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CN113218494A - 一种分布式光纤声传感系统及信号处理方法 - Google Patents

一种分布式光纤声传感系统及信号处理方法 Download PDF

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CN113218494A
CN113218494A CN202010068189.3A CN202010068189A CN113218494A CN 113218494 A CN113218494 A CN 113218494A CN 202010068189 A CN202010068189 A CN 202010068189A CN 113218494 A CN113218494 A CN 113218494A
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sensing
signal
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distributed optical
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CN202010068189.3A
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蔡海文
卢斌
王照勇
叶蕾
叶青
瞿荣辉
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Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
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Abstract

一种分布式光纤声传感系统及信号处理方法，基于高空间分辨率分布式光纤声传感器，相邻传感单元之间的间隔为厘米或毫米级，通过本发明中的特定数字信号处理，可实现信号增强并抑制系统和环境中的噪声，同时解决干涉衰落等问题，能将子单元的传感器信噪比提升两到三个量级。各个子单元可作为独立的高灵敏度传感器进行感知，多个子单元又可以构成一个或多个新的传感阵列，通过阵列信号处理方法实现信号源的方位角估计和空间定位。本发明实施简单，可解决分布式光纤传感器干涉衰落和信噪比受限的问题，且可在无需改变光纤结构的基础上，构建高信噪比传感器阵列，实现信号源方位角估计和空间定位，对于海洋水声检测、油气勘探等领域具有重要意义。

Description

一种分布式光纤声传感系统及信号处理方法
技术领域
本发明涉及信号源检测领域，具体涉及一种分布式光纤声传感系统及信号处理方法。
背景技术
分布式光纤声传感器作为一种新型的传感技术，除了具有光纤传感器抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、成本低等优点外，与传统点式传感器相比，还具有检测距离长、可连续分布式检测、无需复杂组网、空间分辨率高等优势。分布式光纤声传感器的检测范围可达数十公里，一根光纤上等效于数以万计个传感器，对于大空间尺度下的密集振动/声波检测具有其独特的优势。近年来，被广泛应用于油气管道安全监测、铁路安全监测、边界安防等领域。
目前的分布式光纤声传感技术大都基于光纤中的瑞利散射效应。然而，由于散射信号的幅度很微弱，导致当前分布式光纤声传感技术的灵敏度和信噪比受限。当前的分布式声传感器的最小可测相位约为m rad/√Hz量级，比光纤水听器的常规灵敏度指标u rad/√Hz量级要差得多【杨洋.分布式光纤水听器系统关键技术的研究[D].湖南大学，2018年5月.】，与传统点式或干涉仪型传感器相比还有一定差距，无法满足微弱声信号检测等应用需求，限制了其应用领域，提高光纤传感系统的灵敏度和信噪比是当务之急。此外，由于光纤中折射率空间上的随机分布，散射回的信号可能会发生干涉衰落，导致信号幅度极低，无法正常解调出待测信号，影响了传感系统的可靠性。干涉衰落问题也是分布式光纤声传感技术需解决的关键问题之一。
现有技术一【Pan Z,Cai H,Qu R,et al..Phase-sensitive OTDR system basedon digital coherent detection.Asia Communications&Photonics Conference&Exhibition.IEEE,2012.】提出了基于数字相干解调的相位敏感光时域反射计定量化测量系统及幅度、相位信息的解调公式，但并未解决干涉衰落问题，也未进一步利用定量化声场信号间的空间相关性对声场信号进行增强或者实现信号源的定向和定位。
