一种用于光纤分布式传感系统的信号解调方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于光纤分布式传感系统的信号解调方法及装置，获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号；将获得的光脉冲编码序列及卷积后的信号，分别通过傅立叶变换至频域，根据变换后的光脉冲编码序列及卷积后的信号，计算得到在频域下待测光纤的冲激响应；通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，得到待测光纤的冲激响应。本发明用于光纤分布式传感系统的信号解调方法及装置，采用一次脉冲输入，根本不用考虑互补格雷码自相关之和是不是冲激响应这一条件，故降低了解调误差。
【专利说明】
一种用于光纤分布式传感系统的信号解调方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于信号解调技术领域，具体涉及一种用于光纤分布式传感系统的信号解 调方法及装置。
【背景技术】
[0002] 光纤分布式传感系统以光波为传感信号，以光纤为传输介质，能够感知和解调外 界被测物理量随时间和空间的连续分布信息，由于光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯 曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别是能够适合在易燃、易爆及强电磁干扰等恶劣环境下 使用，使得它在未来智能电网，油田管线安全监控，通信线路入侵预警等重要领域具有广泛 的应用需求。光纤分布式传感技术分为基于瑞利散射，基于拉曼散射，基于布里渊散射的传 感技术。
[0003] 光纤分布式传感技术朝着更远的传感距离以及更高的空间分辨率两个方向发展。 光脉冲编码则是提升系统传感距离的一个重要方式。光脉冲编码技术的核心思想，是使用 特定规律的由强度调制的码元"1"和"〇"组成的长度为L光脉冲编码序列（通常可分为 Simplex编码和互补格雷编码），来代替传感方案中的单个栗浦脉冲，再将解调到的响应曲 线使用对应的解码方式进行解码，在不改变测量时间的前提下提升系统信噪比，进而延长 传感距离。光脉冲编码技术被广泛应用在各种光纤传感系统中，如光时域反射(0IDR)、拉曼 光时域反射(R01DR)、布里渊光时域反射(B0TDR)、布里渊光时域分析(B0TDA)。
[0004] 以双极性格雷码为例，编码过程如下:通过特定规律生成两个编码长度均为L且均 由码元T和"-1"组成的互补格雷编码光脉冲序列A k和Bk。在0TDR、R0TDR、B0TDR中由于光脉 冲不能为负，所以Ak又由相应的由码元"1"和码元"0"组成的A kl，Ak2做差得到，Bk又由相应的 由码元"1"和码元"0"组成的B kl，Bk2做差得到。在B0TDA中可以由增益型脉冲和衰减型脉冲 构成T和"-1"码。A k和Bk的关系应满足：
[0005] Ak*Ak+Bk*Bk = 2L5k (1)
[0006] 其中*表示相关算符，如图1所示。而Sk表示离散冲激函数，表达式为：
[0008] 将设计好的互补格雷编码光脉冲序列Ak和Bk分别入射光纤，与光纤的冲激响应hk 进行卷积后，分别得到两组不同的响应，即4 ?心和凡?4。
[0009] 对应上述编码过程的光纤冲激响应hk的解调过程如下:将上述两组不同的响应分 别与对应的原始互补格雷编码序列A k和Bk进行相关操作，并将相关操作后的两组响应求和， 即可得到信噪比提升的光纤冲激响应，表达式为：
[0011] 根据互补格雷序列的特性，二者的自相关函数的主峰相同，且旁瓣互补。自相关函 数求和得到传感函数之后，主峰的幅值加倍，而旁瓣却相互抵消。
[0012] 但是在实际的应用系统中，如图2所示，激光器发出的激光，通过由波形发生器 (AWG)控制的电光调制器(E0M)，形成编码后的脉冲。经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大之后， 经过环行器进入待测光纤中。
[0013] EDFA在对光脉冲放大时，对于连续的光脉冲不能保证相同的增益放大，因此在经 过EDFA后，较后的光脉冲幅值会较低，出现不同位置的码元功率不一致，如图3所示。此时难 以保证公式（1 )，如图4所示，从而在解调时，互补格雷码自相关之和不是冲激响应而是在冲 激响应旁边出现的旁瓣，导致测量误差。以20km光纤的冲激响应为图5进行模拟。经过解调 后，得到的响应为图6。可以发现解调后出现了很大抖动，解调误差会比较大。
【发明内容】
[0014] 本发明实施例的目的在于提供一种用于光纤分布式传感系统的信号解调方法及 装置，以降低对光纤冲激响应的解调误差。
[0015] 为达到上述目的，本发明实施例公开了，一种用于光纤分布式传感系统的信号解 调方法，包括以下步骤：
[0016] 获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信 号；
[0017] 将获得的光脉冲编码序列及卷积后的信号，分别通过傅立叶变换至频域，根据变 换后的光脉冲编码序列及卷积后的信号，计算得到在频域下待测光纤的冲激响应；
[0018] 通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，得到待测 光纤的冲激响应。
[0019] 优选的，所述的计算得到在频域下待测光纤的冲激响应，计算公式为：
