线性调频分布式声传感系统及其互谱相位斜率解调方法

本发明涉及分布式光纤声学传感，尤其涉及用于线性调频相干探测光纤分布式声传感系统的解调，具体涉及线性调频分布式声传感系统及其互谱相位斜率解调方法。

背景技术：

1、分布式光纤声传感系统利用光纤本身作为连续传感介质，能够沿光纤轴向获取振动、声波和动态应变信息，具有传感距离长、空间连续性好和抗电磁干扰能力强等优点，被广泛应用于地震监测、轨道交通监测、管道安全预警和结构健康监测等领域。

2、线性调频分布式声传感系统是采用同时具有连续波形和脉冲波形优势的lfm脉冲作为探测光，利用频移产生附加相位实现光纤应变导致相位补偿的原理进行传感，可实现光纤链路沿线声/振信号的定量波形恢复，具有响应速度快、灵敏度高等特点。线性调频分布式声传感系统通过线性调频探测脉冲建立频率-时间映射关系，使外界应变引起的局部瑞利散射谱偏移等效表现为瑞利散射包络的时域偏移，从而将动态应变解调问题转化为相邻帧瑞利散射包络之间的时延估计问题。

3、现有线性调频分布式声传感系统的解调方法普遍采用基于时域相关峰定位进行时延估计，具体包括：滑动窗口互相关、相关峰亚采样插值、参考光纤段公共漂移补偿以及多频参考包络匹配等。然而，在长距离、低信噪比条件下，相邻帧瑞利散射包络容易受到幅度起伏、频谱畸变、相干衰落和噪声干扰的影响，使现有的解调方法易出现相关峰展宽、伪峰干扰、峰值跳变和离散采样定位误差等问题，进而导致微小时延估计精度下降。尤其，在低频动态应变测量中，相邻帧间真实时延变化较小，单帧估计误差在时间累加过程中容易形成基线漂移和低频噪声抬升，进而影响动态应变解调的稳定性。

4、因此，针对在长距离、低信噪比条件下，以及在低频动态应变测量中的连续传感监测，需要一种线性调频分布式声传感系统及其互谱相位斜率解调方案，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种线性调频分布式声传感系统及其互谱相位斜率解调方法，通过将相邻帧瑞利散射包络的时延估计转化为互谱相位随频率变化的斜率估计，提高微小时延估计的精度，实现低频动态应变或振动信息的稳定解调，解决了现有基于时域相关峰定位解调方法无法在长距离、低信噪比条件下，以及在低频动态应变测量中，确保微小时延估计的精度的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种线性调频分布式声传感系统，包括：