现有技术二【Zhou Jun,Pan Zhengqing,Ye Qing,et al..Characteristics andExplanations of Interference Fading of aΦ-OTDR With a Multi-Frequency Source[J].Journal of Lightwave Technology,2013.】提出了一种基于多频率综合判决的方式，可以有效解决干涉衰落问题，但是信噪比和灵敏度问题没有解决，也未进一步利用定量化声场信号间的空间相关性对声场信号进行增强或者实现信号源的定向和定位。
现有技术三【Dian Chen，Qingwen Liu,and Zuyuan He.Phase-detectiondistributed fiber-optic vibration sensor without fading-noise based on time-gated digital OFDR[J].Optics Express,2017】和【Dian Chen，Qingwen Liu,and ZuyuanHe.High-fidelity distributed fiber-optic acoustic sensor with fading noisesuppressed and sub-meter spatial resolution[J].Optics Express,2018】提出了一种基于时间键控光频域反射计，通过频分复用和旋转矢量求和，可以解决反射衰落的问题，传感器的信噪比和灵敏度有所提升，但是仍受限，最小可测相位仍为m rad/√Hz量级，且也未进一步利用定量化声场信号间的空间相关性对声场信号进行增强或者实现信号源的定向和定位。
现有技术四【Liang Jiajing,Wang Zhaoyong,Lu Bin,et al.Distributedacoustic sensing for 2D and 3D acoustic source localization[J].OpticsLetters,2019.】提出了利用分布式光纤声传感技术进行信号源空间定位的方法。但是，由于分布式光纤声传感器的信噪比和灵敏度较低，无法满足声信号探测的需求，该文中采用了通过密集缠绕光纤等方式增加光纤长度进而提高灵敏度，获得了初步的结果。但是该方法牺牲了传感距离，削弱了分布式光纤传感器的优势，实用性也大大折扣，难以真正应用于工程实践。同时，由于分布式光纤声传感器的空间分辨率有限，进行声场信号增强时，若选取一定数量的传感单元合并后，信噪比和灵敏度虽会有所提升，但会丧失传感器的空间分辨率能力。例如，选取100个间隔为10m的传感单元合并为一个传感单元，则合成的传感单元孔径过大，只能作为独立的传感器进行信号探测，无法进一步实现高灵敏度分布式传感阵列的组建。因此，该技术还无法将长距离分布式信号增强和信号源空间定位进行有效地结合，没有真正同时解决分布式光纤声传感器信噪比、灵敏度和分布式信号源空间方位角估计和定位的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的缺点，解决分布式光纤声传感技术信噪比和灵敏度受限的问题，同时，不牺牲其空间分辨率能力，在无需改变传感光纤结构的基础上，可利用灵敏度增强的传感单元组成阵列实现信号源的方位角估计和空间定位。本发明实施简单、可解决分布式光纤传感器干涉衰落和灵敏度受限的问题，能有效提升传感系统在复杂环境下工作的抗干扰能力，对于同时需要连续长距离、分布式动态检测的应用领域，如海洋水声检测、油气勘探、铁路监测等具有重要意义。
基于以上目的，本发明一方面提出了一种分布式光纤声传感系统，包括分布式光纤声传感器、传感光纤；所述分布式光纤声传感器与传感光纤连接，并向所述传感光纤发射探测光脉冲，收集所述传感光纤沿线感知的信号源的声场并进行解调；所述分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N，各个子单元中传感单元用于将探测得到的声场信号进行空间相干合成；所述分布式光纤声传感器的空间分辨率为厘米级或者更高。
在另一优选例中，所述分布式光纤声传感器的空间分辨率为1mm-1cm。
所述的分布式光纤声传感器包括基于扫频脉冲和脉冲压缩技术的分布式光纤传感器、光频域反射计、基于超窄脉冲或相干探测的相位敏感光时域反射计中的一种或多种。
所述的信号源包括空气中、土壤中或水中振动而产生声波的物体中的一种或多种。
在另一优选例中，所述子单元作为独立的高灵敏度传感器进行感知。
在另一优选例中，从M个子单元中按照相邻或者一定间隔选取Mx个子单元作为一个新的传感阵列，新构成的传感阵列通过定向的阵列信号处理方法进行信号源声场的解调。
所述子单元个数10≤M≤1000。
所述传感单元数量10≤N≤10000。
所述子单元的空间尺度为米级或亚米级。
在另一优选例中，所述子单元的空间尺度为0.1m-10m。
本发明另一方面提供了一种分布式光纤声传感系统信号处理方法，所述方法包含以下步骤：
1)分布式声场信号采集：所述分布式光纤声传感器所采集到的声场分布信号为S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；
