一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法及装置与流程

1.本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法及装置。


背景技术：

2.分布式光纤传感技术具备在大的空间范围内对任何位置进行物理量测量的独特优势，这使得该技术在过去几十年中得到了快速发展。当今最常用的两种分布式光纤传感技术，一种是基于反射测量法，另一种是基于干涉测量法。一般来说，基于反射测量的技术，如相敏光学时域反射计和布里渊光学时域分析/反射计，能够绘制整个传感光纤上的环境信息分布图，是监测电缆、铁路和桥梁等大型资产的理想候选者。而基于干涉测量的技术只能识别和定位单个事件，但具有事件获取速度快、灵敏度高、结构简单等优点，因此更适合在周界安防等应用中进行入侵检测。
3.双马赫-曾德尔干涉仪(dual mach-zehnder interferometer，dmzi)是一种广泛使用的基于干涉测量的分布式传感技术，并在全球商业市场上取得了巨大成功。标准dmzi传感器由共享相同物理光路的两个马赫-泽德尔干涉仪(mach-zehnder interferometer，mzi)组成，双向光信号在其中同时传播，并最终形成两个从相反方向携带扰动信息的干涉曲线，然后根据两个扰动曲线之间的时间延迟来计算扰动发生的位置。为了确保dmzi始终针对外界扰动具备最高灵敏度，系统光路需要运行在正交偏置点，即干涉仪中两路光信号之间的相位差需要稳定在
±
π/2。然而，环境温度变化等干扰因素将不可避免地导致该相位差发生变化，且较长的传感距离会直接放大这种影响，从而导致工作偏置点不稳定。克服这个问题的常见办法是引入反馈环路来实时监测偏置点，当相位差与其标称值(
±
π/2)不同时，相关信息将被转换成误差信号，用来控制预先安置在dmzi一臂中的相位调制器(phase modulation，pm)，以补偿环境引起的相位变化，pm通常由压电换能器(piezoe-lectric transducer，pzt)实现。
4.为了获得良好的反馈性能，反馈带宽通常应足够宽，以便及时赶上环境变化，从而确保将系统噪声水平降至最低。但实际上，反馈环路中的pm相当于一个的附加振动源，由于dmzi无法识别不同位置的两个或多个同时振动，此时必须注意后处理，以从受pm和振动事件同时影响的原始数据中提取事件相关数据。如果振动事件频率超出反馈带宽，则可以直接执行这样的后处理，因为此时在两个连续反馈步骤之间存在足够的持续时间来提取振动信号；当不满足这样的条件时，即振动频率接近或在反馈带宽内，pm感应信号和事件感应信号在物理上是不可区分的，从而导致定位振动事件的系统误差。
5.因此，当使用上述反馈方法时，待测振动事件的最小可测量频率必须远高于反馈带宽的最高截止频率，否则，振动事件的低频部分将与反馈信号发生混叠，使得振动信号发生不可逆畸变，并最终导致事件定位发生较大误差。即，为了能够测量到足够低的振动频率，需要反馈带宽足够窄；而为了确保系统及时执行相位补偿并具备较强鲁棒性，又需要反馈带宽应足够宽，若反馈带宽设定不合理，则无法维持系统稳定性与事件探测效率之间的
平衡。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的若反馈带宽设定不合理，则无法维持系统稳定性与事件探测效率之间的平衡缺陷，从而提供一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法及装置。
7.本发明第一方面提供了一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法，包括：获取双马赫-曾德尔干涉仪连续采集的多个采集点的振动信号，形成振动信号序列；将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，根据比较结果更新第一判定值与第二判定值；若根据第一判定值与第二判定值判定存在振动事件，则关闭反馈环路；若根据第一判定值与第二判定值判定不存在振动事件，则开启反馈环路，通过反馈环路调节双马赫-曾德尔干涉仪中的相位差。
8.可选地，在本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法中，将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，根据比较结果更新第一判定值与第二判定值的步骤，包括：将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，若振动信号序列的峰峰值大于预设阈值，则将第一判定值设定为第一设定值，将第二判定值设定为第二设定值，其中，当第二判定值为第二设定值时，表征存在振动事件。
9.可选地，在本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法中，振动信号由双马赫-曾德尔干涉仪周期性地，在每个周期中连续采集多个采集点的信号得到，其中，每个周期对应一个振动信号序列；将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，根据比较结果更新第一判定值与第二判定值的步骤，包括：若振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值，则将第一判定值设定为第三设定值；若当前周期的相邻前m个周期中第一判定值均为第三设定值，则将第二判定值设定为第四设定值，其中，当第二判定值为第四设定值时，表征不存在振动事件。
10.可选地，在本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法中，还包括：若当前周期的相邻前m个周期中，至少一个周期的第一判定值为第一设定值，则将第二判定值设定为第二设定值，其中，当第二判定值为第二设定值时，表征存在振动事件。
