效性。
【發明內容】
[0004]本發明的 目的是提供一種同時提高BOTDR系統的空間分辨率和傳感距離的信號處理方法。
[0005]本發明是對探測脈沖光進行等效細分，并對獲得的后向散射譜按照該方法規定的運算規則進行處理，以此提高空間分辨率。
[0006]為了解決上述存在的技術問題實現發明目的，本發明方法是通過下述技術方案實現的:
[0007]一種脈沖細分疊加信號處理方法，其內容包括如下步驟:
[0008](I)將采集到的實時后向布里淵散射譜與標定溫度下獲得的標準后向布里淵譜相減獲得初步的散射譜差譜——疊加信息譜，將獲得的散射譜差譜中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)，如此依次得到整個光纖的信息譜線，獲得每條信息譜線零點對應的頻率，最后利用Vbt=2v-vb，經理論推導計算即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內的溫度分布；vBT為空間分辨率內溫度變化后對應的頻移，vB為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移；D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內的采樣點數，取決于米樣率；
[0009](2)將實時后向散射譜線與標定溫度下獲得的標準后向散射譜線做差，獲得疊加信息譜；
[0010](3)將獲得的重疊信息譜為一組譜線，將該組譜線中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(n=2，3，…)獲得信息譜，后用第η條散射譜線減去信息譜中的第η條譜線之前所有的譜線，如此依次得到整個光纖的信息譜線；
[0011](4)獲得信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移V，根據公式Vbt=2v-vb，最終獲得整個光纖每D/n光纖長度內的溫度分布，D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內的米樣點數，取決于采樣率，νΒΤ為空間分辨率內溫度變化后對應的頻移，νΒ為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移；
[0012](5)至此獲得的了系統空間分辨率D/n，該空間分辨率完全取決于數據的采樣速度。
[0013]由于采用上述技術方案，本發明提供的一種脈沖細分疊加信號處理方法，與現有技術相比具有的有益效果是:
[0014]本發明首先將一個空間分辨率為Im的脈沖分為若干單元，各單元的光在光纖中傳播時會分別產生后向散射，獲得的實時后向散射譜為一個空間分辨率內的所有單元散射譜的疊加。溫度變化的光纖段內后向Brillouin散射光譜發生形變，形變中隱含了溫度變化信息。其次將此時的后向散射譜與整個傳感光纖周圍相應位置處的標準后向散射譜作差得到疊加信息譜譜線。將該譜線在空間上依次減去前邊所有譜線的變化量，去除前面光譜中隱含的溫度信息對此光纖對應光譜中隱含的溫度信息的影響，進而得到每個細分脈沖單元空間長度內的散射譜變化量信息。最后根據頻移與溫度變化存在的線性關系，可得到此時整段光纖的溫度分布情況，該溫度分布情況體現的是厘米量級空間分辨率內的信息。采用本發明方法則空間分辨率 僅取決于采樣速度，解決了傳統BOTDR系統空間分辨率與脈沖寬度相互制約的問題。
[0015]本發明方法操作簡單，解決了空間分辨率和傳感距離是一對矛盾的問題，極大地提高了系統性能，是一種理想的信號處理方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是布里淵散射譜產生的原理；
[0017]圖2是光纖周圍未發生溫度變化時，每隔0.1m進行一次采樣得到的IOm到Ilm內的布里淵后向散射譜分布情況，即為標準譜線；
[0018]圖3是光纖周圍溫度變化后，每隔0.1m進行一次采樣得到的IOm到Ilm內的布里淵后向散射譜分布情況，即為實時譜線；
[0019]圖4是是標準譜線與實時譜線的差，即為疊加信息譜；
[0020]圖5是經過對疊加信息譜進行處理得到的譜線，即為信息譜；
[0021]圖6是進過信息譜得到的具體頻移值；
[0022]圖7是每0.1m內的溫度分布情況。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖與具體實例對本發明作進一步的說明:
[0024]一種脈沖細分疊加信號處理方法，其內容包括如下步驟:
[0025](I)將采集到的實時后向布里淵散射譜與標定溫度下獲得的標準后向布里淵譜相減獲得初步的散射譜差譜——疊加信息譜，將獲得的散射譜差譜中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(n=2，3，…)，如此依次得到整個光纖的信息譜線，獲得每條信息譜線零點對應的頻率，最后利用Vbt=2v-vb，經理論推導計算即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內的溫度分布；vBT為空間分辨率內溫度變化后對應的頻移，vB為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移；D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內的采樣點數，取決于米樣率；