2)子单元划分：所述分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N；其中，第m个子单元中N个传感单元采集到的声场信号为：
[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]，简写为[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]，其中，1≤m≤M，l0表示光纤起始位置，Δz为相邻两个传感单元之间的间距，Δz的最小值由分布式光纤声传感器的空间分辨率所决定；
3)子单元内空间相干合成，实现信噪比和灵敏度增强：第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]经过空间相干合成算法增强后生成信号S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)，简写为S'm，则M个子单元经过阵列信号处理增强后得到的新声场信号为[S'1,S'2,...S'm,...S'M]；
4)作为独立的高灵敏度信噪比传感器或组成新阵列实现方位角估计和空间定位：各个子单元可以作为独立的高灵敏度传感器进行感知，同时，也可以从M个子单元中按照相邻或者一定间隔选取Mx个子单元做为一个新的传感阵列，M个子单元可以分为一个或多个传感阵列，新构成的传感阵列通过定向的阵列信号处理方法进行信号源的方位角估计或空间定位，也可以再次重复类似步骤3)的过程，实现信号增强。
所述的步骤3)中空间相干合成包含矢量叠加或波束形成阵列信号处理方法。
所述的步骤4)中进行方位角估计或空间定位的阵列信号处理方法为包括常规波束形成算法，空间谱估计算法或波达方向估计算法中的一种。
在另一优选例中，所述的矢量叠加方法为将子单元内的每个传感单元获得的声场矢量进行线性叠加。
在另一优选例中，所述的波束形成阵列信号处理包含以下步骤：
首先，根据各个子单元中每个传感单元的空间位置信息，计算信号源关于子单元内每个传感单元的时间延迟向量，例如，信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
或相位延迟量
Figure BDA0002376572160000041
其中，p＝1,2,...,P，P表示信号源个数；
然后，利用阵列信号处理方法对步骤3)中每个子单元内所获得的采样信号组和延迟向量进行信号处理，其中，第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]经过阵列信号处理增强后生成信号S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)，简写为S'm，则M个子单元经过阵列信号处理增强后得到的新声场信号为[S'1,S'2,...S'm,...S'M]。
所述的各个子单元中每个传感单元的空间位置信息为信号源相对子单元内每个传感单元的方位向量或信号源相对子单元内每个传感单元的三维位置坐标，空间位置信息利用信号源空间定位方法获得或根据先验知识人为指定。
所述的对步骤3)实施的阵列信号处理方法为自适应空域滤波方法和/或延时求和方法。
在另一优选例中，所述的自适应空域滤波方法为最小方差无畸变响应波束形成器(MVDR)、线性约束最小方差波束形成器(LCMV)、广义旁瓣相消波束形成器(GSC)中的一种。
在另一优选例中，所述的延时求和方法如下：根据信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
计算延迟补偿权重，
Wp(Δτ)＝[-Δτm,1 -Δτm,2…-Δτm,N]
对于第p个信号源，其增强信号按照以下方式计算得到：
S'm＝Wp·[Sm,1,Sm,2,…Sm,N]T
其中T表示转置运算，其他P-1个信号源和环境噪声可以得到抑制，且其抑制信号效果受整个子单元内传感单元数量限制。第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号经过上述阵列信号处理增强后，可以有效抑制环境噪声，降低传感系统的底噪，提升传感系统的信噪比和灵敏度，且可以同时解决光纤传感系统中干涉衰落等问题。
在另一优选例中，所述的线性约束最小方差波束形成器(LCMV)方法如下：
计算采样信号组的协方差矩阵，
Figure BDA0002376572160000051
其中，K为所述的高空间分辨率分布式光纤声传感器重复测量次数，对于第p个信号源，确定限制向量F1×P＝[0 0…1…0]，限制向量的第p个元素为1，其余均为0，限制向量确定了只对第p个信号源进行定向增强，而其余信号源则进行定向抑制，
按下列方程计算相位补偿权重，
Figure BDA0002376572160000052
其中，H表示共轭转置，对于第p个信号源，其增强信号按照以下方式计算得到：
