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

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010071038.3
• 申請(qǐng)日: 2020-01-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111238551B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周嫻;吳欽;王鯤;劉曉軍;霍佳皓;苑金輝;隆克平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01D5/353
• 分類(lèi)號(hào): G01D5/353;G01M11/00
• 代理公司: 北京市廣友專(zhuān)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(shí)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(xiàn)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(cè)器和數(shù)字信號(hào)處理器；其中，

窄線(xiàn)寬激光器，用于發(fā)射激光并將發(fā)射的激光通過(guò)第一耦合器分成兩路，其中，一路作為信號(hào)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(hào)，作為單邊帶信號(hào)的脈沖光經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)本振光和環(huán)形器輸出的瑞利散射光進(jìn)行混頻，混頻之后的光信號(hào)通過(guò)單個(gè)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；其中，混頻之后的光信號(hào)為單邊帶信號(hào)；

數(shù)字信號(hào)處理器，用于對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波并取濾波后電信號(hào)中的一個(gè)邊帶，對(duì)提取的邊帶進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到光纖擾動(dòng)信號(hào)的位置及相位；

所述方法包括：

在發(fā)送端，通過(guò)聲光調(diào)制器將信號(hào)光調(diào)制成脈沖光，脈沖光經(jīng)過(guò)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(guò)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(hào)；

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(jìn)行混頻，其中，混頻之后的光信號(hào)為單邊帶信號(hào)，混頻之后的光信號(hào)通過(guò)單個(gè)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波并取濾波后電信號(hào)中的一個(gè)邊帶，對(duì)提取的邊帶進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到光纖擾動(dòng)信號(hào)的位置及相位；

其中，所述脈沖光經(jīng)過(guò)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(guò)環(huán)形器輸出包括：

將調(diào)制后的脈沖光通過(guò)放大、帶通濾波之后經(jīng)過(guò)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(shí)域表達(dá)式為：

其中，t為時(shí)間，A_s(t)為瑞利散射光的幅值，f₀為窄線(xiàn)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(shí)相位偏移；

其中，本振光為載波，本振光s_LO(t)的時(shí)域表達(dá)式為：

其中，A_L為本振光的幅值，為本振光的瞬時(shí)相位偏移；

其中，本振光和環(huán)形器輸出的經(jīng)過(guò)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(hào)s_mix(t)的時(shí)域表達(dá)式為：

其中，光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)I(t)的時(shí)域表達(dá)式為：

其中，A_S²(t)為信號(hào)自拍頻干擾項(xiàng)；

其中，所述對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波并取濾波后電信號(hào)中的一個(gè)邊帶，對(duì)提取的邊帶進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到光纖擾動(dòng)信號(hào)的位置及相位包括：

對(duì)光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波并取濾波后電信號(hào)中的一個(gè)邊帶，得到瑞利散射光功率I_PF(t)表達(dá)式：

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

去除t₀時(shí)間內(nèi)的信號(hào)，得到t’＝NT時(shí)間內(nèi)的信號(hào)，將t’時(shí)間內(nèi)的信號(hào)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(duì)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(guò)功率差實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)位置定位；其中，無(wú)擾動(dòng)的位置功率差為0，有擾動(dòng)的位置功率差不為0，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)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(dòng)位置處瑞利散射光相位差與擾動(dòng)之前無(wú)擾動(dòng)位置瑞利散射光相位差做差，得到光纖擾動(dòng)信號(hào)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(dòng)位置處瑞利散射光相位差與擾動(dòng)之前無(wú)擾動(dòng)位置瑞利散射光相位差做差，得到光纖擾動(dòng)信號(hào)相位包括：

設(shè)無(wú)擾動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t_a+nT，擾動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t_b+nT，根據(jù)相位差公式：分別確定擾動(dòng)位置和無(wú)擾動(dòng)位置的瑞利散射光相位差，并將擾動(dòng)位置和無(wú)擾動(dòng)位置的瑞利散射光相位差做差，得到光纖擾動(dòng)信號(hào)相位

其中，t₁為第一個(gè)瑞利散射光周期中擾動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間，I_PF^*(t₁)為瑞利散射光功率I_PF(t)表達(dá)式的共軛，t_a為第一個(gè)瑞利散射光周期內(nèi)無(wú)擾動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間，t_b為第一個(gè)瑞利散射光周期內(nèi)擾動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間，n＝2…N,0t₁≤T，為擾動(dòng)信號(hào)引起的瑞利散射光的相位變化，為本振光的瞬時(shí)相位變化。