，，其 中，H代表在频域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序 列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序 列。
[0020] 优选的，所述的通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至 时域，计算公式为：
，其中，h代表在时域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立 叶变换到频域后的光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立 叶变换到频域后的光脉冲编码序列。
[0021] 优选的，所述的待测光纤的光脉冲编码序列为：原始光脉冲编码序列通过掺饵光 纤放大器进行放大处理后的光脉冲编码序列。
[0022] 优选的，所述的原始光脉冲编码序列为:采用互补格雷编码得到的两个光脉冲编 码序列中的任意一个。
[0023] 本发明实施例还公开了，一种用于光纤分布式传感系统的信号解调装置，包括，
[0024] 信号获得模块，获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲编码序列与待测光纤的冲激 响应卷积后的信号；
[0025] 信号变换模块，将获得的光脉冲编码序列及卷积后的信号，分别通过傅立叶变换 至频域，根据变换后的光脉冲编码序列及卷积后的信号，计算得到在频域下待测光纤的冲 激响应；
[0026] 信号逆变换模块，通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换 至时域，得到待测光纤的冲激响应。
[0027] 优选的，所述的计算得到在频域下待测光纤的冲激响应，计算公式为
?其 中，H代表在频域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序 列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序 列。
[0028] 优选的，所述的通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至 时域，计算公式为：
，其中，h代表在时域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立 叶变换到频域后的光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立 叶变换到频域后的光脉冲编码序列。
[0029] 优选的，所述的待测光纤的光脉冲编码序列为:将原始光脉冲编码序列通过掺饵 光纤放大器进行放大处理后的光脉冲编码序列。
[0030] 优选的，所述的原始光脉冲编码序列为:采用互补格雷编码得到的两个光脉冲编 码序列中的任意一个。
[0031 ]由上述的技术方案可见，本发明实施例通过获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲 编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号；将获得的光脉冲编码序列及卷积后的信 号，分别通过傅立叶变换至频域，根据变换后的光脉冲编码序列及卷积后的信号，计算得到 在频域下待测光纤的冲激响应;通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应 变换至时域，得到待测光纤的冲激响应。由于本发明采用一次脉冲输入，根本不用考虑互补 格雷码自相关之和是不是光纤冲激响应这一条件，故降低了解调误差。
[0032] 当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优 点。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1是【背景技术】中采用互补格雷编码示意图；
[0035]图2是【背景技术】中信号解调的应用系统图；
[0036] 图3是所述应用系统中经过EDFA放大后脉冲功率不一致的编码光脉冲；
[0037] 图4是所述应用系统中经过EDFA后的格雷编码光脉冲自相关求和；
[0038]图5是【背景技术】中模拟时采用的原始传递函数；
[0039]图6是对图5所述原始传递函数通过格雷解调后的传递函数；
[0040]图7是本发明实施例一的流程图；
[0041 ]图8是本发明实施例一中光脉冲编码与光纤冲激响应卷积之后的信号图；
[0042]图9是采用本发明实施例一方法模拟时采用的原始传递函数；
[0043]图10是对图9所述原始传递函数解调后的传递函数；
[0044]图11是本发明实施例二的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046] 实施例一
[0047] 本发明用于光纤分布式传感系统的信号解调方法的一种实施例，可应用于图2所 示的场景中，步骤如图7所示，包括以下步骤：
[0048]步骤701:获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷 积后的彳目号；
[0049] 应该说明的是，所述的光脉冲编码序列，可以为任意一种编码方式生成的任意一 个光脉冲编码序列。
[0050] 优选的，所述的光脉冲编码序列，为采用互补格雷编码得到的两个光脉冲编码序 列中的任意一个。