S'm＝Wp·[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]T。
在另一优选例中，所述的空间谱估计算法具体如下：
首先，要进行空间谱估计的传感阵列由权利要求1所述的步骤4)生成，Mx个子单元的增强后的一个新声场信号为
Figure BDA0002376572160000053
该声场信号是沿光纤分布的；
其次，在三维空间内设立坐标系(x,y,z)，按照传感光纤的特定铺设方式T[x,y,z]，对
Figure BDA0002376572160000054
进行坐标系转换，S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)转换后为S”m(xm,ym,zm,t)，简写为S”m，即
Figure BDA0002376572160000061
经过坐标转换后为
Figure BDA0002376572160000062
然后，计算上述声场信号的协方差矩阵，
Figure BDA0002376572160000063
K为所述的高空间分辨率分布式光纤声传感器重复测量次数；
然后，对协方差矩阵R”进行特征值分解得到噪声子空间En，按照所述传感光纤铺设方式T[x,y,z]，计算传感阵列对应的信号子空间Es(θi,ri)，其中θi表示第i个信号源的方位角，ri表示第i个信号源到传感阵列中心位置的直线距离，并按照下列关系计算损失函数，
Figure BDA0002376572160000064
其中，H表示共轭转置，信号源相对所述传感阵列的方位向量(θi,ri)通过对所述损失函数进行极大值搜索计算而得；
最后，第i个信号源的二维空间坐标按照下列关系计算，
xi＝risinθi,yi＝ricosθi。
在另一优选例中，所述的步骤4)生成两个传感阵列时，所述的波束形成算法具体如下：
首先，由权利要求1所述的步骤4)生成两个传感阵列，其增强后的声场信号为
Figure BDA0002376572160000065
和
Figure BDA0002376572160000066
两个传感阵列之间的间隔为l，该声场信号是沿光纤分布的；
其次，在三维空间内设立坐标系(x,y,z)，按照传感光纤的特定铺设方式T[x,y,z]，对两个传感阵列的声场信号进行坐标系转换，得到
Figure BDA0002376572160000067
和
Figure BDA0002376572160000068
然后，计算上述声场信号的协方差矩阵，
Figure BDA0002376572160000069
Figure BDA00023765721600000610
K为所述的分布式光纤声传感器重复测量次数；
然后，按照所述的传感光纤铺设方式T[x,y,z]，分别计算第一传感阵列对应的相位延迟向量
Figure BDA0002376572160000071
和第二传感阵列对应的相位延迟向量
Figure BDA0002376572160000072
其中
Figure BDA0002376572160000073
分别表示第i个信号源与第一传感阵列和第二传感阵列的方位角，
Figure BDA0002376572160000074
分别表示第i个信号源与第一传感阵列和第二传感阵列的俯仰角，并按照下列方程计算信号源空间能量分布函数
Figure BDA0002376572160000075
Figure BDA0002376572160000076
Figure BDA0002376572160000077
其中，第i个信号源与第一传感阵列的方位向量
Figure BDA0002376572160000078
和第i个信号源与第二传感阵列的方位向量
Figure BDA0002376572160000079
分别通过对所述空间能量分布函数
Figure BDA00023765721600000710
进行极大值搜索计算而得；
最后，通过对所述第一信号组和所述第二信号组对应的方向向量按照以下公式计算即可得出第i扰动源的三维空间坐标，
Figure BDA00023765721600000711
所述的光纤铺设方式T[x,y,z]包括二维空间铺设方式、三维空间铺设方式中的一种。
在另一优选例中，所述的二维空间铺设方式包括双平行光纤铺设结构、类S形弯曲光纤铺设结构中的一种。
在另一优选例中，所述的三维空间铺设方式为双层双平行光纤铺设结构。
本发明的特点和优点在于：
1、本发明基于高空间分辨率分布式光纤声传感器，其空间分辨率为厘米或毫米级，保证了一定空间尺度下，传感单元数量更多。
2、本发明将传感单元沿轴向划分为很多个子单元，每个子单元中含成千上百个传感单元，通过将每个子单元中的众多传感单元检测到的声场信号合并为一个新声场信号输出，实现信号增强并能有效抑制传感器和环境中的噪声，同时解决干涉衰落等问题，大大提升传感系统的信噪比和灵敏度，能将子单元的传感灵敏度提升两到三个量级，解决分布式光纤传感器由于散射信号弱而导致的灵敏度受限的问题。
