[發(fā)明專利]分布式相位敏感光時域反射儀傳感系統(tǒng)及相位提取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010071038.3
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111238551B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周嫻;吳欽;王鯤;劉曉軍;霍佳皓;苑金輝;隆克平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01M11/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種應(yīng)用于分布式相位敏感光時域反射儀傳感系統(tǒng)的相位提取方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：窄線寬激光器、第一耦合器、聲光調(diào)制器、環(huán)形器、第二耦合器、光電探測器和數(shù)字信號處理器；其中，

窄線寬激光器，用于發(fā)射激光并將發(fā)射的激光通過第一耦合器分成兩路，其中，一路作為信號光被聲光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光并在聲光調(diào)制器頻移的作用下成為單邊帶信號，作為單邊帶信號的脈沖光經(jīng)過環(huán)形器注入傳感光纖，從傳感光纖反射回的瑞利散射光通過環(huán)形器輸出；另一路作為本振光發(fā)送至第二耦合器；

第二耦合器，用于對本振光和環(huán)形器輸出的瑞利散射光進行混頻，混頻之后的光信號通過單個光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換；其中，混頻之后的光信號為單邊帶信號；

數(shù)字信號處理器，用于對光電轉(zhuǎn)換后的電信號進行帶通濾波并取濾波后電信號中的一個邊帶，對提取的邊帶進行數(shù)字信號處理，得到光纖擾動信號的位置及相位；

所述方法包括：

在發(fā)送端，通過聲光調(diào)制器將信號光調(diào)制成脈沖光，脈沖光經(jīng)過環(huán)形器注入傳感光纖，從傳感光纖反射回的瑞利散射光通過環(huán)形器輸出；其中，脈沖光在聲光調(diào)制器頻移的作用下成為單邊帶信號；

在接收端，將本振光和環(huán)形器輸出的瑞利散射光在第二耦合器中進行混頻，其中，混頻之后的光信號為單邊帶信號，混頻之后的光信號通過單個光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，對光電轉(zhuǎn)換后的電信號進行帶通濾波并取濾波后電信號中的一個邊帶，對提取的邊帶進行數(shù)字信號處理，得到光纖擾動信號的位置及相位；

其中，所述脈沖光經(jīng)過環(huán)形器注入傳感光纖，從傳感光纖反射回的瑞利散射光通過環(huán)形器輸出包括：

將調(diào)制后的脈沖光通過放大、帶通濾波之后經(jīng)過環(huán)形器注入傳感光纖，從傳感光纖反射回的瑞利散射光s_RBS(t)的時域表達式為：

其中，t為時間，A_s(t)為瑞利散射光的幅值，f₀為窄線寬激光器的頻率，f_b為聲光調(diào)制器的頻移量，為瑞利散射光的瞬時相位偏移；

其中，本振光為載波，本振光s_LO(t)的時域表達式為：

其中，A_L為本振光的幅值，為本振光的瞬時相位偏移；

其中，本振光和環(huán)形器輸出的經(jīng)過放大、帶通濾波之后的瑞利散射光在第二耦合器中混頻后，輸出的光信號s_mix(t)的時域表達式為：

其中，光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號I(t)的時域表達式為：

其中，A_S²(t)為信號自拍頻干擾項；

其中，所述對光電轉(zhuǎn)換后的電信號進行帶通濾波并取濾波后電信號中的一個邊帶，對提取的邊帶進行數(shù)字信號處理，得到光纖擾動信號的位置及相位包括：

對光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號進行帶通濾波并取濾波后電信號中的一個邊帶，得到瑞利散射光功率I_PF(t)表達式：

其中，時間t＝t₀+NT，N為提取的信號I_PF(t)中有完整瑞利散射光周期的個數(shù)，T為瑞利散射光的周期，t₀為提取的信號I_PF(t)中第一個不完整周期瑞利散射光持續(xù)時間；

去除t₀時間內(nèi)的信號，得到t’＝NT時間內(nèi)的信號，將t’時間內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換為N×T的數(shù)據(jù)矩陣，其中，每行數(shù)據(jù)與傳感光纖中隨距離變化的瑞利散射光相對應(yīng)；

以數(shù)據(jù)矩陣的行為單位，確定數(shù)據(jù)矩陣中行之間數(shù)據(jù)的功率差，通過功率差實現(xiàn)擾動位置定位；其中，無擾動的位置功率差為0，有擾動的位置功率差不為0，以此來實現(xiàn)擾動信號的定位；

以數(shù)據(jù)矩陣的行為單位，確定數(shù)據(jù)矩陣中行之間數(shù)據(jù)的相位差，將擾動位置處瑞利散射光相位差與擾動之前無擾動位置瑞利散射光相位差做差，得到光纖擾動信號相位。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位提取方法，其特征在于，所述將擾動位置處瑞利散射光相位差與擾動之前無擾動位置瑞利散射光相位差做差，得到光纖擾動信號相位包括：

設(shè)無擾動位置對應(yīng)的時間為t_a+nT，擾動位置對應(yīng)的時間為t_b+nT，根據(jù)相位差公式：分別確定擾動位置和無擾動位置的瑞利散射光相位差，并將擾動位置和無擾動位置的瑞利散射光相位差做差，得到光纖擾動信號相位

其中，t₁為第一個瑞利散射光周期中擾動位置對應(yīng)的時間，I_PF^*(t₁)為瑞利散射光功率I_PF(t)表達式的共軛，t_a為第一個瑞利散射光周期內(nèi)無擾動位置對應(yīng)的時間，t_b為第一個瑞利散射光周期內(nèi)擾動位置對應(yīng)的時間，n＝2…N,0t₁≤T，為擾動信號引起的瑞利散射光的相位變化，為本振光的瞬時相位變化。