一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法

摘要

本发明公开了一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，首先将传统的一维互相关处理结果信号转化为二维图像信号，在二维图像的基础上通过高斯滤波去噪算法对图像进行去噪处理，再将处理后的图像进行下一步运算，最终得到高空间分辨率的结果。本发明所提出的高斯滤波去噪算法的OFDR传感系统可以提高测量系统的空间分辨率，使其在航天航空、机器设备等高精度监测领域具有更大优势和更广阔的应用。

权利要求

1.一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤，S1.分别采集两次信号，一次为不包含应变信息的信号，为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，为测试信号；

S2.将参考信号和测试信号通过快速傅里叶变化映射到距离域上，并取窗口大小C将信号划分为N等分，其中窗口大小C决定了系统的空间分辨率；

S3.对第一份参考信号和测量信号的局部距离域信息进行快速逆傅里叶变化；

S4.对快速逆傅里叶变换后的参考信号和测量信号通过互相关计算得到一维互相关结果；

S5.重复步骤S3‑ S4，得到光纤每一对应位置的互相关结果，将得到的所有一维互相关结果在光纤距离上重构成二维图像信号，在二维图像的基础上通过高斯滤波去噪算法后对图像进行去噪处理；

选择高斯低通滤波器，使用fspecial函数，选用的模板为一个M*M矩阵，标准偏差为m，利用高斯滤波对步骤S5整幅重构的二维图像进行加权平均，每一个像素点由其本身和邻域内的其他像素值经过加权平均后得到；

S6.将通过高斯滤波去噪算法处理后的图像重新解构来得到光纤各位置的光谱偏移量，从而能够得到高空间分辨率下的测量结果，提高测量的准确性。

2.根据权利要求1所述的一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，其特征在于，步骤S6中光谱偏移量获得方法为，用一个特定的模板去扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去替代模板中心像素点的值；将步骤S5重构的二维图像信号通过高斯滤波处理，处理后的图像重新分解到光纤的对应位置，通过寻找主峰的偏移得到对应光纤位置光谱的偏移量。

说明书

一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，应用于应变测量领域，提高了系统的空间分辨率，属于光纤传感探测的技术领域。

背景技术

[0002] 分布式光纤传感中光纤作为传感介质的同时也是测量的传输介质，利用光纤中光波的传输特性，包括拉曼散射、瑞利散射和布里渊散射，实现了沿光纤长度方向对外界环境
进行实时监控。分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强，结构相对简单，空间分辨率
高，传感距离长等优势。基于其上述优势，该技术正被逐渐应用在越来越多的领域，例如检
测大桥安全，土木工程的检测，隧道等地下的火灾警报，勘测地质等，在社会建设中发挥着
重要的影响。作为分布式光纤传感系统的代表，光频域反射技术(OFDR)具有重量轻、体积
小、灵敏度高、抗电磁干扰性强和空间分辨率高等优点，可以连续测量沿光纤距离上的应
变、振动、温度等外界的物理量变化。近些年，随着OFDR技术的发展，也实现了形状传感和声
学传感的应用。

[0003] OFDR原理为：可调谐激光光源发出的线性扫频光经过耦合器分为两束，一束进入待测光纤，待测光纤的后向瑞利散射光返回形成信号光，与另一束参考光发生拍频干涉。对
拍频信号采集并进行快速傅里叶变换处理，就可以得到沿传感光纤构建的距离域信息。在
OFDR系统测量中，需要采集一次没有外界影响的参考信号和光纤受影响的测试信号，将测
试信号与参考信号进行互相关计算得到外界信息的变化。OFDR系统具有高空间分辨率的特
点，其系统空间分辨率可以达到毫米量级，因此其在航天航空等高精度监测领域具有非常
重要的应用。然而，当测量空间分辨率提高时，参考信号与测试信号的互相关相关性会极大
降低，从而导致互相关结果产生多峰和假峰，得不到正确的结果。因此，如何有效提高 OFDR
系统的空间分辨率是一个十分重要的研究方向。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，此方法可以有效提高系统的空间分辨率。其技术方案为，

[0005] 一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，包括以下步骤，

[0006] S1.分别采集两次信号，一次为不包含应变信息的信号，为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，为测试信号；

[0007] S2.将参考信号和测试信号通过快速傅里叶变化映射到距离域上，并取窗口大小C将信号划分为N等分，其中窗口大小C决定了系统的空间分辨率；

[0008] S3.对第一份参考信号和测量信号的局部距离域信息进行快速逆傅里叶变化。

[0009] S4.对快速逆傅里叶变换后的参考信号和测量信号通过互相关计算得到一维互相关结果；

[0010] S5.重复步骤S3‑S4，得到光纤每一对应位置的互相关结果，将得到的所有一维互相关结果在光纤距离上重构成二维图像信号，在二维图像的基础上通过高斯滤波去噪算法
后对图像进行去噪处理；

