[发明专利]一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法

说明书

本发明公开了一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法，该方法可以通过噪声方差及瑞利散射谱品质因素两个参数有效地指导用户对子集窗的大小进行最优选取，主要采用互相关分析计算参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱之间的偏移量，从而得到被测光纤中的应变信息，其中用于互相关计算的两组瑞利散射谱子集的长度通常是由用户基于经验定义的子集窗，而该子集窗对互相关计算的可靠性及应变测量的精度有着关键性影响，合理地优化子集窗对提高互相关可靠性及应变计算精度可以起到重要的作用。

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域,尤其涉及一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法。

背景技术

光频域反射技术(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)是分布式光纤测量与传感技术中新兴的发展方向。较传统光时域反射方法(Optical Time DomainReflectometry,OTDR)，OFDR具有信噪比高，空间分辨率高，灵敏度高等特点。基于OFDR的分布式应变测量主要是通过互相关分析计算被测光纤中应变发生前后的瑞利散射谱偏移量，从而得到相应的应变信息。

在实际测量过程中，应变测量的精度受很多因素的影响，如信噪比的大小，子集窗的长度，插值函数的选择等。其中对于噪声的处理、插值函数的选择可以根据测量需求调整解调算法软件以满足用户对测量精度的需求。而对于子集窗长度的定义，通常由用户基于已有测量经验粗略地给出，而子集窗的长度对互相关计算的可靠性及应变测量的精度有着关键性影响。

一般来说，子集窗的长度越长，测量子集内包含的区别与其他子集的特征信息就越多，这样得到的互相关分析结果就越可靠。但是子集窗的长度越长，反应结构局部潜在应变信息的能力就越差，也就是应变测量准确性的下降。因此，基于以上两点的考虑，子集窗的长度选择应该在满足互相关计算可靠性的基础上越小越好。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法具体包括以下步骤：

S1：采用光频域反射计方式采集被测光纤中的瑞利散射谱信息，其中瑞利散射谱信息包括参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱；

S2：采用子集窗长度优化算法计算该组瑞利散射谱的子集窗长度；

S3：根据S2中得到的子集窗长度在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱进行截断，得到若干个距离域上的测量子集和参考子集；

S4：将S3得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换，此时测量子集和参考子集变换到谱域，谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析得到每组子集的频谱偏移量ΔF；

S5：将每组子集的频谱偏移量ΔF转换为被测光纤中的应变信息ε。

进一步的，所述参考瑞利散射谱的子集窗长度采用如下方式获取：

S21：计算当前瑞利散射谱中的噪声方差D(η)；

S22：根据所需的应变计算精度σ，通过品质因素Q的阈值计算公式计算Q的阈值；

S23：设置应变测量的空间分辨率为M，计算该光纤的子集数量子集窗长度初始值W＝M，子集窗扩展步长S＝1；

S24：对谱域上的瑞利散射谱数据进行傅里叶变换，用长度为W的子集窗在变换得到的距离域数据上截取K个子集；

S25：将每个子集进行补零至I个点的傅里叶逆变换，计算子集的信号强度梯度平方和和瑞利散射谱品质因素Q，其中其中δ_n＝g_n+1-g_n；

S26：判断当前子集窗长度下的品质因素Q是否超过设定阈值，如果超过阈值，则子集窗长度即为M；