[發明專利]一種基于亞奈奎斯特采樣的Φ-OTDR系統中多頻帶信號檢測方法

有效

• 申請號: 202010815080.1
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN112019219B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 秦增光;馮玉茹;劉兆軍;叢振華;李釗;渠帥;王恒
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H03M7/30
• 分類號: H03M7/30
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 付秀穎

本發明公開了一種基于亞奈奎斯特采樣的φ?OTDR系統中多頻帶信號檢測方法，其特征在于，包括步驟如下：S1.設計非均勻亞奈奎斯特采樣序列；S2.確定振動信號位置；S3.得到采樣數據和原始頻譜關系,確定采樣數據的頻譜y(f)和頻譜關系系數矩陣A；S4.由連續到有限算法得到x(t)的多樣性S，頻譜方程轉換為y_S(f)＝A_S(f)x^S(f)；S5.求解方程y_S(f)＝A_S(f)x^S(f),得到信號頻譜，再得到信號時域譜。其優點在于本發明可以用低于奈奎斯特采樣頻率采集多頻帶信號，打破了φ?OTDR系統中探測信號頻率和探測距離之間的矛盾，可以實現以較低采樣頻率，采集多頻帶信號，同時也降低了需要存儲和計算的數據量，提高了計算速度。

技術領域

本發明涉及了一種基于亞奈奎斯特采樣的φ-OTDR系統中多頻帶信號檢測方法，屬于光纖傳感領域。

背景技術

由于光纖具有體積小，重量輕，抗干擾能力強，保真度高等特性。利用光纖作為敏感元件和傳輸介質的光纖傳感系統在民事軍事設施等方面越來越引人關注。作為分布式光纖傳感的代表，φ-OTDR以其實時性好，靈敏度高，多點檢測等眾多優點，被廣泛使用在周界安防，自然災害檢測，異物入侵監測，等眾多領域，越來越有著其不可替代的優勢。近年來，很多人已經用φ-OTDR來測量頻率較稀疏的振動信號。然而，自然界中許多振動并不是由單一或幾個稀疏頻率組成的，而是由一個個頻帶構成。比如人在唱歌時運用肌肉拉動聲帶,會發出諸多泛音成分,頻率高達8-10KHz。同時，許多自然災害也是在頻帶范圍內振動的，如地震產生的次聲波在20Hz以下。針對頻帶信號的檢測，φ-OTDR系統有著其獨一無二的振動檢測能力，可以快速準確的獲取振動信息。

然而，隨著振動信號頻率的增加，受奈奎斯特采樣定理的限制，所需要的采樣頻率也需要相應的增加。奈奎斯特采樣定理指出，為了不失真的恢復信號，采樣頻率應至少大于信號中最高頻率2倍時，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍。在φ-OTDR中，基于奈奎斯特采樣定理采樣頻率應該至少是振動信號頻率的2倍。在φ-OTDR系統中，采樣頻率由脈沖重復頻率決定，而脈沖重復頻率與傳感距離成反比，因此，所需要檢測的振動信號頻率越高，傳感距離越短，這極大的限制了φ-OTDR系統的應用范圍。同時，高速的采樣頻率也會帶來較大的存儲和計算數據量，這也影響了數據的處理速度。

發明內容

本申請在φ-OTDR系統中發明了一種亞奈奎斯特采樣多頻帶的方法，在不知道頻帶信息的情況下，以較低的脈沖重復頻率實現對高頻帶信號的頻域和時域恢復。其技術方案為，

一種基于亞奈奎斯特采樣的φ-OTDR系統中多頻帶信號檢測方法，包括步驟如下：

S1.設計非均勻亞奈奎斯特采樣序列；

S2.確定振動信號位置；

S3.得到采樣數據和原始頻譜關系，確定采樣數據的頻譜y(f)和頻譜關系系數矩陣A；

S4.確定振動信號x(t)的多樣性S，將頻譜方程轉換為y_S(f)＝A_S(f)x^s(f)；

S5.求解方程y_S(f)＝A_S(f)x^S(f),得到信號頻譜，再得到信號時域譜。

進一步的，所述步驟S1，設計非均勻亞奈奎斯特采樣序列，包括步驟如下：

S11.確定一個奈奎斯特采樣頻率f_N，用x(nT_N)表示奈奎斯特采樣點，n代表以奈奎斯特采樣的第n個采樣點，其中T_N表示奈奎斯特采樣的時間間隔；