[发明专利]基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传感和解调方法

说明书

本发明涉及一种基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传感和解调方法，包括下列步骤：在待测光纤上没有施加扰动和施加扰动时，分别利用光频域反射系统测量得到一组波长域拍频信号；利用去斜滤波进行非线性相位补偿得到参考光谱和测量光谱；利用快速傅里叶变换从波长域转换到距离域；利用滑动窗进行分段；利用快速逆傅里叶变换获得局部参考瑞利散射光谱和局部测量瑞利散射光谱；利用小波去噪降噪处理；计算非相似度；得到相对欧氏距离随滑动窗位置的归一化曲线；低通滤波；定位扰动点。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感仪器技术领域，具体涉及一种基于瑞利散射光谱非相似性的分布式扰动传 感和解调方法。

背景技术

分布式的光纤扰动传感方法在诸多领域有着广泛的应用，比如在入侵探测、油气管道监测、通信光缆 的监测等。光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)技术，作为分布式光纤传感的一种， 具有抗电磁干扰、强适应性、定位精度高、灵敏度高等优点，其在扰动传感方面有着很大的优势。基于瑞 利散射光谱分析的OFDR技术以及被广泛用于短距离扰动的测量中，并且具有很高的测量灵敏度和空间分 辨率。但是在将其应用与长距离扰动的测量中，由于光纤中背向瑞利散射本身就很微弱，再加上环境随机 噪声的影响也逐渐增大，对瑞利散射光谱信号会产生很大影响，使得在长距离下进行分布式的扰动传感并 要保证较高的空间分辨率就变得困难。在现有基于OFDR技术实现长距离光纤扰动分布式传感方法中，刘 铁根等人^[1]将不同时刻的外界扰动的瑞利散射光谱进行比较，根据互相关系数和相关图的噪声水平判断传 感光纤上是否存在扰动，该方法的测试距离可达120km-150km，但其并未提及空间分辨率的情况；杜阳等 人^[2]在光频域上利用互相关分析的方法对信号扰动状态下的相似水平作评价，可以实现92.03km光纤末端 双点扰动的定位，其空间分辨率只能达到26.7m；丁振扬等人^[3]通过在光频域计算瑞利散射光谱的频移定 位第一个扰动点，在距离域寻找瑞利散射信号的凹陷波谷定位第二个扰动点，该方法需要同时在波长域和 距离域作处理，定位算法复杂，且空间分辨率只能达到13.3m。

光纤中的瑞利散射是由于光纤中随机波动的折射率产生的。对于一段光纤，其瑞利散射的幅度或折射 率是随距离随机变化的，但这种变化又是相对静态的特征信息，瑞利散射可以理解为光纤的“指纹”。通过 OFDR的拍频干涉信号得到这种空间分布的“指纹”，然后通过这些指纹信息发生的变化就可以得到沿光纤 上的扰动信息。当在光纤上某点处产生扰动时，将会导致该点处光纤折射率发生变化，由于光弹效应，此 处产生的背向瑞利散射光的相位也会发生变化，从而引起背向瑞利散射光强度发生变化，在瑞利散射光谱 上会出现频移。因此，无扰动的参考瑞利散射光谱和有扰动的测量瑞利散射光谱在扰动点处的相似度会很 低，即非相似度很高。通过计算参考瑞利散射光谱和测量瑞利散射光谱的非相似度得到非相似度变化大的 点就可以定位为扰动点。当光纤上存在两个及以上扰动点时，后扰动点处的背向瑞利散射同样会受到前扰 动点处的扰动影响，因此后扰动点处的非相似度会在前扰动点处的非相似度基础上出现一个阶跃的变化， 非相似度曲线在后扰动点会出现幅度的叠加。因此在理论上，通过非相似度变化可以定位两点及以上的扰 动。

由于光纤中的瑞利散射非常微弱，以至于非常容易被一些随机噪声淹没掉，因此在长距离光纤分布式 扰动传感中，随机噪声对于扰动点定位的影响是非常大的，利用一些去噪算法对其进行处理是非常有必要 的。同时如果取光纤某一段“指纹”信息，其包含数个甚至上百个数据点，这样也可以降低随机噪声对扰动 点定位的影响。

参考文献：

[1]丁振扬，刘铁根，刘琨，江俊峰，杨迪，一种长距离光频域反射光纤分布式多点扰动传感方法，2019.5.28， 中国，ZL201710185731.1

[2]杜阳.基于OFDR的分布式光纤多参量传感方法研究[D].天津大学,2016.