[0011] S6.将通过高斯滤波去噪算法处理后的图像重新解构得到光纤各位置的光谱偏移量，从而能够得到高空间分辨率下的测量结果，提高测量的准确性。

[0012] 优选的，利用高斯滤波对步骤S5整幅重构的二维图像进行加权平均，每一个像素点由其本身和邻域内的其他像素值经过加权平均后得到。

[0013] 优选的，步骤S6中光谱偏移量获得方法为，

[0014] 用一个特定的模板去扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去替代模板中心像素点的值；选择gaussian高斯低通滤波器，使用fspecial函
数，选用的模板为一个M*M矩阵，标准偏差为m；将步骤S5重构的二维图像信号通过高斯滤波
处理，处理后的图像重新分解到光纤的对应位置，通过寻找主峰的偏移得到对应光纤位置
光谱的偏移量。

[0015] 有益效果

[0016] 1)本发明所提出的高斯滤波去噪算法的OFDR传感系统可以提高测量系统的空间分辨率，使其在航天航空、机器设备等高精度监测领域具有更大优势和更广阔的应用。

[0017] 2)本发明所提出的基于高斯滤波去噪算法的OFDR传感系统通过对二维图像信息的去噪处理，不仅能够提高系统空间分辨率，而且能够有效去除测量结果的异常值，提高测
量的准确性。

附图说明

[0018] 图1基为于高斯滤波去噪算法的高空间分辨率OFDR系统处理流程。

[0019] 图2为OFDR系统原理图。

[0020] 其中1‑为可调谐激光器；2‑为耦合器一；3‑为耦合器二；4‑为环形器；5‑为马赫‑曾德干涉仪；6为偏振控制器一；7‑为偏振控制器二；8‑为耦合器三；9‑为偏振分束器；10‑为平
衡探测器；11‑为采集卡；12‑传感光纤；13‑菲尼尔环。

[0021] 图3为传感光纤10.1‑10.7m处受100με未使用此方法的结果图，空间分辨率为0.4mm。

[0022] 图4为传感光纤10.1‑10.7m处受100με使用此方法的结果图，空间分辨率为0.4mm。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图1‑4和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。

[0024] 一种提升OFDR系统分布式空间分辨率的测量方法，包括以下步骤，

[0025] S1.分别采集两次信号，一次为不包含应变信息的信号，为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，为测试信号。

[0026] S2.将参考信号与测试信号在距离域上按一定的窗口大小C分割成N等份；

[0027] S3.将参考信号与测试信号各自的每一份距离域信息使用快速逆傅里叶变换；

[0028] S4.将逆傅里叶变换后的参考信号与测试信号进行互相关运算，可以得出一维互相关结果；

[0029] S5.重复步骤S3‑S4，得到光纤每一对应位置的互相关结果，将得到的所有一维互相关结果在光纤距离上重构成二维图像信号；

[0030] S6.高斯滤波是一种线性平滑滤波，适用于消除高斯噪声。

[0031] 其原理为对于步骤S5中重构成的二维图像，对整幅重构的二维图像进行加权平均，每一个像素点由其本身和邻域内的其他像素值经过加权平均后得到。用一个特定的模
板去扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去替代模板中
心像素点的值。在matlab软件中使用fspecial函数，选择gaussian高斯低通滤波器，选用的
模板为一个100*100矩阵，标准偏差为2，将步骤S5重构的二维图像信号通过高斯滤波处理，
处理后的图像重新分解到光纤的对应位置，通过寻找主峰的偏移得到对应光纤位置光谱的
偏移量。

[0032] S7.在二维图像的基础上通过高斯滤波去噪算法后对图像进行去噪处理，将通过高斯滤波去噪算法处理后的图像重新解构得到光纤各位置的光谱偏移量，从而能够得到高
空间分辨率下的测量结果，提高测量的准确性。

[0033] 图3为传感光纤10.1‑10.7m处受100με未使用此方法的结果图，空间分辨率为0.4mm，可以看到其结果有许多异常值，无法得出沿光纤长度正确的应变分布结果。

[0034] 图4为传感光纤10.1‑10.7m处受100με使用此方法的结果图，此方法很好的消除了异常值，提高了系统分辨率，得到了0.4mm空间分辨率的正确应变分布结果。

[0035] 图2是OFDR系统原理图。一种基于距离域补偿的OFDR传感系统，包括：可调谐激光源的连续激光输出由耦合器一2(10/90光耦合器)分成两份，10％入射到一个非平衡的马
赫‑曾德干涉仪5，为采集卡11提供一个触发信号，其余部分的光进入耦合器二3；之后耦合
器二3(1/99光耦合器)分成两个部分，其中1％的输出通过偏振控制器一6进行调整，使“p”
和“s”光分量具有相同的功率，99％通过环形器4和偏振控制器二7进入到传感光纤12探测，
菲尼尔环13用来抑制光纤末端菲尼尔反射；然后瑞利散射信号与1％激光输出从耦合器三8
(50/50光耦合器)相结合得到的干涉信号，通过偏振分束器分解成“p”和“s”分量；最后“p”
和“s”光由采集卡采集。

[0036] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。