专利名称：同时提高botdr空间分辨率与频移测量精度的信号处理方法
技术领域：
本发明涉及布里渊光时域反射仪(BOTDR)的信号处理。在BOTDR信号处理中，采用Cohen类时频分析方法，可以减轻传统信号处理方法中因不确定性原理引起的空间分辨率与频移测量精度的矛盾，使这两个性能指标同时得到较好的效果。
背景技术：
布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种基于光纤中自发布里渊散射的全分布式光纤传感系统，可用于监测光纤沿线的应变和温度信息。与基于受激布里渊散射(SBS)的布里渊光时域分析仪(BOTDA)相比，BOTDR具有可单端测量，可测得断点等优势。但是由于自发布里渊散射极其微弱，准确测得BOTDR信号并对其进行处理较为困难。在BOTDR的信号处理中，需要从测得的宽带布里渊信号中提取得到每一时刻的瞬时频谱。所获得的信号的时变频谱用于估计光纤上各位置处的布里渊频移，从而根据布里渊频移与被测温度与应变的线性关系得到温度或应变的分布。信号的时变频谱称为时频分布，对应的信号处理方法称为时频分析。一个信号的时频分布可以用时频聚集性来评价，关于时频聚集性，有多种不
同的定义，其中一种定义为=+f)dtdf 。式中其中T为一个任意的
EjjT
非零时长，P(t，f )为时频分布。空间分辨率和频移测量精度是BOTDR的两个重要的性能指标。不同的信号处理方法会得到不同的时频分布，并对这两个性能指标产生影响。目前，在采用相干外差法的BOTDR系统中，两种时频分析方法已经被提出(1)短时傅里叶变换(STFT):直接采集得到宽带信号，使用快速傅里叶变换(FFT)实现STFT的运算，得到各时间点的频谱信息，即信号的时频分布。(2)扫频法在探测器后加滤波器，通过扫频获得布里渊信号带宽内各频率分量的时域轨迹，组合成信号的时频分布。我们可证明 STFT与扫频得到的时频分布是一致的，故可以把扫频和STFT看做同一种方法进行研究。如果探测器的响应足够快，BOTDR的空间分辨率δ ζ可表示为δ z = vW/2，其中v 为脉冲在光纤中的传输速度，W为脉冲的时间宽度。对于STFT方法，由于窗函数覆盖了信号的一段有限长度，而这一段信号所得的频谱仅用于表示窗函数中心位置处瞬时的信息， 故系统的空间分辨率会有所恶化。显然，为了使空间分辨率尽可能准确，希望窗函数覆盖的信号长度趋向于O。但是由于不确定性原理的限制，即使将窗函数的宽度取得非常小也是不允许的，因为依据不确定性原理这将导致频移测量的极大误差。STFT的不确定性原理可描述为对于加窗后的信号,其时间宽度和频域宽度之积大于等于一个常数，BtTt > 1/4π。如果窗函数的宽度很小，则窗函数所覆盖信号的时间宽度Tt也较小，由不确定性原理可得，频域均方差宽度较大，与之对应的布里渊谱半峰全宽 (FffHM)也较大。而FWHM与最小可探测的布里渊频移δ νΒ有关系而/s = FWHM /执SNRf4， 其中SN R表示信噪比，故FWHM越大，频移测量精度越差。因此，信号处理中的不确定性原理导致了 BOTDR空间分辨率和频移测量精度之间的矛盾。在采用STFT和扫频法的BOTDR 系统中，这两个性能指标难以同时达到较好的效果。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种同时提高BOTDR空间分辨率与频移测量精度的信号处理方法，克服信号处理中的不确定性原理导致的BOTDR空间分辨率和频移测量精度之间的矛盾。该方法能够获得时频聚集性更好的时频分布，从而减弱空间分辨率和频移测量精度之间的矛盾，进而使这两个性能指标同时达到较好的效果。本发明的技术解决方案为同时提高BOTDR空间分辨率与频移测量精度的信号处理方法，采用Cohen类时频分析方法对BOTDR时域信号进行信号处理，包括以下步骤I)采集得到BOTDR的宽带时域信号，采样率fs至少是信号最高频率fm的4倍，即 fs彡4乙。2)对采集得到的BOTDR时域信号使用Cohen类时频分析方法处理，得到对应的时频分布。为了减少计算量，可以只对感兴趣的一部分信号进行处理。例如，可以首先采用 STFT处理后，找到有应变或温度变化的位置，再对这一部分信号进行Cohen类时频分析。Cohen类时频分析的通式可表示为C{t,m) =s*(u~~ t)s(u + τ)φ{θ, r)e^ j9t^JW+J0U dud τ θ其中，t，ω分别为时间和频率变量，s(t)为时域信号，U，τ，Θ均为任意变量， Φ(θ，τ)为核函数，不同的核函数可生成不同的时频分布。为了避免Cohen时频分布中交叉项的产生，需要选取合适的核函数。几个典型的Cohen类时频分布Choi-Williams 分布当0队0 =厂八 时，Ccw(t,m) = -^^ , : expl-^p τωt)s(u + z)dudz
