一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法

摘要

本发明涉及一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，包括步骤：确定拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号顺序点数量NS和Nas及信号强度Vs(n)和Vas(n)；计算输入拉曼斯托克斯信号Vs(n)时自适应滤波器的输出响应Y(n)，之后比较输出响应Y(n)与拉曼反斯托克斯信号Vas(n)产生滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)；自适应滤波器根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)自动调整滤波器自身的权值w(n)，不断进行迭代计算，直至获得滤波后的拉曼反斯托克斯信号。该方法采用自适应干扰抵消技术对拉曼反斯托克斯信号进行处理，能够在不对现有测温系统进行硬件升级的情况下同时提升系统的测温精度和空间分辨率。

权利要求

1.一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，其特征在于，包括步骤：第一步：同步获取分布式光纤拉曼测温系统中同一光纤长度的拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，分别确定拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号顺序点数量及信号强度 ；

第二步：对拉曼反斯托克斯信号进行滤波；选取拉曼斯托克斯光信号作为噪声源，拉曼反斯托克斯光信号作为信号源，拉曼斯托克斯信号 输入一自适应滤波器时计算输出的响应 ；并比较输出响应 与拉曼反斯托克斯信号 产生滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号 ；

第三步：自适应过程；根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号 调整滤波器的权值 ，不断进行迭代计算，直至获得自适应滤波优化后的拉曼反斯托克斯信号；

其中，自适应滤波器进行权值更新的计算公式为：

其中， ， 为调整因子，取值范围为

，固定步长 表示最大允许的步长。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，其特征在于，分布式光纤拉曼测温系统包括：脉冲光源（1）、波分复用器（2）、光电探测器（4）、传感光纤（3）、数据处理模块（6）、测温电路（5）、采样模块（7）、数字信号处理模块（8）和上位机（9）；其中，脉冲光源（1）输出脉冲光信号接入波分复用器（2）；波分复用器（2）输出光信号接入传感光纤（3），传感光纤（3）的反射光接入波分复用器（2）；波分复用器（2）输出的反射光接入光电探测器（4）；光电探测器（4）的输出接入数据处理模块（6），采样模块（7）对反射光信号进行采样，采样时进行多次累加平均预处理，随后送入数字信号处理模块（8）进行滤波处理；同时，测温电路（5）测得环境温度信息也送入上位机（9），解调出沿光纤分布的温度信息并在上位机（9）中显示。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，其特征在于，步长增益 具有：初始情况下 趋近于1；随着自适应滤波器慢慢逼近有用信号， 趋近于0。

说明书

一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法

技术领域

[0001] 本发明涉及分布式光纤温度传感领域，特别涉及一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法。

背景技术

[0002] 分布式光纤拉曼温度传感系统(Distributed Optical  Fiber Raman Temperature Sensor System，DOFRTS)是一种可用于分布式、实时测量空间温度场分布的新型传感技术。该技术使用普通光纤作为敏感介质和传输介质，利用光纤中的自发拉曼散射效应与光时域反射技术，可以实现远距离传输的分布式测量和定位，广泛应用于湖泊、河流、堤坝、冰川等长距离温度测量领域。

[0003] 目前，该传感系统受到诸如激光脉冲宽度、光电模块带宽和数据采集速率等因素的限制，在保证系统测量精度的前提下，其空间分辨率普遍不高。然而，在许多实际应用中，如测量冰川上的气-雪界面温度分布或湖泊中湖水与空气界面的温度分布等领域，对于温度测量的空间分辨率要求较高，因此，在现有系统的基础上提高分布式光纤测温系统的空间分辨率具有重要意义。

[0004] 传统的解决方法是提高系统的硬件性能：Liu等人(Design and implementation of distributed ultra-high temperature sensing system with a single crystal fiber,Journal of Lightwave Technology,2018,36(23):5511-5520.)报道了一种采用皮秒激光器以获得脉宽更窄的激光脉冲的方法；Wang等人(FPGA IP Cores of Concurrent Filter for OTDR-distributed Fiber Optic Sensors,Cybernetics Robotics and Control(CRC)2017 2nd International Conference on,pp.121-125,2017)报道了一种采用四通道数据采集系统以获得更高采样速率的方法。但是，以上方法系统复杂、成本高昂、难以实现推广应用。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，包括步骤：

[0007] 第一步：同步获取分布式光纤拉曼测温系统中同一光纤长度的拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，分别确定拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号顺序点数量NS和Nas及信号强度Vs(n)和Vas(n)；

[0008] 第二步：对拉曼反斯托克斯信号进行滤波；选取拉曼斯托克斯光信号作为噪声源，拉曼反斯托克斯光信号作为信号源，拉曼斯托克斯信号Vs(n)输入一自适应滤波器时计算输出的响应Y(n)；并比较输出响应Y(n)与拉曼斯托克斯信号Vas(n)产生滤除噪声后的拉曼斯托克斯信号Uas(n)；

[0009] 第三步：自适应过程；根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)调整滤波器的权值w(n)，不断进行迭代计算，直至获得自适应滤波优化后的拉曼反斯托克斯信号；

