一种基于空间-光谱双域二维卷积的光纤分布式应变解调方法及系统

本发明涉及光纤分布式应变解调，具体涉及一种基于空间-光谱双域二维卷积的光纤分布式应变解调方法及系统。

背景技术：

1、基于瑞利背向散射(rbs)光谱“指纹”特性的光频域反射(ofdr)技术，因其毫米级的空间分辨率和高灵敏度，已成为实现精密分布式应变、温度及振动测量的关键技术。然而，在ofdr系统中，空间分辨率与应变测量范围之间存在一个固有的权衡关系。在实际应用中，大尺度应变会同时导致两个关键效应：其一，光纤在空间距离轴上被拉伸，导致参考信号（未施加应变）与测量信号（施加应变）在光纤中的位置发生偏差，即空间偏移；其二，瑞利散射光谱在波长轴上发生“红移”，即光谱频移。这两种效应共同导致参考与测量rbs图谱在空间和光谱两个维度上失配，显著降低了二者间的相关性，使得传统一维互相关解调算法出现虚假峰值或多峰值，严重限制了大范围应变的精确测量。

2、现有技术为应对此挑战，通常采用独立算法分层处理的策略。例如，通过递归补偿方案或遍历空间校准算法来补偿距离偏差，但这类方法通常假定参考光谱与测量光谱在波长上完全重叠。另有研究通过比较rbs光谱的局部相似特征来改善光谱相关性，但其应变范围有限。还有一些方法尝试通过图像去噪等后处理技术来抑制互相关图中的虚假峰值，但这不可避免地会擦除微小但真实的应变特征。这些方法将位置偏差和光谱失配视为正交问题分别处理，未能从根本上解决二者耦合导致的解调性能退化问题。因此，亟需一种能够统一、协同地补偿空间偏移和光谱频移的应变解调新方法，以实现真正意义上大范围、高空间分辨率的ofdr应变传感。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明提出一种基于空间-光谱双域二维卷积的光纤分布式应变解调方法及系统。

2、根据本发明的一方面，提出一种基于空间-光谱双域二维卷积的光纤分布式应变解调方法，该方法包括以下步骤：

3、利用ofdr系统分别采集未施加应变和施加应变后的光纤信号，分别为光纤参考信号和光纤测量信号；

4、对所述光纤参考信号和所述光纤测量信号分别进行处理，获得距离域-波长域的二维瑞利散射图谱，分别为二维瑞利散射参考图谱和二维瑞利散射测量图谱；

5、对于每个传感单元，在二维瑞利散射参考图谱上截取空间和光谱均为预设值的子图作为参考模板；在二维瑞利散射测量图谱上截取空间和光谱均大于所述预设值的子图作为目标图像；

6、对每个传感单元的参考模板和目标图像进行模板匹配，得到二维响应图；

7、在二维响应图中寻找全局最大值，从而确定每个传感单元的空间偏移量和应变值；

8、利用当前传感单元确定的空间偏移量，调整相邻下一个传感单元的目标图像的中心位置，以递归补偿沿光纤累积的空间偏移误差。

9、进一步地，所述对所述光纤参考信号和所述光纤测量信号分别进行处理包括：对所述光纤参考信号和所述光纤测量信号分别进行快速傅里叶变换，获取距离域信号，分别为参考距离域信号和测量距离域信号；对于参考距离域信号和测量距离域信号，分别采用汉宁窗提取反射信号，并进行逆傅里叶变换，得到光纤上每个空间位置的瑞利散射光谱；对于参考距离域信号和测量距离域信号所对应的瑞利散射光谱，分别沿光纤进行拼接，获取距离域-波长域的二维瑞利散射图谱，分别为二维瑞利散射参考图谱和二维瑞利散射测量图谱。

10、进一步地，所述参考模板在空间维度上仅包含以当前传感单元为中心的预设相邻单元，在光谱维度上仅包含部分波长范围；所述目标图像在空间维度上覆盖比所述参考模板更宽的传感单元范围以容纳空间偏移裕量，在光谱维度上覆盖全波长范围以容纳光谱漂移裕量。

