一种分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分布式光纤传感领域及信号处理领域，设及一种分布式光纤传感系统 散射迹线平坦化方法及装置。
【背景技术】
[0002] 分布式光纤传感技术是W光波作为载体，光纤作为媒质，感知传感光纤沿线外界 被测物理量的新型传感技术，具有长距离连续传感、损耗低、体积小、抗福射、耐腐蚀等众多 优点，得到了广泛的关注。利用光纤背向散射机制是实现长距离分布式光纤传感的重要手 段。但工程现场的气候和施工环境复杂多变，传感光缆所处条件恶劣，给分布式光纤传感系 统信号处理带来了很大的挑战。工程现场对分布式光纤传感系统的技术要求越来越高，主 要有信噪比高、环境适应能力强、连续无盲区传感等。
[0003] 目前，分布式光纤传感系统提高背向散射迹线信噪比的手段主要是降噪法，包括 平均降噪和小波降噪等。平均降噪是将多个光源脉冲周期内接收到的多条背向散射迹线进 行平均处理，来滤除信号中的随机噪声，对信号信噪比的提高有一定的帮助，但是具有效率 低、信号处理时间长W及不能有效地滤除散射迹线中固有的尖峰、凹谷和随时间缓慢变化 的环境噪声等缺点，不能满足工程现场的需求；小波降噪首先对散射迹线进行小波变换，然 后对变换得到的小波系数进行处理，W去除其中包含的噪声，最后进行小波逆变换得到去 噪后的信号，该方法虽然能够降低散射迹线的噪声，但具有算法复杂、占用资源多，处理时 间长等明显缺点，同样不能满足工程现场的要求。
[0004] 分布式光纤传感系统通常采用增加冗余光纤的方法来消除传感盲区，即在工程施 工时，在事先确定的光缆位置中增加一段冗余光纤W避开系统的传感盲区。该方法虽然能 够消除系统的传感盲区，但是通常情况下，一个盲区需额外地增加一段冗余光纤、两个光纤 烙接点和一个光纤接续盒，增加了光信号损耗，增加了施工难度和施工成本，降低了整个光 缆的性能和稳定性。如果系统有多个传感盲区，则该方法的缺点越明显。
【发明内容】
[0005] 技术问题；本发明提供一种能够将分布式光纤传感系统中光电探测器捕获的散射 迹线平坦化，消除散射迹线中固有的及随时间缓慢变化的尖峰和凹谷，使得传感光纤沿线 的灵敏度变得均匀，并方便系统对外界物理量探测的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化 方法。本发明还消除了系统的传感盲区，提高了系统传感的空间动态范围，并提高了信号的 信噪比，增强了系统对外界环境的适应能力。本发明同时提供一种实现上述方法的分布式 光纤传感系统散射迹线平坦化装置。
[0006] 技术方案：本发明的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化方法，包括W下步骤：
[0007] 1)同步信号发生模块连续产生触发信号并同时传送至光源驱动模块和模数转换 器，连续产生延时控制信号并发送给离散型数字延时器，所述触发信号的周期为T，光源驱 动模块接收到所述的触发信号后，产生宽度为T的电脉冲信号，且所述电脉冲信号的相位 与所述触发信号的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源，由光源产生宽度为T的光 脉冲信号并传输至光纤光路，所述光脉冲信号的相位与所述电脉冲信号的相位相同；
[000引 2)所述光纤光路接收光源产生的光脉冲信号后，产生背向散射光信号P(t)并 发送给光电探测器，所述光电探测器将捕获的背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信 号V(t)，并同时传输至模数转换器的信号输入接口和减法器的被减数信号输入接口，其中 V(t)与P(t)满足如下关系；
[0009] V(t) = GX a XP(t)
[0010] a和G分别为光电探测器的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻；
[0011] 3)所述的模数转换器在第i个触发信号的驱动下，对背向散射电信号V(t)作模 数转换，产生一列数字背向散射信号Ai (n)，并输出至离散型数字延时器，其中Ai (n)与V (t) 满足如下关系：
[001 引 Ai (n) = V ((i-1) X T+n X。
[0013] i为触发信号的序数并取值为1，2,3,…，n为数字背向散射信号的序数并取值为 0,1，2,…，Z-1，Z为模数转换器在触发信号周期T内的采样长度，Z与T满足： 了
[0014] Z 二一 S
[0015] S为模数转换器的采样周期；
[0016] 4)所述离散型数字延时器根据同步信号发生模块输出的延时控制信号控制延时 时间D，对数字背向散射信号Ai (n)作延时处理，产生一列延时数字背向散射信号Bj. (n)，并 输出至数模转换器，其中
[0017] D = NXT
[001 引 Bj (n) = Ai_N (n)
[0019] N为离散型数字延时器的延时周期数并取值为1，2, 3,…，j为延时数字背向散射 信号序列的序数并取值为1，2, 3,…，且j满足：
[0020] j = i-N
[0021] 5)所述的数模转换器对延时数字背向散射信号Bj.(n)作数模转换，产生延时背向 散射电信号C (t)，并输出至减法器的减数信号输入接口，其中C (t)满足：
[0022] C(t) = V(t-NXT)