I TCλ / 了 jI " / QJZhao-Altas-Marks 分布^φ(θ, τ) = g(r) |r| si^r 时，
*(//- — t)s(u + — z)dudz
(//- — t)s(u + — r)dudr上面三式中σ，a为任意参数，g( τ )为任意函数，t, ω分别为时间和频率变量， s(t)为时域信号，U，τ , Θ均为任意变量。STFT和Choi-Wi 11 iams分布的时频聚集性参数分别满足Λ tf_STFT彡I/ Ji和
Czam (r,cD) = ^—fg(T)e-jwft
Born-Jorda η 分布
、 Sina^rri,
当 φ(θ，τ、= ~^时 αθτ
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CzAM(tW) = '-\]—\e 3Τω\ I
4παJ \τ\ Jt~a\lΔ tf_Cff彡1/2 π，其中时频聚集性为
权利要求
1.同时提高BOTDR空间分辨率与频移测量精度的信号处理方法，其特征是采用Cohen 类时频分析方法对BOTDR时域信号进行信号处理，包括以下步骤.1)采集得到BOTDR的宽带时域信号，采样率4至少是信号最高频率fm的4倍，即 fs ^ 4fm ；.2)对采集得到的BOTDR时域信号使用Cohen类时频分析方法处理，得到对应的时频分布；为了减少计算量，时域信号采用短时傅里叶变换STFT处理后，得到各时间点的频谱信息即信号的时频分布，找到频谱信息中有应变或温度变化的位置，再对这一部分信号进行 Cohen类时频分析；Cohen类时频分析的通式表示为C{t,m) = HI/ (μ -1 t)s(u + τ)φ{θ, r)e^j9t^JW+J0Ududτ θ其中，t，ω分别为时间和频率变量，s (t)为时域信号，U，τ，Θ均为任意变量，Φ (Θ， τ)为核函数，不同的核函数可生成不同的时频分布。采用 Choi-Williams 分布当核函数r) = e-θν/σ时，Crw(t,m) = ~ I I exp[-("，,)—— τωAs*(u- — t)s(u +—T)dudr cw4πν24τ·2/σ22其中σ为任意参数，t，ω分别为时间和频率变量，s (t)为时域信号，U，τ，Θ均为任意变量。STFT和Choi-Williams分布的时频聚集性参数分别满足Λ tf_STFT ^ I/ji和Δ tf_Cff彡1/2 π，其中时频聚集性为\ =\\(^ + T2f)P(tJ)dtdf，T为一个任意的非零时长，P(t，f)为时频分布，即STFT的时频聚集性下限为Choi-Williams分布的两倍；因此 Cohen类时频分析能够减弱空间分辨率和频移测量精度之间的矛盾。
2.根据权利要求I所述的同时提高BOTDR空间分辨率与频移测量精度的信号处理方法，其特征是对获得的时频分布，采用拟合后续数据处理手段，获得光纤上各位置处的布里渊频移，从而实现光纤沿线的温度或应变分布。
全文摘要
同时提高BOTDR空间分辨率与频移测量精度的信号处理方法，采用Cohen类时频分析方法对BOTDR时域信号进行信号处理，包括以下步骤采集得到BOTDR的宽带时域信号，采样率fs至少是信号最高频率fm的4倍，即fs≥4fm；对采集得到的BOTDR时域信号使用Cohen类时频分析方法处理，得到对应的时频分布；为了减少计算量，时域信号采用短时傅里叶变换STFT处理后，得到各时间点的频谱信息即信号的时频分布，找到频谱信息中有应变或温度变化的位置，再对这一部分信号进行Cohen类时频分析；本发明能够克服信号处理中的不确定性原理导致的BOTDR空间分辨率和频移测量精度之间的矛盾。
文档编号G01K11/32GK102607449SQ201210064080
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者姚雨果, 张旭苹, 李密, 王峰, 路元刚 申请人:南京大学, 南京大学(苏州)高新技术研究院