3、经过信号增强的子单元灵敏度比分布式光纤声波传感器提升了两到三个量级，可作为独立的高灵敏度传感器，且其空间尺寸仍仅为米或亚米级，可以构成新的高灵敏度传感器阵列，在不需要更感传感光纤结构的基础上，实现信号源的方位角估计和空间定位。
附图说明
图1为本发明系统基本结构简图；
图2为本发明信号处理方法；
图3基于扫频脉冲和脉冲压缩技术的分布式光纤传感器示意图；
图4为采用迈克尔逊干涉仪结构的光频域反射计示意图；
图5为基于超窄脉冲和相干探测的相位敏感光时域反射计示意图。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
该系统基本结构如图1所示，至少包含高空间分辨率分布式光纤声传感器1、传感光纤2，分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N，分布式光纤声传感器与传感光纤连接，并向所述传感光纤发射探测光脉冲，收集所述传感光纤沿线感知的信号源3声场并进行解调，分布式光纤声传感器采用基于扫频脉冲和脉冲压缩技术的分布式光纤传感器，如图3所示，扫频脉冲的范围为10GHz，空间分辨率为1cm，传感光纤为SM-28普通单模光纤/缆。基于扫频脉冲和脉冲压缩技术的分布式光纤传感器包括单频窄线宽激光器6-1、第一光纤耦合器6-2、线性调频脉冲调制模块6-3、环形器6-4、传感光纤接口101、第二光纤耦合器6-5、分偏振相干探测单元6-6、数据采集单元6-7和数字信号处理单元6-8。所述的单频窄线宽激光器6-1输出的单频窄线宽激光，经过所述的第一光纤耦合器6-2的第一端口201分别输出到第一光纤耦合器6-2的第二端口202和第三端口203，所述的第一光纤耦合器6-2的第二端口202连接至线性调频脉冲调制模块6-3，所述的线性调频脉冲调制模块6-3将连续光调制成线性调频光脉冲，并与所述的环形器6-4的第一端口401相连，所述的环形器6-4的第二端口402与所述的传感光纤接口101相连，所述的环形器6-4的第三端口403和所述的第一光纤耦合器6-2的第三端口203与所述的第二光纤耦合器6-5的第一端口501和第三端口503相连，所述的第二光纤耦合器6-5的第二端口502和第四端口504与所述的分偏振相干探测单元6-6输入端口相连，所述的分偏振相干探测单元6-6的输出端口与所述的数据采集单元6-7输入端口相连，所述的数据采集单元6-7与所述的数字信号处理单元6-8相连，所述的数字信号处理单元6-8实现脉冲压缩处理和信号解调等。
空间相干合并方法采用延迟求和的波束形成算法，子单元增强后作为高灵敏度分布式光纤声传感器，不进行信号源方位角估计和空间定位，实施步骤如下(图2所示)：
1)高空间分辨率分布式光纤声传感器与传感光纤连接，并向所述传感光纤发射探测光脉冲，收集所述传感光纤沿线感知的信号源声场并进行定量化解调，获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；
2)高空间分辨率分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N；其中，第m个子单元中N个传感单元采集到的声场信号为：
[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]，简写为[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]，其中，1≤m≤M，l0表示光纤起始位置，Δz为相邻两个传感单元之间的间距，Δz的最小值由分布式光纤声传感器的空间分辨率所决定，本发明中分布式光纤声传感器的空间分辨率为厘米级或者更高，N约为数十或上百，每个子单元的空间尺度为米级或亚米级；
3)根据各个子单元中每个传感单元的空间位置信息，计算信号源关于子单元内每个传感单元的时间延迟向量，例如，信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
或相位延迟量
Figure BDA0002376572160000091
其中，p＝1,2,…,P，P表示信号源个数；
4)根据信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
计算延迟补偿权重，
Wp(Δτ)＝[-Δτm,1 -Δτm,2…-Δτm,N]
对于第p个信号源，其增强信号按照以下方式计算得到：
S'm＝Wp·[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]T
其中T表示转置运算，其他P-1个信号源和环境噪声可以得到抑制，且其抑制信号效果受整个子单元内传感单元数量限制。第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号经过上述阵列信号处理增强后，可以有效抑制环境噪声，降低传感系统的底噪，提升传感系统的信噪比和灵敏度，且可以同时解决光纤传感系统中干涉衰落等问题。其中，第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]经过阵列信号处理增强后生成信号S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)，简写为S'm，则M个子单元经过阵列信号处理增强后得到的新声场信号为[S'1,S'2,...S'm,...S'M]；