11.可选地，在本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法中，振动信号序列由双马赫-曾德尔干涉仪连续采集n个采集点的振动信号得到，双马赫-曾德尔干涉仪的数据采样间隔比反馈环路的反馈间隔短n倍。
12.可选地，在本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法中，若根据第一判定值与第二判定值判定存在振动事件，在关闭反馈环路的步骤之后，方法还包括：根据振动信号序列确定振动事件位置信息。
13.本发明第二方面提供了一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置，包括：数据采集模块，用于获取双马赫-曾德尔干涉仪连续采集的多个采集点的振动信号，形成振动信号序列；比较模块，用于将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，根据比较结果更新第一判定值与第二判定值；反馈环路控制模块，若根据第一判定值与第二判定值判定存在振动事件，则环路控制模块用于关闭反馈环路；若根据第一判定值与第二判定值判定不存在振动事件，则环路控制模块用于开启反馈环路，通过反馈环路调节双马赫-曾德尔干涉
仪中的相位差。
14.可选地，在本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置中，双马赫-曾德尔干涉仪周期性地采集振动信号，在每个周期中连续采集多个采集点的振动信号，每个周期对应一个振动信号序列，比较模块包括：比较子模块，用于将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较；第一赋值子模块，若振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值，则第一赋值子模块用于将第一判定值设定为第三设定值；第二赋值子模块，若当前周期的相邻前m个周期中第一判定值均为第三设定值，则第二赋值子模块用于将第二判定值设定为第四设定值，当第二判定值为第四设定值时，表征不存在振动事件。
15.本发明第三方面提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，从而执行如本发明第一方面提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法。
16.本发明第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行如本发明第一方面提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.本发明提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法及装置，在通过dmzi连续采集多个采集点的振动信号形成振动信号序列后，根据比较结果更新第一判定值和第二判定值，基于第一判定值和第二判定值可以确定是否存在振动事件，当判定存在振动事件时，关闭反馈环路，关闭反馈环路后，即使振动信号频率落在反馈带宽内，系统也可以无干扰地获取振动信息并正确定位，当判定不存在振动事件时，保持反馈环路处于开启状态，通过反馈环路调节dmzi中的相位差，使得dmzi在待机状态下可以保持在正交点工作，从而能够以最高灵敏度测量即将发生的振动事件。由此可见，通过实施本发明，只有在没有振动事件的情况下执行反馈操作，从而消除了事件诱导和反馈诱导相变之间的相互影响，解决了反馈带宽设置方面的矛盾，并且由于在振动事件发生时反馈被关闭，这样可以从大量测量数据中直接提取和振动事件相关的数据，极大地简化了后处理过程。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
20.图1为本发明实施例中双马赫-曾德尔干涉仪的结构示意图；
21.图2为本发明实施例中双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法的一个具体示例的流程图；
22.图3为本发明实施例中双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法的另一具体示例的流程图；
23.图4为本发明实施例中振动信号示意图；
24.图5为本发明实施例中双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置的一个具体示
例的原理框图；
25.图6为本发明实施例中计算机设备的一个具体示例的原理框图。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
29.基于反馈的dmzi传感器示意图如图1所示，dmzi包括光纤a、光纤b、光纤c、第一偏振控制器(polarization controller1，pc1)、第二偏振控制器(polarization controller2，pc2)、相位调制(phase modulation，pm)、第一光探测器(photo-detector1，pd1)、第二光探测器(photo-detector2，pd2)、第三光探测器(photo-detector3，pd3)、第一模数转换器(analog-to-digital converter1，adc1)、第二模数转换器(analog-to-digital converter2，adc2)、数模转换器(digital-to-analog converter，dac)、中央处理器(central processing unit，cpu)、第一循环器(circulator 1，c1)、第二循环器(circulator2，c2)、第三循环器(circulator 3，c3)，其中，光纤a、光纤b和光纤c的长度相等，光纤a和光纤b是dmzi的传感臂，光纤c仅负责引导沿顺时针和逆时针传输的光信号。
