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CN105651373B - 一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法 - Google Patents

一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，在多个连续的光脉冲输入下得到后向散射光信号，然后将每个位置上后向散射信号的光强随时间的变化做傅里叶变换，从后向散射信号的频谱上找到第一个振动点的位置和该振动点的频率；然后通过傅里叶变化得到的结果计算得到该频率信号在第一个振动点之后的每个光纤位置的相位，通过对比相位的变化，实现对第二个同频振动信号的定位。本发明无需改进传感系统，可以采用简单基础的POTDR传感系统测量第二个同频振动点的位置；可以在多点振动时，分析出每个频率的振动的第二个同频振动的位置，不同频率间不会互相干扰；对于有一定频谱宽度的同频振动同样适用。

Description

一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法。
背景技术
光纤传感技术是从20世纪70年代发展而来的一门崭新的技术，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以多元化的姿态迅猛发展。当光在光纤中传输时，由于光纤受外界扰动、温度、应变、位移等环境因素的影响，光信号的偏振态、功率、波长、相位等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。
当一束短脉冲光入射到光纤时，它沿着光纤传播并被散射到各个方向，一部分散射光沿着光纤传输并返回到入射端，这部分散射光称为瑞利背向散射光，背向瑞利散射光携带有传感光纤沿线受扰动的信息。基于瑞利散射的光时域传感技术就是通过监测光纤中背向瑞利散射光的特性来实现分布式传感的一种传感技术。
偏振光时域反射技术就是通过检测背向瑞利散射光的偏振态来实现传感的一种光时域反射技术。1980年，Rogers提出了偏振光时域反射技术(POTDR)的思想，其基本原理如图1所示。激光器发出的光受声光调制器调制后变为脉冲光，经掺铒光纤放大器放大到一定功率后由环形器入射到待测光纤，传输过程中的背向瑞利散射光由环形器返回，通过偏振分束器检偏后被光电探测器接收。当光纤受到外界扰动时，光纤中光的偏振态将发生变化。同时，由于光脉冲在光纤中传输时发生背向瑞利散射，因此通过探测器探测背向散射光偏振态的变化，便可以得到光纤受扰动的信息。
由于光在光纤中传输时，偏振态的变化是具有连续性的。对于传统的POTDR传感方法，第一个扰动点对于光纤中光的偏振态的影响会掩盖掉后续扰动的影响，所以POTDR测量多点扰动具有一定的困难。特别是对于同频振动，由于从频域上也无法区分同频振动，所以对多个同频振动点的判别和定位是POTDR传感系统中一个需要重点解决的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，本发明无需改进传感系统，可以采用简单基础的POTDR传感系统测量第二个同频振动点的位置；可以在多点振动时，分析出每个频率的振动的第二个同频振动的位置，不同频率间不会互相干扰。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，包括以下步骤：
步骤一、向光纤中以相同的时间间隔T注入N组光脉冲，得到N组后向散射的POTDR信号；将这N组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，得到组平均后的POTDR信号；其中，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，fs为预设的可测量的最大频率，为向下取整；
步骤二、将步骤一得到组平均后的POTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，得到光纤中每个位置随时间变化的后向散射信号，将每个位置随时间变化的后向散射信号进行快速傅立叶变换FFT处理，并求得功率谱，进而得到光纤上每个位置的后向散射信号的频谱，从该频谱中得到第一个振动点的振动的位置L1以及振动的频率f；
步骤三、FFT得到的每一个位置的频率成分f的系数均具有a+bi的形式，利用分别计算得到频率为f的频率成分的相位沿光纤长度的变化分布；其中，i表示虚数单位，a表示该频率成分系数的实部,b表示虚部；
步骤四、对比第一个振动点之后各位置后向散射信号的频率为f的频率成分的相位变化，相位发生突变的位置为第二个同频振动点的位置。
作为本发明所述的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法进一步优化方案，还包括预先设定一个功率阈值，将步骤二得到的频谱中信号功率小于该功率阈值的点剔除。
作为本发明所述的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法进一步优化方案，所述功率阈值比噪声的频谱功率大一个数量级以上。
作为本发明所述的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法进一步优化方案，当振动信号为具有一定频谱范围的宽频振动时，从步骤二中得到的频谱中选择多个频率成分，分别计算各个频率成分的相位沿光纤各位置的变化，最后将各频率成分的相位变化信息累加平均，再通过对比相位的突变点来实现对第二个宽频同频信号位置的定位。
一种基于偏振光时域反射技术中测量多点同频振动的方法，采用上述方法，通过分析出每个频率的振动的第二个同频振动的位置，从而测量出多点振动。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明在多个连续的光脉冲输入下的后向散射光信号，然后将每个位置后向散射信号的光强随时间的变化做傅里叶变换，从后向散射信号的频谱上找到第一个振动点的位置和该振动点的频率；再通过傅里叶变化得到的结果计算得到该频率信号在第一个振动点之后的每个光纤位置的相位，通过对比相位的变化，实现对第二个同频振动信号的定位；