[0051] 优选的，获得光脉冲编码序列的方法，为现有技术中通常采用的方法，具体为：一 激光器发出的激光，通过由任意波形发生器控制的电光调制器，形成编码后的脉冲。编码后 的脉冲经过掺铒光纤放大器放大之后由光电探测器进行接收，光电探测器将编码后的脉冲 变为电信号，电信号传递给示波器中进行显示，再由计算机获得光脉冲编码序列。
[0052] 优选的，获得光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号的方法，为现 有技术中通常采用的方法，具体为:经过掺铒光纤放大器放大后的光脉冲编码序列，经过环 行器进入待测光纤中，光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号由光电探测器 进行接收，光电探测器将所述的卷积后的信号变为电信号，电信号传递给示波器中进行显 示，再由计算机获得卷积后的信号，如图8所示。
[0053]步骤702:将所述获得的光脉冲编码序列及所述卷积后的信号，通过傅立叶变换至 频域，计算得到在频域下待测光纤的冲激响应；
[0054]所述计算得到在频域下待测光纤的冲激响应，计算公式为：
，其中，H代表在 频域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列与待测光 纤的冲激响应卷积后的信号，^代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列。
[0055]应该说明的是，所述的傅立叶变换过程是在计算机中完成的。傅立叶变换为本领 域技术人员公知的常识，故省略详细说明。
[0056]步骤703:通过傅立叶逆变换将所述在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，得 到待测光纤的冲激响应。
[0057]所述通过傅立叶逆变换将所述在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，计算公 式为：
u其中，h代表在时域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频 域后的光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立叶变换到频 域后的光脉冲编码序列。
[0058]应该说明的是，所述的傅立叶逆变换过程是在计算机中完成的。傅立叶逆变换为 本领域技术人员公知的常识，故省略详细说明。
[0059] 以20km光纤的传递函数为图9进行模拟，采用本实施例方法进行信号解调得到的 传递函数如图10所示，可以看出误差很小。
[0060] 采用上述实施例，可以达到以下有益效果:对编码格式不作要求，可用于各种编码 的解调，只需确定一个编码序列即可;在光脉冲编码序列经过掺饵光纤放大器放大的条件 下，本实施例采用一次脉冲输入，根本不用考虑互补格雷码自相关之和是不是光纤冲激响 应这一条件，故降低了解调误差。
[0061 ] 实施例二
[0062] 本发明用于光纤分布式传感系统的信号解调装置的一种实施例，如图11所示，包 括，
[0063] 信号获得模块111，获得一个光脉冲编码序列、及所述光脉冲编码序列与待测光纤 的冲激响应卷积后的信号；
[0064] 应该说明的是，所述的光脉冲编码序列，可以为任意一种编码方式生成的任意一 个光脉冲编码序列。
[0065] 优选的，所述的光脉冲编码序列，为采用互补格雷编码得到的两个光脉冲编码序 列中的任意一个。
[0066] 优选的，获得光脉冲编码序列的方法，为现有技术中通常采用的方法，具体为：一 激光器发出的激光，通过由任意波形发生器控制的电光调制器，形成编码后的脉冲。编码后 的脉冲经过掺铒光纤放大器放大之后，由计算机获得。
[0067] 优选的，获得光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号的方法，为现 有技术中通常采用的方法，具体为:经过掺铒光纤放大器放大后的光脉冲编码序列，经过环 行器进入待测光纤中，光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号由光电探测器 进行接收，光电探测器将所述的卷积后的信号变为电信号，电信号传递给示波器中进行显 示，再由计算机获得卷积后的信号。
[0068] 信号变换模块112,将所述获得的光脉冲编码序列及所述卷积后的信号，通过傅立 叶变换至频域，计算得到在频域下待测光纤的冲激响应；
[0069] 所述计算得到在频域下待测光纤的冲激响应，计算公式为：
，其中，H代表在 频域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列与待测光 纤的冲激响应卷积后的信号，^代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列。
[0070]应该说明的是，所述的傅立叶变换过程是在计算机中完成的。傅立叶变换为本领 域技术人员公知的常识，故省略详细说明。
[0071]信号逆变换模块113,通过傅立叶逆变换将所述在频域下待测光纤的冲激响应变 换至时域，得到待测光纤的冲激响应。
[0072]所述通过傅立叶逆变换将所述在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，计算公 式为
，其中，h代表在时域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频 域后的光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立叶变换到频 域后的光脉冲编码序列。