30.pc1、pd3、adc2、cpu、dac、pm组成了反馈环路，反馈环路的信号传输路径如图1所示，cpu分析由pd3和adc2输出的干涉结果，并通过dac向放置在光纤b中的pm发送补偿信号。该补偿信号主要是为了应对由环境温度等因素变化引起的光纤相位缓变，从而能够将dmzi干涉稳定在正交偏置点，以获得最高的振动传感灵敏度。
31.为了克服现有技术中若反馈带宽设定不合理，则无法维持系统稳定性与事件探测效率之间的平衡的缺陷，本发明实施例提供了一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法，如图2所示，包括：
32.步骤s11：获取双马赫-曾德尔干涉仪连续采集的多个采集点的振动信号，形成振动信号序列。
33.在一可选实施例中，通过dmzi中的adc1连续采集多个采集点的振动信号，形成振动信号序列，其中，振动信号序列可以为不同时刻的电压值。
34.步骤s12：将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，根据比较结果更新第一判定值与第二判定值。
35.在一可选实施例中，预设阈值为在没有振动的情况下略大于噪声曲线峰峰值的一个电压，取决于系统的热噪声、相干瑞利噪声和环境噪声，具体大小可以根据实际情况设定。
36.若根据第一判定值与第二判定值判定存在振动事件，则执行步骤s13，关闭反馈环路。
37.在本发明实施例中，当判定存在振动事件时，关闭反馈环路后，反馈回路中的pm不
会产生振动，无论反馈带宽如何设置，pm都不会影响与振动事件有关的数据的提取。
38.若根据第一判定值与第二判定值判定不存在振动事件，则执行步骤s14，开启反馈环路，通过反馈环路调节双马赫-曾德尔干涉仪中的相位差。
39.在本发明实施例中，当判定不存在振动事件时，开启反馈环路，通过反馈环路调节dmzi中的相位差，保证dmzi可以保持在正交点工作，从而使得dmzi能够以最高灵敏度测量即将发生的振动事件。
40.在一可选实施例中，反馈环路可以采用任意相关的方法对dmzi中的相位调查进行调节，本发明实施例中不做限定。
41.本发明实施例提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法，在通过dmzi连续采集多个采集点的振动信号形成振动信号序列后，根据比较结果更新第一判定值和第二判定值，基于第一判定值和第二判定值可以确定是否存在振动事件，当判定存在振动事件时，关闭反馈环路，关闭反馈环路后，即使振动信号频率落在反馈带宽内，系统也可以无干扰地获取振动信息并正确定位，当判定不存在振动事件时，保持反馈环路处于开启状态，通过反馈环路调节dmzi中的相位差，使得dmzi在待机状态下可以保持在正交点工作，从而能够以最高灵敏度测量即将发生的振动事件。由此可见，通过实施本发明，只有在没有振动事件的情况下执行反馈操作，从而消除了事件诱导和反馈诱导相变之间的相互影响，解决了反馈带宽设置方面的矛盾，并且由于在振动事件发生时反馈被关闭，这样可以从大量测量数据中直接提取和振动事件相关的数据，极大地简化了后处理过程。
42.在一可选实施例中，在执行上述步骤s11前，需要先对dmzi进行调试：顺序扫描驱动pm的电压v并观察干涉输出，使之覆盖2π的相位调制范围(即1个周期)，找到干涉结果的最大值和最小值，并分别计算与之对应的驱动电压值v
max
和v
min
。用v
ref
表示dmzi正交偏置点所对应的pm驱动电压，则v
ref
＝(v
max
v
min
)/2。
43.在一可选实施例中，如图3所示，上述步骤s12具体包括如下步骤：
44.若振动信号序列的峰峰值大于预设阈值，则将第一判定值设定为第一设定值，将第二判定值设定为第二设定值，其中，当第二判定值为第二设定值时，表征存在振动事件。
45.在一可选实施例中，第一设定值和第二设定值可以为相同的值，也可以为不同的值，示例性地，当振动信号序列的峰峰值大于预设阈值时，则将第一判定值s1和第二判定值s2都设定为1，当第二判定值为1时，判定存在振动事件。
46.在本发明实施例中，当振动信号序列的峰峰值v
pp
大于预设阈值v
th
时，则表明一定存在振动时间，如图4中最右侧的框所示，此时将第二判定值设定为能够表征存在振动事件的第二设定值。
47.在一可选实施例中，振动信号由dmzi周期性地采集振动信号，在每个周期中连续采集多个采集点的信号得到，其中，每个周期对应一个振动信号序列，如图3所示，上述步骤s12具体包括如下步骤：
48.若振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值，则将第一判定值设定为第三设定值。
49.若当前周期的相邻前m个周期中第一判定值均为第三设定值，则将第二判定值设定为第四设定值，其中，当第二判定值为第四设定值时，表征不存在振动事件。
50.若当前周期的相邻前m个周期中，至少一个周期的第一判定值为第一设定值，则将
第二判定值设定为第二设定值，其中，当第二判定值为第二设定值时，表征存在振动事件。
51.在本发明实施例中，当振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值时，并不能根据当前周期的振动信号直接判定是否存在振动事件，如图4所示，在图4最左侧的框中，振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值，此时并不存在振动事件，但是在图4中间的框中，虽然振动信号的峰峰值也小于或等于预设阈值，但是此时是存在振动事件的，因此，当振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值时，无法直接为第二判定值赋值，需要根据第一判定值的历史值决定第二判定值。
