[發(fā)明專利]分布式光纖振動傳感的解調(diào)方法

在審

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• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN114623921A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙東鋒;張強;葛啟帥;陳旸
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學技術(shù)大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫蕾

一種分布式光纖振動傳感的解調(diào)方法，包括：將脈沖光輸入至光纖中得到的瑞利散射光和參考光發(fā)生拍頻，得到待解調(diào)信號；對待解調(diào)信號進行正交解調(diào)處理及濾波處理，得到光纖上對應(yīng)于第k個脈沖的第a個采樣點的I信號和Q信號根據(jù)I信號Q信號和標距窗口，得到對應(yīng)于第k個脈沖的第a個采樣點的歸一化I信號和歸一化Q信號獲取對應(yīng)于第確定第a個采樣點的相對相位將第a個至第a+M?1個采樣點的相對相位之和與第a+N個至第a+M+N?1個采樣點的相對相位之和做差，得到時間和空間分辨的相對相位M≥1，N≥1；對時間和空間分辨的相對相位進行相位解纏繞。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于分布式光纖聲波傳感領(lǐng)域，特別涉及分布式光纖振動傳感的解調(diào)方法。

背景技術(shù)

由于光纖存在不均勻的固有缺陷，激光在光纖中傳播時會產(chǎn)生瑞利散射，由于彈光效應(yīng)，當外界振動(例如聲波)作用于光纖時，光纖的折射率和長度都將產(chǎn)生微小變化，進而使得瑞利散射光的強度和相位發(fā)生變化。通過對瑞利散射光的強度和相位進行解調(diào)就可以獲得光纖沿線的振動和聲波的信息。由于散射光強度與外界振動并不是呈單調(diào)變化的，解調(diào)強度只能用于定性檢測，無法定量準確反映外界的振動信號。相比而言，散射光的相位變化與外界擾動大小呈線性關(guān)系，因此通過解調(diào)相位可以定量重建外界擾動信息。在分布式光纖傳感領(lǐng)域，基于相位敏感的分布式光纖聲波傳感技術(shù)(DAS)具有靈敏度高、準確還原外界振動等特點，同時具有探測距離長、分布式、且不易受電磁干擾等優(yōu)勢，已經(jīng)在周界入侵安防監(jiān)測，如鐵路和管道等入侵，以及結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測，如山體滑坡監(jiān)測預警等領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用。近些年來分布式光纖聲波傳感技術(shù)憑借其定量重建振動波形和觀測密度高等諸多優(yōu)勢，也引起了天然地震學界的關(guān)注，并且在地震探測和地下空間結(jié)構(gòu)成像研究等方面取得一定的應(yīng)用發(fā)展。

基于相位敏感的分布式光纖聲波傳感技術(shù)(DAS)的基本原理如下：

該技術(shù)使用的光纖為單模光纖，當單模光纖受到外界振動和聲波等作用時，會產(chǎn)生軸向的伸縮，進而會使單模光纖的長度和折射率發(fā)生改變。當激光在光纖中傳播時，其強度和相位也會隨之發(fā)生變化。DAS技術(shù)就是通過解調(diào)出后向散射光的相位變化來實現(xiàn)對于振動(例如聲波)信號的探測。

精確解調(diào)相位是DAS技術(shù)的關(guān)鍵點和難點，其中最大的挑戰(zhàn)就是如何解決干涉衰落問題，已有技術(shù)解決方案存在犧牲采樣性能且增加成本的不足。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種分布式光纖振動傳感的解調(diào)方法，以期部分地解決上述提及的技術(shù)問題中的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，提供了一種分布式光纖振動傳感的解調(diào)方法，包括：

將脈沖光輸入至光纖中得到的瑞利散射光和參考光發(fā)生拍頻，得到待解調(diào)信號，其中，光纖上被施加有外界振動，脈沖光是對信號光進行調(diào)制得到的，信號光和參考光由一束激光分束得到；

對待解調(diào)信號進行正交解調(diào)處理及濾波處理，得到光纖上對應(yīng)于第k個脈沖的第a個采樣點的I信號和Q信號a≥1，k≥1；

根據(jù)I信號Q信號和標距窗口，得到對應(yīng)于第k個脈沖的第a個采樣點的歸一化I信號和歸一化Q信號歸一化I信號和歸一化Q信號用于確定對應(yīng)于第k個脈沖的第a個采樣點的相位其中，標距窗口的寬度根據(jù)脈沖光的寬度獲得，每個標距窗口包括P個采樣點，P≥2；

確定第a個采樣點的相對相位第a個采樣點的相對相位為第a個采樣點在相鄰脈沖的相位差；

將第a個至第a+M-1個采樣點的相對相位之和與第a+N個至第a+M+N-1個采樣點的相對相位之和做差，得到時間和空間分辨的相對相位M≥1，N≥1；

對時間和空間分辨的相對相位進行相位解纏繞，得到采樣點a的相位，采樣點a的相位用于得到外界振動的信息。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，根據(jù)I信號Q信號和標距窗口，得到對應(yīng)于第k個脈沖的第a個采樣點的歸一化I信號和歸一化Q信號包括：