[發明專利]一種相位敏感型光時域反射系統提高效率的信號處理方法

有效

• 申請號: 201910001271.1
• 申請日: 2019-01-02
• 公開（公告）號: CN109540280B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 張益昕;陳可楠;張旭蘋;董秋豪;田曉波;徐偉弘
• 申請（專利權）人: 南京法艾博光電科技有限公司
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種相位敏感型光時域反射系統提高效率的信號處理方法，其特征在于：包括窄線寬激光器(1)、1×2光纖耦合器(2)、聲光調制器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、光纖環形器(5)、傳感光纖(6)、波形發生器(7)、2×2光纖耦合器(8)、平衡光探測器(9)、數據采集卡(10)、計算機(11)；其中，所述窄線寬激光器(1)經過1×2光纖耦合器(2)分成兩路，一路為傳感探針光信號經過聲光調制器(3)調制為光脈沖，并經過摻鉺光纖放大器(4)進行光功率放大，輸入光纖環形器(5)的一號端口并由二號端口輸出到傳感光纖(6)，產生的瑞利背向散射光由二號端口輸入并由三號端口輸出；1×2光纖耦合器(2)輸出的另一路為本地參考光信號與光纖環形器(5)的三號端口輸出的傳感信號進入2×2光纖耦合器(8)中合波，2×2光纖耦合器(8)兩個輸出端口與平衡光探測器(9)連接，平衡光探測器(9)進行光電轉換并由數據采集卡(10)進行模數轉換傳遞至計算機(11)進行信號處理；具體包括以下步驟：

步驟1：通過相干探測的相位敏感型光時域反射系統，得到探測光脈沖所產生的瑞利背向散射光與參考光的拍頻信號，拍頻信號通過指定參數的帶通濾波器進行中頻濾波，抑制寬帶噪聲，得到中頻信號；

步驟2：對于步驟1中得到的任一探測光脈沖所形成的瑞利背向散射中頻信號，選定窗口寬度，在距離軸上將中頻信號劃分成首尾相接且等寬度的區間D，按照距離軸正向的順序表示為D₀，D₁，…，D_i；

步驟3：對于步驟2中得到的首尾相接且等寬度的中頻信號區間，設各區間內所包含的中頻信號數據點數為K，且K∈N*：當K為奇數時，各區間內第(K+1)/2個數據點所對應的位置為中點位置；當K為偶數時，各區間內第K/2個數據點所對應的位置為中點位置，選取各區間的中點位置為區間索引(Index)，使用I₀，I₁，…，I_i來進行表示，并將其記為區間索引矩陣I＝[I_i]_1×(i+1)；

步驟4：對所有擾動區間是否完成鑒相進行判別，若都完成鑒相，則進行步驟9；若沒有則進行步驟5；

步驟5：將區間索引矩陣I的左右兩端元素分別記為I_Left和I_Right，則其涵蓋的原始中頻信號區間為[D_Left，D_Right]，選取以中頻信號區間左右兩端索引位置為中心，寬度等同于探測光脈沖的一段中頻信號作為目標數據進行相位解調并解卷繞，得到區間D₀和D_i中點位置所對應的相位即Φ_Left和Φ_Right；

步驟6：若Φ_Left和Φ_Right之差的絕對值小于判別閾值，判定區間[D_Left，D_Right]內無擾動，則返回步驟4；若Φ_Left和Φ_Right之差的絕對值大于判別閾值，則判定區間[D_Left，D_Right]內存在擾動，進行步驟7；

步驟7：若區間索引矩陣I只存在2個元素，則分別在這兩個元素索引的原始中頻信號位置處進行相位解調并解卷繞，以此表示發生外界擾動處的信號估計相位，返回步驟4；若否，則進行步驟8；

步驟8：提取所述的區間索引矩陣I＝[I_i]_1×(i+1)的中心位置元素I_Middle，當i為奇數時，I_Middle＝I_(i+1)/2；當i為偶數時，I_Middle＝I_i/2，將區間索引矩陣I＝[I_i]_1×(i+1)從中心位置處分割為兩個新的索引矩陣[I_Left，…，I_Middle]和[I_Middle，…，I_Right]，返回步驟4；

步驟9：對于步驟4中得到的中頻信號所有擾動區間的估計相位，對擾動區間內涵蓋的等寬區間D作相鄰區間相位差；對于非擾動區間，其涵蓋的等寬區間相鄰區間相位差記為零，回溯步驟1中得到的前一個探測光脈沖形成的瑞利背向散射中頻信號，同樣進行步驟2～步驟9的處理；

步驟10：對于任意兩個相鄰區間，對當前時刻與前一時刻的相位差再次進行差分運算，獲得這兩個相鄰區間的相位差的變化量，還原由外部振動信號引起的該相鄰區間之間的光纖伸縮情況，實現對外部振動信號的感測。