本發(fā)明是關(guān)于一種分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)中衰落噪聲的消除系統(tǒng)，涉及分布式光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、分布式光纖聲波傳感(distributed?fiber-optic?acoustic?sensing，das)技術(shù)利用了光纖中的瑞利背向散射來實(shí)現(xiàn)傳感和定位。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)中需要向光纖中注入高相干的脈沖光，而探測到的背向散射光即為脈沖寬度內(nèi)所有位置處的瑞利散射光。由于瑞利散射的幅度和相位沿著光纖軸向均是隨機(jī)分布的，而探測到的信號(hào)為這些隨機(jī)散射的疊加，從而探測到的信號(hào)在強(qiáng)度上將會(huì)有很大的起伏，這個(gè)起伏即為衰落噪聲。

2、衰落噪聲是分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)所固有的，是由瑞利散射的隨機(jī)性所引起的。隨著分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)性能的不斷提高，衰落噪聲已經(jīng)成為制約該系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵問題。衰落噪聲不但會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤，從而給測量結(jié)果帶來很大誤差，制約系統(tǒng)應(yīng)用效果。

3、hartog等人使用多個(gè)光學(xué)頻率來降低衰落噪聲，該系統(tǒng)中設(shè)置有多個(gè)不同的光學(xué)頻率，不同光學(xué)頻率下的信號(hào)疊加以降低衰落引起的噪聲。zhao等人在少模光纖中使用空分復(fù)用來抑制衰落噪聲。這些方法采用多維(頻域、相位域或空間域)信號(hào)的平均值來抑制隨機(jī)衰落噪聲，增加了硬件或調(diào)制信號(hào)的復(fù)雜性。dong等人基于博弈論提出去噪網(wǎng)絡(luò)，稱為卷積對抗去噪方法，用于抑制das數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲。zhao等人提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的das數(shù)據(jù)降噪器，該降噪器可以抑制衰落噪聲以及其他各種噪聲。然而，降噪器需要一個(gè)訓(xùn)練集，這種方法的適應(yīng)性是有限的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)中衰落噪聲的消除系統(tǒng)，能夠消除分布式光纖聲波傳感中的衰落噪聲，提高信號(hào)質(zhì)量。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、第一方面，本發(fā)明提供的一種分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)中衰落噪聲的消除系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、光移頻調(diào)制器、光放大器、光環(huán)形器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)解調(diào)器；所述光源發(fā)出的激光經(jīng)所述光移頻調(diào)制器調(diào)制為具有頻率差的雙脈沖光，所述雙脈沖光經(jīng)所述光放大器放大后通過所述光環(huán)形器注入光纖內(nèi)，所述光纖內(nèi)產(chǎn)生的瑞利背向散射光發(fā)射回所述光環(huán)形器，所述光環(huán)形器出射的光經(jīng)所述光電探測器探測轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)經(jīng)所述數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)據(jù)解調(diào)器對所述數(shù)字信號(hào)采用衰落噪聲消除方法解調(diào)得到消除了衰落噪聲的信號(hào)。

4、進(jìn)一步地，所述光源發(fā)出的頻率為f0的連續(xù)激光經(jīng)所述光移頻調(diào)制器調(diào)制為具有頻率差的雙脈沖光，兩個(gè)脈沖的寬度均為w，脈沖間隔為d，其中，調(diào)制后的第一個(gè)光脈沖頻率為f0+f1，調(diào)制后的第二個(gè)光脈沖頻率為f0+f2。

5、進(jìn)一步地，所述衰落噪聲消除方法的實(shí)現(xiàn)過程，包括：

6、將所述光纖置于笛卡爾坐標(biāo)系中，所述光纖沿著z軸方向，獲取所述光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的光場ers(z,t)；

7、獲取光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的干涉光強(qiáng)，其中，干涉光強(qiáng)為光場ers(z,t)的平方；

8、對瑞利背向瑞利散射光的干涉光強(qiáng)進(jìn)行外差解調(diào)解算，獲得外界振動(dòng)引起的光纖中光波相位的變化量其中，γ(z,t)為位置z處的衰落因子，d為脈沖光的間隔，sin(2πfst)為外界振動(dòng)引起的光波真實(shí)相位變化量，為共模噪聲項(xiàng)；

9、利用共模噪聲得到衰落因子γ(z,t)的值，將φ(z,t)除以衰落因子γ(z,t)的值，得到：

10、

11、根據(jù)共模噪聲的飄移頻率選擇高通濾波器，通過高通濾波器濾除低頻慢飄的共模噪聲項(xiàng)，得到消除了衰落噪聲的光波相位解調(diào)結(jié)果：

12、

13、進(jìn)一步地，所述光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的光場ers(z,t)為：

14、

15、其中，e1為第一個(gè)光脈沖的振幅，e2為第二個(gè)光脈沖的振幅，r(p,t)為光纖上位置p處在時(shí)刻t的瑞利散射率，θ(p,t)為光纖上位置p處在時(shí)刻t的瑞利散射相位，r和θ為隨機(jī)量；為位置p處瑞利背向散射光所經(jīng)歷的相位變化總量，為光纖上位置l處在時(shí)刻t由外界振動(dòng)引起的光波相位變化量，為第一個(gè)光脈沖經(jīng)歷的共模噪聲，為第二個(gè)光脈沖經(jīng)歷的共模噪聲。