[0073]应该说明的是，所述的傅立叶逆变换过程是在计算机中完成的。傅立叶逆变换为 本领域技术人员公知的常识，故省略详细说明。
[0074]需要说明的是，在本文中，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。
[0075] 本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实 施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例 的部分说明即可。
[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围 内。
【主权项】
1. 一种用于光纤分布式传感系统的信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤： 获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号； 将获得的光脉冲编码序列及卷积后的信号，分别通过傅立叶变换至频域，根据变换后 的光脉冲编码序列及卷积后的信号，计算得到在频域下待测光纤的冲激响应； 通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，得到待测光纤 的冲激响应。2. 根据权利要求1所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调方法，其特征在于，所述 的计算得到在频域下待测光纤的冲激响应，计算公式为：，其中，H代表在频域下待 测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列与待测光纤的冲激 响应卷积后的信号，^代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列。3. 根据权利要求2所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调方法，其特征在于，所述 的通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，计算公式为：，其中，h代表在时域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的 光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立叶变换到频域后的 光脉冲编码序列。4. 根据权利要求1-3任意一项所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调方法，其特 征在于，所述的待测光纤的光脉冲编码序列为：原始光脉冲编码序列通过掺饵光纤放大器 进行放大处理后的光脉冲编码序列。5. 根据权利要求4所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调方法，其特征在于，所述 的原始光脉冲编码序列为:采用互补格雷编码得到的两个光脉冲编码序列中的任意一个。6. -种用于光纤分布式传感系统的信号解调装置，其特征在于，包括， 信号获得模块，获得一个光脉冲编码序列、及光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应 卷积后的信号； 信号变换模块，将获得的光脉冲编码序列及卷积后的信号，分别通过傅立叶变换至频 域，根据变换后的光脉冲编码序列及卷积后的信号，计算得到在频域下待测光纤的冲激响 应； 信号逆变换模块，通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至时 域，得到待测光纤的冲激响应。7. 根据权利要求6所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调装置，其特征在于，所述 的计算得到在频域下待测光纤的冲激响应，计算公式为：，.其中，H代表在频域下待 测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列与待测光纤的冲激 响应卷积后的信号，^代表通过傅立叶变换到频域后的光脉冲编码序列。8. 根据权利要求7所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调装置，其特征在于，所述 的通过傅立叶逆变换将得到的在频域下待测光纤的冲激响应变换至时域，计算公式为：，其中，h代表在时域下待测光纤的冲激响应，Y代表通过傅立叶变换到频域后的 光脉冲编码序列与待测光纤的冲激响应卷积后的信号，Af代表通过傅立叶变换到频域后的 光脉冲编码序列。9. 根据权利要求6-8任意一项所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调装置，其特 征在于，所述的待测光纤的光脉冲编码序列为:将原始光脉冲编码序列通过掺饵光纤放大 器进行放大处理后的光脉冲编码序列。10. 根据权利要求9所述的用于光纤分布式传感系统的信号解调装置，其特征在于，所 述的原始光脉冲编码序列为：采用互补格雷编码得到的两个光脉冲编码序列中的任意一 个。
【文档编号】G01D5/353GK106052730SQ201610607797
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】洪小斌, 王晟, 杨智生, 吴晓晓, 林文桥, 伍剑
【申请人】北京邮电大学