一种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法与流程

本发明涉及结构健康监测领域，尤其涉及一种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法。

背景技术

光频域反射技术(opticalfrequencydomainreflectometry,ofdr)是分布式光纤测量与传感技术中新兴的发展方向。较传统光时域反射方法(opticaltimedomainreflectometry,otdr)，ofdr具有信噪比高，空间分辨率高，灵敏度高等特点。基于瑞利散射的分布式应变测量主要是通过互相关分析计算被测光纤中应变发生前后的瑞利散射谱偏移量，从而得到相应的应变信息。

在实际测量过程中，应变测量的精度受很多因素的影响，如信噪比的大小，子集窗的长度，插值函数的选择等。其中对于噪声的处理、插值函数的选择可以根据测量需求调整解调算法软件以满足用户对测量精度的需求。而对于子集窗长度的定义，通常由用户基于已有测量经验粗略地给出，而子集窗的长度对互相关计算的可靠性及应变测量的精度有着关键性影响。一般来说，子集窗的长度越长，测量子集内包含的区别与其他子集的特征信息就越多，这样得到的互相关分析结果就越可靠。但是，子集窗的长度越长，反应结构局部潜在应变信息的能力就越差，也就是应变测量准确性的下降。因此，基于以上两点的考虑，子集窗的长度选择应该在满足互相关计算可靠性的基础上越小越好。由于传统的分布式光纤应变解调方法中子集窗基本是由用户基于一定的经验定义的一个固定长度，而子集窗长度直接决定了用于做互相关分析的参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱的范围，对互相关计算的可靠性和应变计算精度有着非常重要的影响。而这种粗略地估算方式缺少科学性和依据性，可能会损害应变测量的精度。

技术实现要素：

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法，包括以下步骤：s1:采用光频域反射计方法采集被测光纤中的瑞利散射谱数据信息,其中瑞利散射谱数据信息包括参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱；

s2:根据用户对测量空间分辨率的要求，将参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱无混叠地截断成k个子集，其中计算参考瑞利散射谱各个子集的最优子集窗长度

s3:将s2中得到的最优子集窗在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱重新进行截断，得到k个新的距离域上的测量子集和参考子集；

s4:将s3得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换并补零至同一数据长度i，此时测量子集和参考子集变换到谱域，对谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析得到每组子集的频谱偏移量δf；

s5:将s4中每组子集的频谱偏移量转换为测量瑞利散射谱各子集的应变信息ε。

所述s2的参考瑞利散射谱各子集的最优子集窗长度具体采用如下方式：

s21.计算参考瑞利散射谱的噪声方差σ(η)，根据所需的应变计算精度σ(d)，通过公式求出数据长度为l的瑞利散射谱信号强度梯度总和的阈值qt；

s22.计算平均子集信号强度梯度和的阈值qt＝qt/k,k是子集数量；

s23.设置各子集统一初始窗长度对瑞利散射谱信号进行傅里叶变换，数据从谱域转换到距离域，并用各子集的初始子集窗长度将距离域的参考瑞利散射谱截断成k个子集；

s24.将k个子集再进行傅里叶逆变换并补零到长度为i的谱域数据，数据根据子集内的平均信号强度梯度计算公式其中为子集内的信号强度梯度，为子集内信号强度，计算各子集内的平均信号强度梯度δ＝[δ1,δ2,δ3,...,δk]；

s25.根据公式计算在初始子集窗长度下各子集的信号强度梯度和

s26.以第k(k＝1,2,...,k)个子集为例，判断不等式是否成立；如果成立，如果不成立，使s为子集窗扩展定步长值，根据公式计算得到新的qk，继续判断不等式qk≥qt是否成立，直到出现使qk≥qt成立，则iter为的迭代次数。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法，该方法通过建立应变计算精度的理论模型并提出一种有效评价瑞利散射谱质量的参数，在应变解调方法中加入了自适应子集窗算法，该算法能科学地计算出子集窗的长度，并通过评价子集内瑞利散射谱质量的优劣自动作出长度调整并不需要人工进行干预。这种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法不仅可以降低对使用者的经验需求，而且可以提高应变测量的精度，从而提高工程领域应用的普及性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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。