[0023] 6)所述的减法器对接收到的背向散射电信号V(t)和延时背向散射电信号C(t)作 减法运算，并输出平坦化背向散射电信号Y(t)为：
[0024] Y (t) = V (t) -V (t-N X T)。
[0025] 本发明方法的优选方案中，同步信号发生模块产生的触发信号的周期T与光纤光 路的长度L满足如下关系： 2L
[0026] ^ =-
[0027] 其中Vg表示光在纤巧中的传播速度。
[002引本发明方法的优选方案中，离散型数字延时器的延时周期数N与同步信号发生模 块产生的触发信号的周期T满足如下关系：
[0029] N = INT{---) %00厂
[0030] 其中INT为四舍五入取整函数，即取最接近的整数值。
[0031] 本发明的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化装置，包括同步信号发生模块、光 源驱动模块、光源、光电探测器、模数转换器、离散型数字延时器、数模转换器、时钟信号发 生模块和减法器；
[0032] 所述同步信号发生模块的触发信号输出接口同时与光源驱动模块的控制接口和 模数转换器的控制接口连接，所述同步信号发生模块的控制信号输出接口与离散型数字延 时器的控制接口相连接，所述光源驱动模块的输出接口与光源的控制接口连接；所述光电 探测器的输出接口同时与模数转换器的信号输入接口和减法器的被减数信号输入接口连 接，所述模数转换器的数据输出接口与离散型数字延时器的数据输入接口相连，所述离散 型数字延时器的数据输出接口与数模转换器的数据输入接口相连，所述数模转换器的信号 输出接口与所述的减法器的减数信号输入接口相连；
[0033] 所述时钟信号发生模块的时钟输出接口同时与模数转换器、离散型数字延时器和 数模转换器的时钟输入接口连接；
[0034] 所述光源的输出作为整个装置的光输出接口，所述光电探测器的输入作为整个装 置的光输入接口，所述减法器的输出作为整个装置的信号输出接口。
[0035] 本发明装置的优选方案中，同步信号发生模块产生的触发信号的周期T与光纤光 路的长度L满足如下关系： T-化
[0036] ^ =- 、县。
[0037] 本发明装置的优选方案中，离散型数字延时器的延时周期数N与同步信号发生模 块产生的触发信号的周期T满足如下关系：
[003引 N 二 INT\ ---) %o()r
[0039] 其中INT为四舍五入取整函数，即取最接近的整数值。
[0040] 本发明装置的优选方案中，离散型数字延时器为现场可编程口阵列内部开设的先 进先出队列缓存。
[0041] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0042] 本发明将光电探测器接收到的散射迹线分成两路，一路信号延迟后与另一路信号 相减，通过控制离散型数字延时器的延时时间，巧妙地构成了一个合适的带通滤波器。
[0043] 本发明对低频信号具有显著的抑制效果，使得本发明能有效地抑制散射迹线中的 低频背景噪声，增强了系统对环境的适应能力。和平均降噪、小波降噪等传统去噪方法相 比，本发明具有结构简单、响应快和实时性好等优点。
[0044] 本发明能够消除由光纤光路结构带来的散射迹线中固有的尖峰或凹谷，方便了系 统对传感信号的提取。同时，本发明能够滤除由于传感光缆外界环境及光缆内部应力不均 等因素导致的散射迹线上随时间缓慢变化的凹凸，使得光缆沿线的传感灵敏度变得均匀。
[0045] 本发明对于特定频率范围内的信号具有增强作用，最高增益可达原来的2倍，能 够对分布式光纤传感系统所关屯、的频率范围内的信号更高效地传感，提高了系统传感的灵 敏度和系统的信噪比。
[0046] 本发明能够消除系统的传感盲区，使得系统在空间上能够进行连续的、不间断的 传感，提高了系统传感的空间动态范围。相比于传统的增加冗余光纤的方法，本发明不增加 任何冗余光纤、光纤烙接点和光纤接续盒，降低了施工的难度和成本，保证了传感光缆的性 能和稳定性。由于没有额外的光信号损耗，在其它各项条件相同的情况下，本发明的传感距 罔更长。
[0047] 本发明采用现场可编程口阵列内部开设的先进先出队列缓存来实现离散型数字 延时器，和传统的采用专用集成电路的方法相比，具有用户可编程、参数配置灵活、延时时 间可调范围大等优点。
【附图说明】
[0048] 图1为本发明提出的分布式光纤传感系统散射迹线平坦化装置的结构图；
[0049] 图2为带宽BW随NT乘积值的变化关系图；
[0050] 图3为不同NT取值下，幅频特性函数|H(j?) I随频率的变化关系图；
[0化1] 图4为光电探测器的硬件电路图；
[0化2]图5为模数转换器的硬件电路图；
[005引图6为现场可编程口阵列肿GA)的I/O BANK0的硬件电路图；
[0054] 图7为现场可编程口阵列肿GA)的I/O BANK1的硬件电路图；
[005引图8为现场可编程口阵列肿GA)的I/O BANK2的硬件电路图；
[0056] 图9为现场可编程口阵列肿GA)的I/O BANKS的硬件电路图；
[0057] 图10为现场可编程口阵列肿GA)的I/O BANK4的硬件电路图；
[005引 图11为现场可编程口阵列肿GA)的I/O BANKS的硬件电路图；
[0059] 图12为现场可编程口阵列肿GA)的电源接口硬件电路图；
[0060] 图13为现场可编程口阵列肿GA)的接地接口硬件电路图；
[0061] 图14为现场可编程口阵列肿GA)的GTP接口硬件电路图；