5)各个子单元可以作为独立的高灵敏度传感器进行感知，还可以根据需要再次重复类似步骤3)和4)的过程，进一步实现信号增强。
实施例2
分布式光纤声传感器采用迈克尔逊干涉仪结构的光频域反射计，如图4所示，线性扫频激光器的扫频范围为100GHz,传感器的空间分辨率约为1mm，传感光纤为SM-28普通单模光纤/缆。所述的光频域反射计结构采用迈克尔逊干涉仪结构，包括频率可调谐激光器7-1、光纤耦合器7-2、光纤反射端面7-3、光电探测器7-4、数据采集单元7-5、数字信号处理单元7-6、传感光纤接口101。所述的频率可调谐激光器7-1输出线性调频激光，经过所述的光纤耦合器7-2的第一端口201分别输出到光纤耦合器7-2的第二端口202及第四端口204，所述的光纤耦合器7-2的第四端口204连接至所述的光纤反射端面7-3，所述的光纤耦合器7-2的第二端口202连接至传感光纤接口101，所述的光纤耦合器7-2的第三端口203连接至所述的光电探测器7-4，光电探测器7-4输出的信号连接至数据采集单元7-5，所述的数据采集单元7-5连接至所述的数字信号处理单元7-6。
空间相干合并方法采用延迟求和的波束形成算法，子单元增强后组成新的阵列用于进行信号源的二维空间谱估计，实施步骤如下：
1)高空间分辨率分布式光纤声传感器与传感光纤连接，并向所述传感光纤发射探测光脉冲，收集所述传感光纤沿线感知的信号源声场并进行定量化解调，获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；
2)高空间分辨率分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N；其中，第m个子单元中N个传感单元采集到的声场信号为：
[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]，简写为[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]，其中，1≤m≤M，l0表示光纤起始位置，Δz为相邻两个传感单元之间的间距，Δz的最小值由分布式光纤声传感器的空间分辨率所决定，本发明中分布式光纤声传感器的空间分辨率为厘米级或者更高，N约为数十或上百，每个子单元的空间尺度为米级或亚米级；
3)根据各个子单元中每个传感单元的空间位置信息，计算信号源关于子单元内每个传感单元的时间延迟向量，例如，信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
或相位延迟量
Figure BDA0002376572160000111
其中，p＝1,2,…,P，P表示信号源个数；
4)根据信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
计算延迟补偿权重，
Wp(Δτ)＝[-Δτm,1 -Δτm,2…-Δτm,N]
对于第p个信号源，其增强信号按照以下方式计算得到：
S'm＝Wp·[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]T
其中T表示转置运算，其他P-1个信号源和环境噪声可以得到抑制，且其抑制信号效果受整个子单元内传感单元数量限制。第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号经过上述阵列信号处理增强后，可以有效抑制环境噪声，降低传感系统的底噪，提升传感系统的信噪比和灵敏度，且可以同时解决光纤传感系统中干涉衰落等问题。其中，第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]经过阵列信号处理增强后生成信号S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)，简写为S'm，则M个子单元经过阵列信号处理增强后得到的新声场信号为[S'1,S'2,...S'm,...S'M]；
5)二维空间谱估计主要步骤如下：
首先，从步骤4)生成的新声场信号中选取Mx个子单元的增强后的一个新声场信号
Figure BDA0002376572160000121
该声场信号是沿光纤分布的；
其次，在三维空间内设立坐标系(x,y,z)，按照传感光纤的特定铺设方式T[x,y,z]，对
Figure BDA0002376572160000122
进行坐标系转换，S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)转换后为S”m(xm,ym,zm,t)，简写为S”m，即
