[發明專利]一種用于直接探測型φ-OTDR的相位解調方法

在審

• 申請號: 202110547207.0
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113091784A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 沙洲;龐峰;封皓;李晨曦;芮小博;孫茜
• 申請（專利權）人: 精儀監測科技（蘇州）有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種用于直接探測型φ?OTDR的相位解調方法，通過信號抽取、包絡提取、和差計算、帶通濾波等手段，從原始時域光強信號中直接構造出包含擾動相位的正交分量，進而實現相位解調。本發明不同于一般的φ?OTDR相位解調方法，其特點在于不使用外差探測、3×3耦合器、BPD平衡探測器或PGC相位調制，不需要進行中頻信號的高速采集。本發明能夠在不使用任何附加光學器件、附加光路結構的條件下，僅通過數字信號處理手段，實現直接探測型φ?OTDR系統瑞利散射光場的相位解調。

技術領域

本發明涉及相位解調領域，尤其涉及一種在直接探測φ-OTDR(相位敏感型光時域反射儀)系統中，通過數字信號處理手段，從原始時域光強信號中直接構造正交信號的相位解調方法。

背景技術

相位敏感光時域反射儀φ-OTDR是一種分布式光纖振動傳感技術，在長輸油氣管線入侵預警、PCCP(預應力鋼筒混凝土管)管道斷絲與泄漏監測、關鍵軍事區域周界安防等領域有很好的應用前景。φ-OTDR重復性的向傳感光纖中發射探測脈沖，同時接收脈沖在光纖中產生的回波-瑞利后向散射光(Rayleigh Back Scattered Wave，RBS)。當光纖某處發生擾動時，局部折射率被調制，導致擾動位置下游的RBS光場發生相位變化。解調出這種變化，即可獲得外界擾動的信息。根據探測方式的不同，φ-OTDR分為直接探測型和相干探測型。根據本地參考光頻率的不同，相干探測進一步分為外差探測和零差探測。

現有的φ-OTDR相位解調技術一般使用外差探測、雙通道正交探測、3×3耦合器三路探測、PGC(相位載波產生)光學相位載波產生等方式進行RBS光場的相位解調，這些方法不僅增加系統的復雜度和成本，還會引入一些額外的信號干擾。例如，使用外差探測，需要對干涉得到的中頻信號進行高速數據采集，并且信號光與本地參考光之間的偏振失配會使信噪比惡化。使用雙路正交探測、3×3耦合器三路探測等手段，需要使用多通道同步探測和采集。不同采集卡、不同探測器間的器件不一致性會在解調出的相位中引入畸變。使用PGC光學相位載波產生方式進行相位解調，需要引入額外的相位調制器件，例如PZT(壓電陶瓷換能器)調制器，使系統復雜化。同時，PGC算法的解調過程也極為復雜，會耗費大量的計算資源。

總之，直接探測型φ-OTDR系統的相位解調問題目前尚無有效解決方案。本發明提供了這樣一種算法，可以在不增加任何附加器件或光路的條件下，實現直接探測φ-OTDR系統的相位解調。

發明內容

本發明用于解決現有技術不能實現直接探測型φ-OTDR相位解調的問題，提出了一種實現直接探測型φ-OTDR相位解調的方法，詳見下文描述：

一種用于直接探測型φ-OTDR的相位解調方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1)發生擾動時，確定擾動在瑞利散射曲線上的響應區間；從響應區間中任意選取兩條原始時域光強信號，記為A、B；

2)對A、B信號波形進行上、下包絡線的擬合；分別求取A、B信號波形上、下包絡線和、差，和信號作為對信號直流分量的估計，差信號作為對信號振動幅度的估計；

3)利用步驟2)中的和、差信號，對A、B信號進行歸一化，去除A、B信號的直流漂移和幅度波動，記歸一化后的A、B曲線為A’、B’；

4)計算A’、B’的和、差，記為Sum、Diff；對Sum、Diff信號進行上下包絡的擬合；

5)分別求取Sum、Diff信號上下包絡的和、差信號作為對信號直流分量的估計，差信號作為對信號振動幅度的估計；

6)利用步驟5)中的和、差信號，對Sum、Diff信號進行歸一化，去除Sum、Diff信號的直流漂移和幅度波動，記歸一化后的Sum、Diff信號為Sum’、Diff’；