52.在一可选实施例中，m的值可以根据实际需求进行设定，示例性地，当m值为3时，表示当连续三个周期内第一判定值均为第一设定值时，将第二判定值设定为第二设定值，连续三个周期内第一判定值均为第一设定值，表明连续三个周期的振动信号序列的峰峰值都大于预设阈值，此时可以将第二判定值确定为第二设定值，判定当前存在振动事件，但是当连续三个周期的振动信号序列中，存在一个振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值时，表明由于干扰造成的振动的可能性较大，而并非出现振动事件，此时将第二判定值确定为第四设定值。
53.示例性地，将第一设定值、第二设定值确定为1，第三设定值和第四设定值确定为0，当振动信号序列的峰峰值大于预设阈值时，将第一判定值s1和第二判定值s2都确定为1，当振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值时，将s1确定为0，若连续多个周期中的s1都为0，则将s2确定为0，否则将s2确定为1，当s2为1时，表明存在振动事件，此时关闭反馈环路，当s2为0时，表明不存在振动事件，此时开启反馈环路。
54.在一可选实施例中，在本发明实施例提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法中，振动信号序列由双马赫-曾德尔干涉仪连续采集n2个采集点的振动信号得到，双马赫-曾德尔干涉仪的数据采样间隔比反馈环路的反馈间隔短n2倍。
55.本发明实施例提供的方法，只是以比传统反馈方法高n2倍的采样率(而非反馈速度)为代价，即可解决反馈带宽设置方面的矛盾，反馈环路不会对振动事件的振动信号产生干扰。
56.在一可选实施例中，在判定存在振动事件并关闭反馈环路后，根据振动信号序列确定振动事件位置信息。
57.在本发明实施例中，只有在第二判定值为第二设定值时，才会根据该第二判定值对应的振动信号序列确定振动事件信息，无需对其他振动信号进行处理，即，本发明实施例不需要通过复杂算法来提取与事件相关的数据，从而简化了后处理过程。
58.在一可选实施例中，本发明实施例提供的方法中不会将所有与振动相关的数据都用于后处理，而是专门从振动开始时选择适当的数据段，其持续时间短到足以忽略环境影响，同时又长到足以包含足够多个振动周期，以便准确进行事件定位。具体实施过程中，振动信号频率以及环境噪声频率越高则需要的数据段持续时间越短。
59.本发明实施例提供了一种双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置，如图5所示，包括：
60.数据采集模块21，用于获取双马赫-曾德尔干涉仪连续采集的多个采集点的振动信号，形成振动信号序列，详细内容参见上述实施例中对步骤s11的描述，在此不再赘述。
61.比较模块22，用于将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较，根据比较结果
更新第一判定值与第二判定值，详细内容参见上述实施例中对步骤s12的描述，在此不再赘述。
62.反馈环路控制模块23，若根据第一判定值与第二判定值判定存在振动事件，则环路控制模块用于关闭反馈环路；若根据第一判定值与第二判定值判定不存在振动事件，则环路控制模块用于开启反馈环路，通过反馈环路调节双马赫-曾德尔干涉仪中的相位差，详细内容参见上述实施例中对步骤s13、步骤s14的描述，在此不再赘述。
63.在一可选实施例中，在本发明实施例提供的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置中，双马赫-曾德尔干涉仪周期性地采集振动信号，在每个周期中连续采集多个采集点的振动信号，每个周期对应一个振动信号序列，比较模块22包括：
64.比较子模块，用于将振动信号序列的峰峰值与预设阈值进行比较；
65.第一赋值子模块，若振动信号序列的峰峰值小于或等于预设阈值，则第一赋值子模块用于将第一判定值设定为第三设定值，详细内容参见上述方法实施例中的描述，在此不再赘述。
66.第二赋值子模块，若当前周期的相邻前m个周期中第一判定值均为第三设定值，则第二赋值子模块用于将第二判定值设定为第四设定值，其中，当第二判定值为第四设定值时，表征不存在振动事件，详细内容参见上述方法实施例中的描述，在此不再赘述。
67.本发明实施例提供了一种计算机设备，如图6所示，该计算机设备主要包括一个或多个处理器31以及存储器32，图6中以一个处理器31为例。
68.该计算机设备还可以包括：输入装置33和输出装置34。
69.处理器31、存储器32、输入装置33和输出装置34可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。
70.处理器31可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器31还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器32可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置的使用所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器32可选包括相对于处理器31远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置。输入装置33可接收用户输入的计算请求(或其他数字或字符信息)，以及产生与双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制装置有关的键信号输入。输出装置34可包括显示屏等显示设备，用以输出计算结果。
71.本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的双马赫-曾德尔干涉仪的反馈环路控制方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，
ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
72.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。