Figure BDA0002376572160000123
经过坐标转换后为
Figure BDA0002376572160000124
然后，计算上述声场信号的协方差矩阵，
Figure BDA0002376572160000125
K为所述的高空间分辨率分布式光纤声传感器重复测量次数；
然后，对协方差矩阵R”进行特征值分解得到噪声子空间En，按照所述传感光纤铺设方式T[x,y,z]，计算传感阵列对应的信号子空间Es(θi,ri)，其中θi表示第i个信号源的方位角，ri表示第i个信号源到传感阵列中心位置的直线距离，并按照下列关系计算损失函数，
Figure BDA0002376572160000126
其中，H表示共轭转置，信号源相对所述传感阵列的方位向量(θi,ri)通过对所述损失函数进行极大值搜索计算而得；
最后，第i个信号源的二维空间坐标按照下列关系计算，
xi＝risinθi,yi＝ricosθi。
实施例3
分布式光纤声传感器采用基于超窄脉冲和相干探测的相位敏感光时域反射计，如图5所示，传感光纤为SM-28普通单模光纤/缆传感光纤为SM-28普通单模光纤/缆。基于超窄脉冲和相干探测的相位敏感光时域反射计包括单频窄线宽激光器8-1、第一光纤耦合器8-2、第二光纤耦合器8-6、超窄脉冲调制器8-3、光放大器8-4、光纤环形器8-5、双平衡光电探测器8-7、数据采集单元8-8、数字信号处理单元8-9、传感光纤接口101，所述的单频窄线宽激光器8-1的激光输入至第一光纤耦合器8-2的第一端口201，后经过第一光纤耦合器8-2的第二端口202和第三端口203分别连接到超窄脉冲调制器8-3和第二光纤耦合器8-6的第三端口603，所述的超窄脉冲调制器8-3的输出连接到光放大器8-4，所述的光放大器8-4的输出连接到所述的光纤环形器8-5的第一端口501，再经第二端口502输出并连接到传感光纤接口101，所述的光纤环形器8-5的第三端口503连接至第二光纤耦合器8-6的第一端口601，所述的第二光纤耦合器8-6的经过第二端口602和第四端口604输出连接至双平衡光电探测器8-7，所述的双平衡探测器8-7的输出信号连接至数据采集单元8-8进行放大，后输入数字信号处理单元12-8。
空间相干合并方法采用延迟求和的波束形成算法，子单元增强后作为高灵敏度分布式光纤声传感器，不进行信号源方位角估计和空间定位，实施步骤如下：
1)高空间分辨率分布式光纤声传感器与传感光纤连接，并向所述传感光纤发射探测光脉冲，收集所述传感光纤沿线感知的信号源声场并进行定量化解调，获得声场分布信号S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；
2)高空间分辨率分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N；其中，第m个子单元中N个传感单元采集到的声场信号为：
[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]，简写为[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]，其中，1≤m≤M，l0表示光纤起始位置，Δz为相邻两个传感单元之间的间距，Δz的最小值由分布式光纤声传感器的空间分辨率所决定，本发明中分布式光纤声传感器的空间分辨率为厘米级或者更高，N约为数十或上百，每个子单元的空间尺度为米级或亚米级；
3)根据各个子单元中每个传感单元的空间位置信息，计算信号源关于子单元内每个传感单元的时间延迟向量，例如，信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
或相位延迟量
Figure BDA0002376572160000131
其中，p＝1,2,…,P，P表示信号源个数；
4)根据信号源关于第m个子单元内每个传感单元的时间延迟向量为
ap(Δτ)＝[Δτm,1 Δτm,2…Δτm,N]
计算延迟补偿权重，
Wp(Δτ)＝[-Δτm,1 -Δτm,2…-Δτm,N]
对于第p个信号源，其增强信号按照以下方式计算得到：
S'm＝Wp·[Sm,1,Sm,2,…Sm,N]T
其中T表示转置运算，其他P-1个信号源和环境噪声可以得到抑制，且其抑制信号效果受整个子单元内传感单元数量限制。第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号经过上述阵列信号处理增强后，可以有效抑制环境噪声，降低传感系统的底噪，提升传感系统的信噪比和灵敏度，且可以同时解决光纤传感系统中干涉衰落等问题。其中，第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]经过阵列信号处理增强后生成信号S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)，简写为S'm，则M个子单元经过阵列信号处理增强后得到的新声场信号为[S'1,S'2,...S'm,...S'M]。