[0010] 其中，自适应滤波器进行权值更新的计算公式为：

[0011] w(n+1)＝w(n)+k(n)×Uas(n)×Vs(n)

[0012] 其中，k(n)＝αk0e1-n,n＝1,2,3...,Nas，α为调整因子，取值范围为0.9≤α≤1，固定步长k0表示最大允许的步长。

[0013] 其中，分布式光纤拉曼测温系统包括：脉冲光源、波分复用器、光电探测器、传感光纤、数据处理模块、测温电路、采样模块、数字信号处理模块和上位机；其中，脉冲光源输出脉冲光信号接入波分复用器；波分复用器输出光信号接入传感光纤，传感光纤的反射光接入波分复用器；波分复用器输出的反射光接入光电探测器；光电探测器的输出接入数据处理模块，采样模块对反射光信号进行采样，采样时进行多次累加平均预处理，随后送入数字信号处理模块进行滤波处理；同时，测温电路测得环境温度信息也送入上位机，解调出沿光纤分布的温度信息并在上位机中显示。

[0014] 其中，步长增益αe1-n具有：初始情况下αe1-n趋近于1；随着自适应滤波器慢慢逼近有用信号，αe1-n趋近于0。

[0015] 区别于现有技术，本发明提供的分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，包括步骤：确定拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号顺序点数量NS和Nas及信号强度Vs(n)和Vas(n)；计算输入拉曼斯托克斯信号Vs(n)时自适应滤波器的输出响应Y(n)，之后比较输出响应Y(n)与拉曼反斯托克斯信号Vas(n)产生滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)；自适应滤波器根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)自动调整滤波器自身的权值w(n)，不断进行迭代计算，直至获得滤波后的拉曼反斯托克斯信号。该方法采用自适应干扰抵消技术对拉曼反斯托克斯信号进行处理，能够在不对现有测温系统进行硬件升级的情况下同时提升系统的测温精度和空间分辨率。

附图说明

[0016] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0017] 图1是本发明提供的一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法中分布式光纤拉曼测温系统的结构示意图。

[0018] 图2是本发明提供的一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法的原理示意图。

[0019] 图3是本发明提供的一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法的流程示意图。

具体实施方式

[0020] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

[0021] 本发明提供了一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，包括步骤：

[0022] 第一步：同步获取分布式光纤拉曼测温系统中同一光纤长度的拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，分别确定拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号顺序点数量NS和Nas及信号强度Vs(n)和Vas(n)；

[0023] 第二步：对拉曼反斯托克斯信号进行滤波；选取拉曼斯托克斯光信号作为噪声源，拉曼反斯托克斯光信号作为信号源，拉曼斯托克斯信号Vs(n)输入一自适应滤波器时计算输出的响应Y(n)；并比较输出响应Y(n)与拉曼斯托克斯信号Vas(n)产生滤除噪声后的拉曼斯托克斯信号Uas(n)；

[0024] 第三步：自适应过程；根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)调整滤波器的权值w(n)，不断进行迭代计算，直至获得自适应滤波优化后的拉曼反斯托克斯信号；

[0025] 其中，自适应滤波器进行权值更新的计算公式为：

[0026] w(n+1)＝w(n)+k(n)×Uas(n)×Vs(n)

[0027] 其中，k(n)＝αk0e1-n,n＝1,2,3...,Nas，α为调整因子，取值范围为0.9≤α≤1，固定步长k0表示最大允许的步长。

[0028] 其中，步长增益αe1-n具有：初始情况下αe1-n趋近于1；随着自适应滤波器慢慢逼近有用信号，αe1-n趋近于0。

[0029] 图1所示为本发明实施例所提供的分布式光纤拉曼测温系统的一种结构示意图，本发明实施例所提供的分布式光纤拉曼测温系统包括脉冲光源1、波分复用器2、光电探测器4、传感光纤3、数据处理模块6、测温电路5和上位机9。各部分的连接如下：

[0030] 脉冲光源1输出脉冲光信号接入波分复用器2；波分复用器2输出光信号接入传感光纤3，传感光纤3的反射光接入波分复用器2；波分复用器2输出的反射光接入光电探测器4；光电探测器4的输出接入数据处理模块6，采样模块7对反射光信号进行采样，采样时进行多次累加平均预处理，随后送入数字信号处理模块8进行滤波处理。同时，测温电路5测得环境温度信息也送入上位机9，解调出沿光纤分布的温度信息并在上位机9中显示。

[0031] 分布式光纤拉曼测温系统中，各关键器件的性能参数如下表所示。

[0032]

[0033] 图2所示为本发明实施例所提供的自适应干扰抵消技术的原理图。拉曼反斯托克斯信号Vas(n)是温度信号和噪声之和，即Vas(n)＝Vas'(n)+N(n)，自适应处理器的输入是与N(n)相关的另一个噪声N'(n)。自适应处理器通过调整参数，以使N'(n)成为N(n)的最佳估计值 这样，Uas(n)将逼近拉曼反斯托克斯信号Vas'(n)，且其均方值E[Uas2(n)]为最小，抑制了噪声N(n)。