图1为本发明中用于获取瑞利散射谱信号的光频域反射计原理图

图2为本发明中以第k个子集为例的最优子集窗长度计算流程图

图3为本发明根据计算得到的最优子集窗n^opt对参考和测量的瑞利散射谱数据在距离域进行截断成k个子集的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1-图3所示的一种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法；具体包括以下步骤：

s1:采用光频域反射计方法采集被测光纤中的瑞利散射谱数据信息,其中瑞利散射谱数据信息包括参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱；

s2:根据用户对测量空间分辨率的要求，将参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱无混叠地截断成k个子集，其中计算参考瑞利散射谱各个子集的最优子集窗长度

s3:将s2中得到的最优子集窗在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱重新进行截断，得到k个新的距离域上的测量子集和参考子集；

s4:将s3得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换并补零至同一数据长度i，此时测量子集和参考子集变换到谱域，对谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析得到每组子集的频谱偏移量δf；

s5:将s4中每组子集的频谱偏移量转换为测量瑞利散射谱各子集的应变信息ε。

进一步的，所述s2的参考瑞利散射谱各子集的最优子集窗长度具体采用如下方式：

s21.计算参考瑞利散射谱的噪声方差σ(η)，根据所需的应变计算精度σ(d)，通过公式求出数据长度为l的瑞利散射谱信号强度梯度总和的阈值qt；

s22.计算平均子集信号强度梯度和的阈值qt＝qt/k,k是子集数量；

s23.设置各子集统一初始窗长度对瑞利散射谱信号进行傅里叶变换，数据从谱域转换到距离域，并用各子集的初始子集窗长度将距离域的参考瑞利散射谱截断成k个子集；

s24.将k个子集再进行傅里叶逆变换并补零到长度为i的谱域数据，数据根据子集内的平均信号强度梯度计算公式其中为子集内的信号强度梯度，为子集内信号强度，计算各子集内的平均信号强度梯度δ＝[δ1,δ2,δ3,...,δk]；

s25.根据公式计算在初始子集窗长度下各子集的信号强度梯度和

s26.以第k(k＝1,2,...,k)个子集为例，判断不等式是否成立；如果成立，如果不成立，使s为子集窗扩展定步长值，根据公式计算得到新的qk，继续判断不等式qk≥qt是否成立，直到出现使qk≥qt成立，则iter为的迭代次数。

实施例：

第一步，采用图1示的光频域反射计(ofdr)采集一组被测光纤在无应力下的参考瑞利散射谱数据和一组在应力作用下的测量瑞利散射谱，光纤长度为22米，数据长度l为450000。

第二步，计算参考瑞利散射谱各子集的最优子集窗

1.根据所需的应变计算精度σ(d)＝0.008，计算得到参考瑞利散射谱信号的噪声方差σ(η)＝4，通过公式计算得到qt＝6.25×10⁴，并设置为阈值；

2.根据公式qt＝qt/k,设置子集数量k＝1500，计算得到子集平均信号强度梯度和的阈值qt＝41.7；

3.设置各子集统一初始窗长度对瑞利散射谱信号进行傅里叶变换(fft)，数据从谱域转换到距离域，用子集窗截断成k＝1500个子集；

4.将每个子集再进行傅里叶逆变换(ifft)并补零至数据长度为1000的谱域数据，根据公式计算得到各子集内的平均信号强度梯度δ＝[,0.11,0.136,...,0.126]；

5.根据公式以第2个子集为例,计算在初始子集窗长度下信号强度梯度和

6.判断不等式使n2＝310，其中设置子集窗扩展定步长值s为10，重新根据公式计算得到新的qk＝42.3，此时判断得到不等式qk≥qt成立，则

7.与第2个子集得到的方法相同，依次得到最终得到该组瑞利散射谱信号的最优子集窗集合n^opt＝[380,310,300,...,340]。

步骤三，将步骤二中得到的各子集最优子集窗n^opt＝[380,310,300,...,340]在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱进行截断，得到1500个距离域上的测量子集和参考子集。

步骤四，将步骤三中得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换并补零至1000的长度，此时测量子集和参考子集变换到谱域。谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析，得到每组子集的频谱偏移量δf。

步骤五，步骤四中每组子集的频谱偏移量δf通过公式ε＝δf/k，k为光纤应变灵敏度系数，转换为最终的各子集的应变信息ε。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。