5)各个子单元可以作为独立的高灵敏度传感器进行感知，还可以根据需要再次重复类似步骤3)和4)的过程，进一步实现信号增强。
虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如激光器的工作波段可以替换为其它波段；环形器可用耦合器替代，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种分布式光纤声传感系统，其特征在于：包括分布式光纤声传感器、传感光纤；所述分布式光纤声传感器与传感光纤连接，并向所述传感光纤发射探测光脉冲，收集所述传感光纤沿线感知的信号源的声场并进行解调；所述分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N，各个子单元中传感单元用于将探测得到的声场信号进行空间相干合成；所述分布式光纤声传感器的空间分辨率为厘米级或者更高。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤声传感系统，其特征在于：所述分布式光纤声传感器包括基于扫频脉冲和脉冲压缩技术的分布式光纤传感器、光频域反射计、基于超窄脉冲或相干探测的相位敏感光时域反射计中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤声传感系统，其特征在于：所述的信号源包括空气中、土壤中或水中振动而产生声波的物体中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤声传感系统，其特征在于：所述子单元个数10≤M≤1000。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤声传感系统，其特征在于：所述每个子单元的传感单元数量10≤N≤10000。
6.根据权利要求1所述的分布式光纤声传感系统，其特征在于：所述子单元的空间尺度为米级或亚米级。
7.一种分布式光纤声传感系统信号处理方法，特别是使用前述权利要求中的任一项所述的系统的信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：
1)分布式声场信号采集：所述分布式光纤声传感器所采集到的声场分布信号为S(l,t)，其中l表示传感光纤的一维轴向空间，t为时间；
2)子单元划分：所述分布式光纤声传感器在轴向上传感单元的总数量为L，按照轴向方向共分为M个子单元，每个子单元中的传感单元数量为N，且满足L＝M×N；其中，第m个子单元中N个传感单元采集到的声场信号为：
[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]，简写为[Sm,1,Sm,2,...Sm,N]，其中，1≤m≤M，l0表示光纤起始位置，Δz为相邻两个传感单元之间的间距，Δz的最小值由分布式光纤声传感器的空间分辨率所决定；
3)子单元内空间相干合成，实现信噪比和灵敏度增强：第m个子单元内N个传感单元采集到的声场信号[Sm(l0+(m-1)·N·Δz,t),Sm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t),...Sm(l0+(m-1)·N·Δz+(N-1)Δz,t)]经过空间相干合成算法增强后生成信号S'm(l0+(m-1)·N·Δz+Δz,t)，简写为S'm，则M个子单元经过阵列信号处理增强后得到的新声场信号为[S'1,S'2,...S'm,...S'M]；
4)作为独立的高灵敏度信噪比传感器或组成新阵列实现方位角估计和空间定位：各个子单元可以作为独立的高灵敏度传感器进行感知，同时，也可以从M个子单元中按照相邻或者一定间隔选取Mx个子单元作为一个新的传感阵列，M个子单元可以分为一个或多个传感阵列，新构成的传感阵列通过定向的阵列信号处理方法进行信号源的方位角估计或空间定位，也可以再次重复类似步骤3)的过程，实现信号增强。
8.根据权利要求7所述的分布式光纤声传感系统信号处理方法，其特征在于：所述的步骤3)中空间相干合成包含矢量叠加或波束形成阵列信号处理方法。
9.根据权利要求7所述的分布式光纤声传感系统信号处理方法，其特征在于：所述的步骤4)中进行方位角估计或空间定位的阵列信号处理方法为包括常规波束形成算法，空间谱估计算法或波达方向估计算法中的一种。
10.根据权利要求7所述的分布式光纤声传感系统信号处理方法，其特征在于：所述的对步骤3)实施的阵列信号处理方法为自适应空域滤波方法和/或延时求和方法。
11.根据权利要求10所述的分布式光纤声传感系统信号处理方法，其特征在于：所述的自适应空域滤波方法为最小方差无畸变响应波束形成器(MVDR)、线性约束最小方差波束形成器(LCMV)或广义旁瓣相消波束形成器(GSC)中的一种。
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