4、光源，用于发出连续激光信号；

5、第一分光器，用于将所述连续激光信号分为探测光和参考光；

6、调制器，用于对所述探测光进行线性调频，得到线性调频脉冲信号；

7、环形器，用于将所述线性调频脉冲信号注入传感光纤，并接收所述传感光纤中返回的瑞利后向散射信号；

8、耦合器，用于将所述瑞利后向散射信号与所述参考光进行干涉，得到干涉后的光信号；

9、平衡光电探测器，用于将干涉后的光信号转换为电信号；

10、采集单元，用于对所述电信号进行采样，得到连续多帧瑞利后向散射信号的数字信号；

11、处理单元，用于对所述连续多帧瑞利后向散射信号进行处理；

12、其中，所述处理至少包括：

13、对所述连续多帧瑞利后向散射信号中的相邻帧瑞利后向散射信号进行频域变换，构造相邻两帧信号之间频域相位差异的互谱信息；

14、根据所述互谱信息的相位随频率变化的线性斜率，估计相邻帧之间的局部时延；

15、根据所述局部时延以及线性调频脉冲的频率-时间映射关系，将所述局部时延转换为对应空间位置处的动态应变或振动信息。

16、根据本发明的第二方面，提供了一种线性调频分布式声传感系统的互谱相位斜率解调方法，应用于上述的线性调频分布式声传感系统，所述方法包括：

17、获取相干探测得到的连续多帧瑞利后向散射信号；

18、对所述连续多帧瑞利后向散射信号中的相邻帧瑞利后向散射信号进行频域变换，构造相邻两帧信号之间频域相位差异的互谱信息；

19、根据所述互谱信息的相位随频率变化的线性斜率，估计相邻帧之间的局部时延；

20、根据所述局部时延以及线性调频脉冲的频率-时间映射关系，将所述局部时延转换为对应空间位置处的动态应变或振动信息。

21、在本发明中，优选的，所述对所述连续多帧瑞利后向散射信号中的相邻帧瑞利后向散射信号进行频域变换之前，所述方法还包括：

22、对所述连续多帧瑞利后向散射信号进行预处理，得到用于时延估计的瑞利散射包络；

23、其中，所述预处理至少包括带通滤波、去直流分量、去均值处理以及加窗处理。

24、在本发明中，优选的，所述对所述连续多帧瑞利后向散射信号中的相邻帧瑞利后向散射信号进行频域变换之前，所述方法还包括：

25、获取经过预处理中的滤波后保留的线性调频脉冲拍频信号频带，作为有效频带范围；

26、将所述瑞利散射包络变换至频域，在有效频带范围内根据预设的起始频率和终止频率对频域信号进行选通，并对选通后的频域信号进行反变换，得到各候选子带瑞利散射包络；

27、其中，所述候选子带按照预设带宽递增方式设置，且各候选子带具有相同的中心频率。

28、在本发明中，优选的，所述对所述连续多帧瑞利后向散射信号中的相邻帧瑞利后向散射信号进行频域变换，构造相邻两帧信号之间频域相位差异的互谱信息，包括：

29、沿光纤的空间方向对所述各候选子带瑞利散射包络进行滑动窗口划分，得到多个空间窗口内的局部子带瑞利散射信号；

30、遍历所有空间窗口，在每个空间窗口内，对相邻两帧局部瑞利散射信号进行频域变换，得到相邻两帧局部瑞利散射信号所对应的频域信号；

31、根据相邻两帧局部瑞利散射信号所对应的频域信号，构造相邻两帧信号之间频域相位差异的互谱信息。

32、在本发明中，优选的，所述根据所述互谱信息的相位随频率变化的线性斜率之前，所述方法还包括：

33、根据所述互谱信息，获取所述互谱信息的相位与幅值；

34、根据所述互谱信息的幅值在对应的候选子带内筛选，得到有效频点；

35、对所述有效频点所对应的互谱信息的相位进行相位解缠，得到解缠后的互谱信息的相位；

36、根据所述解缠后的互谱信息的相位，在各候选子带中确定最佳子带。

37、在本发明中，优选的，所述根据所述解缠后的互谱信息的相位，在各候选子带中确定最佳子带，包括：

38、对所述解缠后的互谱信息的相位进行线性拟合，得到拟合结果；

39、根据所述拟合结果计算各候选子带的拟合质量评价指标，并对各候选子带的拟合质量评价指标进行累计平均，得到累计平均后的拟合质量评价指标；

40、将累计平均后的拟合质量评价指标中的最优值且满足预设的稳定判据的候选子带确定为最佳子带。

41、在本发明中，优选的，所述候选子带的拟合质量评价指标通过以下公式获得：

42、

43、其中，为候选子带的拟合质量评价指标，为互谱信息的相位线性拟合残差方差，为有效频点的频率分布离散度。

44、在本发明中，优选的，所述根据所述互谱信息的相位随频率变化的线性斜率，估计相邻帧之间的局部时延，包括：

45、在所述最佳子带内，对全部瑞利散射包络进行互谱相位斜率解调；

46、对于每个空间窗口，将所述有效频点处的互谱信息的幅值作为频点可靠性权重，对相位解缠后的互谱信息的相位与频率进行加权线性拟合，得到互谱信息的相位随频率变化的线性斜率；

47、根据所述线性斜率，计算相邻帧局部时延。

48、在本发明中，优选的，所述将所述局部时延转换为对应空间位置处的动态应变或振动信息，包括：

49、所述局部时延与对应空间位置处的动态应变的转换关系通过以下公式表示：

50、

51、其中，为动态应变，为局部时延，为选取的最佳子带带宽，为线性调频脉冲宽度，为光载波的中心频率，为光纤应变系数。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本系统通过在处理单元中采用频域互谱相位斜率估计替代传统时域相关峰定位，避免了单一相关峰易受峰值展宽、伪峰干扰和离散采样定位误差影响的问题，提高了相邻帧瑞利散射包络微小时延估计的精度；本方法通过对获取的相干探测得到的连续多帧瑞利后向散射信号进行频域变换，构造相邻两帧信号之间频域相位差异的互谱信息，以及根据该互谱信息的相位随频率变化的线性斜率，估计相邻帧之间的局部时延，实现了利用互谱信息的相位斜率进行时延估计，不依赖于时域波形的相似度比较，抑制了低信噪比频点、相干衰落和局部频谱畸变对时延估计结果的影响，提高了解调方法在长距离、低信噪比条件下的稳定性和鲁棒性；通过将局部时延与线性调频脉冲的频率-时间映射关系相结合，将时延量转换为动态应变或振动信息，提高了解调效率，降低了噪声、相干衰落及相关峰定位误差对时延估计的影响，提高了长距离低信噪比下分布式动态应变解调的灵敏度与稳定性，进而提升了低频段声传感性能。