16、進(jìn)一步地，利用共模噪聲得到衰落因子γ(z,t)值的具體過程為：

17、對φ(z,t)所有位置z處的信號(hào)添加低通濾波，提取共模噪聲的低頻慢飄項(xiàng)；

18、對濾波后的信號(hào)按照位置求取有效值，記為r(z)，則不同位置上的衰落因子為γ(z)＝r(z)/max(r(z))，其中，max(*)為計(jì)算最大值。

19、第二方面，本發(fā)明提供一種分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)中衰落噪聲的消除系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光移頻調(diào)制器、第二光移頻調(diào)制器、光相位調(diào)制器、光放大器、光環(huán)形器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)解調(diào)器；所述光源發(fā)出頻率為f0的連續(xù)激光，經(jīng)所述第一光耦合器分成兩路，第一路光經(jīng)所述第一光移頻調(diào)制器移頻后的光波頻率為f0+f1，連續(xù)激光被調(diào)制成寬度為w的脈沖光；第二路光經(jīng)所述第二光移頻調(diào)制器移頻后的光波頻率為f0+f2，連續(xù)激光被調(diào)制成寬度為w的脈沖光，光波頻率為f0+f2光經(jīng)過所述光相位調(diào)制器對光波相位進(jìn)行正弦調(diào)制，頻率為fc，同時(shí)，所述第二光移頻調(diào)制器還對脈沖光進(jìn)行延時(shí)，使得第一路光與第二路光脈沖延時(shí)間隔為d；兩路調(diào)制后的光經(jīng)所述第二光耦合器合束成一路，合束光發(fā)送到所述光放大器放大后經(jīng)所述光環(huán)形器注入光纖內(nèi)，所述光纖內(nèi)產(chǎn)生的瑞利背向散射光發(fā)射回所述光環(huán)形器，經(jīng)所述光環(huán)形器出射的光經(jīng)所述光電探測器探測轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)經(jīng)所述數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)據(jù)解調(diào)器對所述數(shù)字信號(hào)采用衰落噪聲消除方法解調(diào)得到消除了衰落噪聲的信號(hào)。

20、進(jìn)一步地，所述衰落噪聲消除方法的實(shí)現(xiàn)過程，包括：

21、將所述光纖置于笛卡爾坐標(biāo)系中，所述光纖沿著z軸方向，獲取光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的光場ers(z,t)；

22、獲取光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的干涉光強(qiáng)，其中，光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的干涉光強(qiáng)為光場ers(z,t)的平方；

23、對光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的干涉光強(qiáng)進(jìn)行外差解調(diào)解算，得到的外界振動(dòng)引起的光纖中光波相位的變化量：

24、φ(z,t)＝-dγ(z,t)sin(2πfst)+γ(z,t)sin(2πfct)；

25、其中，γ(z,t)為位置z處的衰落因子，sin(2πfst)為外界振動(dòng)引起的光波真實(shí)相位變化量，sin(2πfct)為光相位調(diào)制器加載的固定頻率相位調(diào)制信號(hào)；

26、利用固定調(diào)制得到衰落因子γ(z,t)，并將φ(z,t)除以衰落因子γ(z,t)，得到：

27、

28、添加低通濾波器的截止頻率，通過低通濾波器濾除φ(z,t)的固定調(diào)制項(xiàng)sin(2πfct)，得到：

29、

30、其中，低通濾波器的截至頻率fcut<fc。

31、進(jìn)一步地，光纖位置z處的瑞利背向瑞利散射光的光場ers(z,t)；

32、

33、其中，e1為第一路光脈沖的振幅，e2為第二路光脈沖的振幅，r(p,t)為光纖上位置p處在時(shí)刻t的瑞利散射率，θ(p,t)為光纖上位置p處在時(shí)刻t的瑞利散射相位，r(p,t)和θ(p,t)為沿著空間位置p的隨機(jī)量；為位置p處瑞利背向散射光所經(jīng)歷的相位變化總量，為光纖上位置l處在時(shí)刻t由外界振動(dòng)引起的光波相位變化量。

34、進(jìn)一步地，利用固定調(diào)制得到衰落因子γ(z,t)的方法為：第一種方法：對所有位置z處的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到功率譜密度，依次提取位置z在頻率fc處的功率譜強(qiáng)度pc(z)，則不同位置上的衰落因子為γ(z,t)＝pc(z)/max(pc(z))，其中，max(*)為計(jì)算最大值；第二種方法：對所有位置z處的信號(hào)添加帶通濾波，濾波器通帶頻率為fc，然后對濾波后的信號(hào)按照位置求取有效值，記為r(z)，則不同位置上的衰落因子為γ(z,t)＝r(z)/max(r(z))，其中，max(*)為計(jì)算最大值。

35、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下特點(diǎn)：由于瑞利散射隨位置是隨機(jī)變化的，從而衰落噪聲也是隨位置隨機(jī)變化的，通過本發(fā)明可以有效地消除分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)中的衰落噪聲，消除錯(cuò)誤信號(hào)的干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。綜上，本發(fā)明在分布式聲波傳感、地震波勘探、油田測井等方面具有很好的應(yīng)用前景。