[0034] 图3所示为本发明实施例所提供的一种分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法：包括同步获取待测温度T下的拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，分别为：拉曼斯托克斯信号的数量为NS，信号强度为VS(T,n),n＝1,2,3...,NS和拉曼反斯托克斯信号的数量为Nas，信号强度为Vas(T,n),n＝1,2,3...,Nas，以及常温T0下的拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，分别为：拉曼斯托克斯信号的数量为NS0，信号强度为VS(T0,n),n＝1,2,3...,NS0和拉曼反斯托克斯信号的数量为Nas0，信号强度为Vas0(T0,n),n＝1,2,3...,Nas0；使用基于拉曼反斯托克斯的单路解调方法解调出不同距离上的对应温度T(n)，其中，自适应干扰抵消方法包括以下步骤：

[0035] 第一步：计算在待测温度T下输入拉曼斯托克斯信号Vs(T,n)时自适应滤波器的输出响应Y(T,n)和常温T0下输入拉曼斯托克斯信号Vs(T0,n)时自适应滤波器的输出响应Y(T0,n)：

[0036] Y(T,n)＝wH(T,n)×Vs(T,n)

[0037] Y(T0,n)＝wH(T0,n)×Vs(T0,n)

[0038] 第二步：通过比较输出响应Y(T,n)、Y(T0,n)和拉曼反斯托克斯信号Vas(T,n)、Vas(T0,n)产生计算滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(T,n)和Uas(T0,n)：

[0039] Uas(T,n)＝Vas(T,n)-Y(T,n)

[0040] Uas(T0,n)＝Vas(T0,n)-Y(T0,n)

[0041] 第三步：根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(T,n)、Uas(T0,n)自动调整自适应滤波器自身权值w(T,n)、w(T0,n)：

[0042] w(T,n+1)＝w(T,n)+k(n)×Uas(T,n)×Vs(T,n)

[0043] k(n)＝αk0e1-n,n＝1,2,3,...,Nas

[0044] w(T0,n+1)＝w(T0,n)+k0(n)×Uas(T0,n)×Vs(T0,n)

[0045] k0(n)＝α0k0e1-n,n＝1,2,3,...,Nas0

[0046] 其中，α、α0为调整因子，取值范围为0.9≤α≤1、0.9≤α0≤1；固定步长k0表示最大允许的步长。

[0047] 第四步：回到第二步进行迭代，直到所有的滤波器权值都计算完毕为止。

[0048] 第五步：求最优时滤波器的输出序列Y(T,n)、Y(T0,n)：

[0049] Y(T,n)＝wH(T,n)×Vs(T,n)

[0050] Y(T0,n)＝wH(T0,n)×Vs(T0,n)

[0051] 第六步：计算滤波后的拉曼反斯托克斯信号Uas(T,n)、Uas(T0,n)：

[0052] Uas(T,n)＝Vas(T,n)-Y(T,n)

[0053] Uas(T0,n)＝Vas(T0,n)-Y(T0,n)

[0054] Uas(T,n)、Uas(T0,n)即为进行自适应滤波后的拉曼反斯托克斯信号。

[0055] 第七步：拉曼反斯托克斯单路温度解调。温度解调公式为：

[0056]

[0057] 其中，h为普朗克常量，h＝6.63×10-34J.s；Δv为拉曼平移，在石英光纤中，Δv＝1.32×1013Hz；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T0为常温，单位为开尔文；Uas(T,n)和Uas(T0,n)分别为待解调温度T和常温下T0的拉曼反斯托克斯信号的电压强度。

[0058] 通过获得拉曼反斯托克斯信号的电压强度Uas(T,n)、Uas(T0,n)和环境温度T0(n)，可由上式求出光纤各段的温度T(n)。

[0059] 第八步：位置定位。当入射激光脉冲在光纤中传输时，沿光纤各点产生的后向散射光会回传到光纤入射端。脉冲从发出到返回的总时间可以表示为 其中，F为采样模块的采样频率；则光纤中发生散射的位置与激光入射端的距离可以表示为：

[0060]

[0061] 其中，c代表真空中的光速，为3×108m/s，neff代表光纤中的有效折射率。

[0062] 通过测量光脉冲在光纤中的飞行时间可以计算出各个散射点距离光纤首端的距离，结合拉曼反斯托克斯散射光的温敏特性，实现整条光纤沿线各个点的温度信息测量和定位。

[0063] 区别于现有技术，本发明提供的分布式光纤拉曼测温系统信号自适应干扰抵消方法，包括步骤：确定拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号顺序点数量NS和Nas及信号强度Vs(n)和Vas(n)；计算输入拉曼斯托克斯信号Vs(n)时自适应滤波器的输出响应Y(n)，之后比较输出响应Y(n)与拉曼反斯托克斯信号Vas(n)产生滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)；自适应滤波器根据滤除噪声后的拉曼反斯托克斯信号Uas(n)自动调整滤波器自身的权值w(n)，不断进行迭代计算，直至获得滤波后的拉曼反斯托克斯信号。该方法采用自适应干扰抵消技术对拉曼反斯托克斯信号进行处理，能够在不对现有测温系统进行硬件升级的情况下同时提升系统的测温精度和空间分辨率。

[0064] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。