[发明专利]适用于复杂探测波形光纤瑞利散射传感系统的仿真方法

说明书

本发明涉及光纤传感测量领域，适用于复杂探测波形光纤瑞利散射传感系统的仿真方法，包括如下步骤：S1、通过探测光生成模块生成解析的复杂探测光；S2、利用光纤瑞利散射模型将光纤按时间间隔离散化，得到N个散射元；S3、根据散射元的位置计算每个散射元对应的散射信号的索引范围；S4、计算每个散射元对应的散射光场并叠加到对应索引范围的散射信号上；S5、使用瑞利散射光探测模型将得到的瑞利散射信号转换为传感信号；S6、将传感信号用于信号解调；解决现有仿真模型只能满足单频探测信号的光时域反射计的仿真且计算量大的技术问题。

技术领域

本发明涉及光纤传感测量领域，具体是指适用于复杂探测波形光纤瑞利散射传感系统的仿真方法。

背景技术

基于瑞利散射的分布式光纤传感系统是分布式传感领域中一个十分重要的分支，其具有测量精度高、测量点数多、测量距离长等优点。

近年来出现了各种各样的系统的改进方案，使用的探测信号和算法越来也越复杂，在实验中，对新方案的验证往往需要更复杂的装置、更好性能的设备来完成实验装置的搭建；同时也需要大量的时间来进行设备调试、采集数据等，这对于一个方案的原理性验证来说，显然代价太大，精确的瑞利散射型分布式光纤传感系统数值仿真模型可以十分方便的解决上述问题，此外，目前在分布式传感领域中，对于传感性能的提升逐渐到达各个系统的性能瓶颈，亟需分析各类系统的理论性能极限，精确的瑞利散射型分布式光纤传感系统数值仿真模型可以为系统的性能分析提供一种新的视角，在仿真的过程中，可将不同的器件理想化，以控制变量的方式来分析主要影响系统性能的因素，最后，近年来基于机器学习等方式的性能提升方法展示出了极大的潜力，但该方法需要大量的数据用于训练，精确的瑞利散射型分布式光纤传感系统数值仿真模型可以非常方便的产生大量的数据，用于模型的训练，综上可得，精确的瑞利散射型分布式光纤传感系统数值仿真模型对瑞利散射型分布式光纤传感系统的发展具有十分重要的意义。

目前已有几种简单的相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)的数值仿真模型，例如，2015年，俄罗斯圣彼得堡工业大学的研究人员提出相干光时域反射计的静态光纤模型，2017年，英国南安普顿大学研究人员在此基础之上建立的基于3×3相位解调的Φ-OTDR仿真模型，2020年，挪威AS研究中心的研究人员提出基于折射率扰动的Φ-OTDR仿真模型，上述三种模型都使用了相同的瑞利散射光场叠加模型，通过相移来代替散射元的时移，使得这三种方法只能适用于单频脉冲的Φ-OTDR系统，当探测脉冲比较复杂时，上述模型无法得到正确的瑞利散射信号，且只能用于光时域反射计的仿真，无法实现光频域、相关域等系统的仿真，同时，上述模型需要通过两重循环才能完成一次仿真：首先对光纤的所有散射元进行遍历；然后以散射元为中心，对探测脉冲的所有点进行一次遍历，所以这种方法是十分耗时的，除此之外，还有研究者提到使用快速卷积的算法来得到瑞利散射信号，这种方式通过散射信号的相移来模拟扰动引起的光程变化，所以只能适用于线性相位的探测信号。

由此可见，有必要提出适用于复杂探测波形光纤瑞利散射传感系统的仿真方法，既准确又快速地得到瑞利散射的光场。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了适用于复杂探测波形光纤瑞利散射传感系统的仿真方法，解决现有仿真模型只能满足单频探测信号的光时域反射计的仿真且计算量大的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

适用于复杂探测波形光纤瑞利散射传感系统的仿真方法，包括如下步骤：

S1、通过探测光生成模块生成解析的复杂探测光；

S2、利用光纤瑞利散射模型将光纤按时间间隔离散化，得到N个散射元；

S3、根据散射元的位置计算每个散射元对应的散射信号的索引范围；

S4、计算每个散射元对应的散射光场并叠加到对应索引范围的散射信号上；