11、进一步地，所述对参考模板和目标图像进行模板匹配包括：对参考模板和目标图像执行二维卷积运算，计算零均值归一化互相关系数，从而得到二维响应图。

12、进一步地，所述零均值归一化互相关系数的计算公式为：

13、；

14、其中，cov表示协方差，表示标准差，template为参考模板，patch为与参考模板相同尺度的目标图像。

15、进一步地，所述在二维响应图中寻找全局最大值，从而确定每个传感单元的空间偏移量和应变值包括：

16、将所述全局最大值对应的纵坐标位置作为波长漂移量，代入公式计算应变值，其中表示单模光纤应变灵敏度，表示光纤应变值；

17、将所述全局最大值对应的横坐标位置作为空间偏移量。

18、进一步地，所述利用当前传感单元确定的空间偏移量，调整相邻下一个传感单元的目标图像的中心位置表示为：，表示第i+1个传感单元的初始中心位置，表示第i个传感单元的空间偏移量。

19、进一步地，所述ofdr系统通过主干涉仪采集所述光纤参考信号和所述光纤测量信号，并通过辅助干涉仪实时监测并补偿激光扫频过程中的非线性相位噪声。

20、进一步地，对于首个传感单元，所述目标图像的初始中心位置设定为与所述参考模板在空间上对齐，即初始空间偏移量为零。

21、根据本发明的另一方面，提出一种基于空间-光谱双域二维卷积的光纤分布式应变解调系统，所述系统用于实现上述所述的一种基于空间-光谱双域二维卷积的光纤分布式应变解调方法；所述系统包括：

22、信号采集模块，用于利用ofdr系统分别采集未施加应变和施加应变后的光纤信号，分别为光纤参考信号和光纤测量信号；

23、图谱构建模块，用于对所述光纤参考信号和所述光纤测量信号分别进行处理，获得距离域-波长域的二维瑞利散射图谱，分别为二维瑞利散射参考图谱和二维瑞利散射测量图谱；

24、子图截取模块，用于对于每个传感单元，在二维瑞利散射参考图谱上截取空间和光谱均为预设值的子图作为参考模板；在二维瑞利散射测量图谱上截取空间和光谱均大于所述预设值的子图作为目标图像；

25、模板匹配模块，用于对每个传感单元的参考模板和目标图像进行模板匹配，得到二维响应图；

26、参数解算模块，用于在二维响应图中寻找全局最大值，从而确定每个传感单元的空间偏移量和应变值；

27、递归补偿模块，用于利用当前传感单元确定的空间偏移量，调整相邻下一个传感单元的目标图像的中心位置，以递归补偿沿光纤累积的空间偏移误差。

28、本发明的有益技术效果是：

29、1. 实现空间-光谱失配的协同补偿：本发明将应变解调问题建模为二维空间的模板匹配问题，通过一次二维卷积操作，同步、最优地解算出光谱频移和空间位置偏移，从根本上解决了传统方法将二者分离处理导致的解调失效问题，实现了真正意义上的联合补偿。

30、2. 提升大范围应变测量性能：实验验证表明，本发明能够实现高达10000με的大范围应变测量。在22米传感光纤末端1米长的应变区域上，实现了3.1mm空间分辨率的分布式应变传感。通过自适应递推补偿机制，有效消除大应变引起的累积性空间误差，恢复光谱相关性。

31、3. 增强解调鲁棒性与可靠性：基于二维模板匹配的解调策略，能够有效抑制传统一维互相关方法中因光谱失配和空间错位产生的虚假峰值和多峰值现象，显著提高应变解调结果的信噪比和可靠性，为大动态范围、高保真度的分布式光纤传感应用提供坚实基础。

32、4. 算法普适性强：本发明直接利用光纤固有的瑞利散射图谱，不依赖于特殊的散射增强点或光栅阵列，无需对光纤进行复杂的后处理（如飞秒激光刻写），降低了系统复杂性和成本，更易于在实际工程中推广应用。