[0026]如圖1所示，c為真空中光速，τ為探測脈沖寬度，η為光纖折射率。陰影部分長度c τ /n為探測脈沖長度，假設脈沖光前端點傳播至光纖Pl處時，產生散射單元SI，此時脈沖光繼續傳播，散射單元SI則開始沿相反方向傳播。當脈沖光前端點傳播至P2處時，產生散射單元S2，而此時散射單元SI恰好傳播至光纖Pl處，與脈沖光后端點在Pl處產生的散射單元重合。在探測脈沖光從Pl處傳播至P4處的過程中，除了前端點外，其余每個位置都會產生散射單元。所以，此時P5處的散射單元為探測脈沖光前端點經過整個Pl到P4之間的光纖時，在所有位置產生的子散射光譜的疊加，而Pl到P5的距離為探測脈沖空間長度的一半，所以分布式光纖傳感的空間分辨率為D=C τ /2η，即探測脈沖空間長度的一半。
[0027]基于以上散射機理，假設溫度為20°C時，普通單模光纖對應的Brillouin頻移為
11.2GHz。在任意探測脈沖寬度情況下，假設整根傳感光纖前端IOm置于20°C常溫下，并將第10.1m到10.2m、10.5m到10.6m和10.7m到10.8m內的光纖分別升溫至50。。、70。。和60。。。
[0028]此時將任意寬度的探測脈沖光注入發生溫度變化的傳感光纖中，對得到的后向布里淵散射光，采用2GHz采樣率對后向散射譜進行采樣，獲得的第IOm到Ilm光纖內后向布里淵散射譜如圖2所示。已知當整跟光纖與標準溫度中獲得的標準后向布里淵散射譜如圖3所示。 [0029](2)將實時后向散射譜線與標定溫度下獲得的標準后向散射譜線做差，獲得疊加信息譜；首先，將圖2對應的實時后向散射譜與圖3對應的標準譜相減得到初步的散射譜差，即為疊加信息譜，如圖4所示。
[0030](3)將獲得的重疊信息譜為一組譜線，將該組譜線中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)獲得信息譜，后用第η條散射譜線減去信息譜中的第η條譜線之前所有的譜線，如此依次得到整個光纖的信息譜線；
[0031]再次，將圖4中的空間上第二條譜線減去第一條譜線，然后將第三條譜線減去第一條與第二條譜線的差，依次類推即可獲得正段光纖上的信息譜線，如圖5所示。
[0032](4)獲得信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移V，根據公式νΒΤ=2ν-νΒ，最終獲得整個光纖每D/n光纖長度內的溫度分布；
[0033](5)至此獲得系統空間分辨率，該空間分辨率完全取決于數據的采樣速度D/n。
[0034]最后通過圖5以及圖6即可獲得對應譜線零點的頻移，V分比為11.228GHz、
11.223GHz和11.217GHz，此時通過vBm=2v-vB即可獲得IOm到Ilm光纖段內每IOcm的布里淵頻移信息，即vBT分別為11.234GHzU1.256GHz和11.245GHz，進而獲得溫度信息，如圖7所示。
[0035]具體數據如表1所示。
[0036]表1溫度分布的具體數據
[0037]
【權利要求】
1.一種脈沖細分疊加信號處理方法，其特征在于:該方法內容包括如下步驟: (1)將采集到的實時后向布里淵散射譜與標定溫度下獲得的標準后向布里淵譜相減獲得初步的散射譜差譜——疊加信息譜，將獲得的散射譜差譜中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)，如此依次得到整個光纖的信息譜線，獲得每條信息譜線零點對應的頻率，最后利用Vbt=2v-vb，經理論推導計算即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內的溫度分布；vBT為空間分辨率內溫度變化后對應的頻移，vB為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移；D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內的采樣點數，取決于采樣率； (2)將實時后向散射譜線與標定溫度下獲得的標準后向散射譜線做差，獲得疊加信息譜； (3)將獲得的重疊信息譜為一組譜線，將該組譜線中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)獲得信息譜，后用第η條散射譜線減去信息譜中的第η條譜線之前所有的譜線，如此依次得到整個光纖的信息譜線； (4)獲得信息譜中每一條譜線的零點對應的頻移V，根據公式νΒΤ=2ν-νΒ，最終獲得整個光纖每D/η光纖長度內的溫度分布； (5)至此獲得系統空間分辨率，該空間分辨率D/n完全取決于數據的采樣速度。
【文檔編號】G01D5/26GK103791935SQ201410015444
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】張燕君, 李達, 付興虎, 畢衛紅, 付廣偉 申請人:燕山大學
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