(2)本发明无需改进传感系统，可以采用简单基础的POTDR传感系统测量第二个同频振动点的位置；可以在多点振动时，分析出每个频率的振动的第二个同频振动的位置，不同频率间不会互相干扰；对于有一定宽度的同频振动同样适用。
附图说明
图1是采用该方法分析两点同频振动的实验装置图。
图2是实验采集的POTDR信号经过傅里叶变换后的频谱图。
图3是光纤上每个点的后向散射信号的同频分量的幅度图。
图4是直接提取的同频振动的相位信息的结果。
图5是经过优化后的相位信息的结果。
图6是10-11HZ的两个频率的信号的相位累加平均后的结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
步骤一、可以采用如图1所示的实验装置，由激光器发出时间间隔为100us的1000组光脉冲信号，光脉冲信号进入环形器后由2口进入总长度为2400m的光纤，在光纤上1000m处及2100米处分别加了两个相同频率(10-11Hz)的振动，后向散射光则通过环形器3口后经过一个检偏器后得到1000组POTDR的传感信号。根据实际预设可测量的最大频率fs为100HZ，根据取n＝25，同时脉冲时间间隔T＝100us大于光脉冲往返光纤所需时间。将这1000组信号每25组做一次平均来减小信号中的噪声，得到40组平均后的信号。
步骤二、将得到的平均后的25组信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，可以得到每个点的后向散射信号随时间的变化(变化的时间间隔为nT)，将每个位置随时间变化的信号进行快速傅氏变换(FFT)处理，并求功率谱，可以得到光纤上每个点的后向散射信号的频谱，如图2所示。从频谱上可以得出同频振动的频率在11Hz左右。将频率为11HZ的分量的幅值沿光纤的分布取出来得到曲线S，如图3所示，可以准确定位出第一个振动点的位置在1000米处。
步骤三、FFT得到的每一个位置的频率成分f的系数均具有a+bi的形式，利用分别计算得到频率为f的频率成分的相位沿光纤长度的变化分布；其中，i表示虚数单位，a表示该频率成分系数的实部,b表示虚部；图4是直接提取的同频振动的相位信息的结果，未经过优化的第一个振动点之后后向散射信号的频率f的成分的相位随光纤位置的变化。由于在POTDR传感中，光纤上会有一些偏振不敏感点存在，导致这些位置处的后向散射信号强度与噪声信号在一个数量级上，因此这些位置的分析出的相位是不准确的。
步骤四、对于曲线S，我们取曲线S中的信号最大值的0.24倍为阈值，对于曲线S中信号幅度小于该阈值的点视为坏点。将频率f的成分的相位沿光纤长度的分布中的坏点处的相位以坏点之前一个点的相位值覆盖。最终得到经过优化后的POTDR信号中频率11HZ的成分的相位沿光纤的分布，从该曲线中可以发现相位在第一个振动后基本保持不变，当第二个同频率的振动出现后相位出现的突变，后续呈现无规律变化，据此判断出第二个同频振动点的位置在2100米附近。
图5是选定一个阈值滤除光纤上的偏振不敏感点后，得到的各个位置的后向散射信号的频率f的成分的相位变化。
步骤五、重复上述方法，求出频率为10HZ的分量的相位随光纤长度的分布，将10HZ与11HZ的相位分布累加平均，得到的结果如图6所示。
在测量多点振动时，通过分析出每个频率的振动的第二个同频振动的位置，不同频率间不会互相干扰。
因此在POTDR中采用该方法，能够有效定位出每个振动点的第二个同频率振动的位置，对于POTDR实验多点振动的测量有一定的意义。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、向光纤中以相同的时间间隔T注入N组光脉冲，得到N组后向散射的POTDR信号；将这N组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，得到组平均后的POTDR信号；其中，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，fs为预设的可测量的最大频率，为向下取整；
步骤二、将步骤一得到组平均后的POTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，得到光纤中每个位置随时间变化的后向散射信号，将每个位置随时间变化的后向散射信号进行快速傅立叶变换FFT处理，并求得功率谱，进而得到光纤上每个位置的后向散射信号的频谱，从该频谱中得到第一个振动点的振动的位置L1以及振动的频率成分的频率f；
步骤三、FFT得到的每一个位置的频率为f的频率成分的系数均具有a+bi的形式，利用分别计算得到频率为f的频率成分的相位沿光纤长度的变化分布；其中，i表示虚数单位，a表示该频率成分系数的实部,b表示虚部；
步骤四、对比第一个振动点之后各位置后向散射信号的频率为f的频率成分的相位变化，相位发生突变的位置为第二个同频振动点的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，其特征在于，还包括预先设定一个功率阈值，将步骤二得到的频谱中信号功率小于该功率阈值的点剔除。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，其特征在于，所述功率阈值比噪声的频谱功率大一个数量级以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法，其特征在于，当振动信号为具有一定频谱范围的宽频振动时，从步骤二中得到的频谱中选择多个频率成分，分别计算各个频率成分的相位沿光纤各位置的变化，最后将各频率成分的相位变化信息累加平均，再通过对比相位的突变点来实现对第二个宽频同频信号位置的定位。
5.一种基于偏振光时域反射技术中测量多点同频振动的方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任意一项所述的方法，通过分析出每个频率的振动的第二个同频振动的位置，从而测量出多点振动。
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