相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法技术方案

本发明专利技术涉及一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，包括以下步骤：采集多次光脉冲对应的拍频数字信号、获得背向散射光相位矩阵Ф、确定外界振动扰动位置Y、在外界振动扰动位置Y之前和之后分别选取无相位扰动的位置X1和Z1及X2和Z2，对X1和Z1及X2和Z2在背向散射光相位矩阵Ф中对应列相位进行相位解卷绕，将相位变化拓展到-∞~+∞范围；如果相位扰动位置的之前和之后位置的相位随时间变化相同，判决相位扰动为误报；否则，判决相位扰动为真实外界振动事件。本发明专利技术有效解决Ф-OTDR系统应用中由于偏振衰落、干涉衰落引入错误异常相位的问题，克服衰落导致误报率高的问题，实现真实外界扰动事件的准确定位。它基于常规的Ф-OTDR光纤分布式传感系统，简便易行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相光纤传感系统定位方法，尤其涉及一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，属于光纤传感技术应用领域。
技术介绍
相位敏感光时域反射（Phase-sensitiveOpticalTimeDomainReflectometry，缩写为Ф-OTDR或Phase-sensitiveOTDR）光纤分布式传感系统用于对外界振动扰动事件进行监测，可以实现对外界振动扰动事件位置的精确定位，具有线形分布式测量、远程测量、高灵敏度、抗电磁干扰能力强、绝缘性好、本质安全、重量轻体积小等优点，应用非常广泛。在石油化工领域，Ф-OTDR可以实现输油、气管道防破坏挖掘事件监测，还可以用于油气开采中超声波测井；在轨道交通领域，Ф-OTDR可以实现铁轨振动状态监测；在电力系统领域，Ф-OTDR可以实现电缆隧道的安全监测，高压电缆防盗割监测等；在安防领域，Ф-OTDR可以作为分布式光纤围栏，对各种入侵事件进行监测报警。在实际测量外界振动应用中，Ф-OTDR向传感光纤中发射光脉冲，通过光纤背向散射光到达探测终端的时间进行外界扰动事件位置的定位，同时，需要重复发射多个光脉冲来获取扰动位置相位的变化信息。然而，Ф-OTDR技术存在偏振衰落、干涉衰落等问题，会引入错误的相位变化，从而给系统探测带来误报率高的难题。为了解决衰落引入的误报率高的难题，中科院上海光机所ZhengqingPan等提出了基于相移双脉冲和多频率脉冲两种Ф-OTDR系统定位技术（ZhenqingPan,KezhenLiang,JunZhou,QingYe,HaiwenCai,RonghuiQu,Interference-fading-freephase-demodulatedOTDRsystem,Proc.ofSPIE,2012,8421,842129；周俊，潘政清，叶青，蔡海文，赵浩，瞿荣辉，方祖捷.基于多频率综合鉴别φ-OTDR系统中干涉衰落假信号的相位解调技术.中国激光,2013,40(9):0905003），这两种方法都是基于不同激发光脉冲可以获得不同的衰落特性的原理，对相位变化进行综合判决，以降低衰落引入的误报率，这两项技术都需要特殊的双/多脉冲产生硬件系统。成都电子科技大学的饶云江等（吴庥伟，吴慧娟，饶云江，吴宇，赵天，基于多种小波分解方法综合判决的低误报率分布式光纤围栏入侵监测系统，光子学报，2011，40(11)；基于Ф-OTDR的分布式光纤围栏入侵检测与定位方法，中国专利技术专利，专利技术人：吴慧娟，吴庥伟，李姗姗，饶云江，申请公告号：CN102280001A）提出采用多种小波分解方法综合判决技术，通过不同阶小波结果的差异，可以降低围栏入侵的误报率，该项技术需要复杂的信号处理算法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，所述相位敏感光时域反射光纤传感系统，包括窄线宽激光器1，1′2光纤耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，光纤环形器5，传感光纤6，2′2光纤耦合器7，平衡光探测器8，数据采集卡9，计算机10；窄线宽激光器1经过1′2光纤耦合器2分成两路，其中一路光信号经过声光调制器3调制为移频的光脉冲，再经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大后通过光纤环形器5输入到传感光纤6中传输，光脉冲在传感光纤6中传输激发的背向散射光沿传感光纤6进行背向传输到达光纤环形器5；1′2光纤耦合器2的另一路光信号与光纤环形器5返回的背向散射光分别由两个端口注入到2′2光纤耦合器7中传输并相干，2′2光纤耦合器7的两个输出端口与平衡光探测器8连接，进行光电转换获得背向散射光拍频电信号，经数据采集卡9采集得到数字拍频信号输出至计算机10计算拍频信号的幅度和相位信息；包括以下步骤：步骤1：所述数据采集卡9采集1次以上光脉冲对应的拍频数字信号，基于光时域反射原理，构建拍频数字信号二维矩阵R=[Ri，j]MxN，其中，Ri，j表示所述采集卡（9）采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向散射光拍频数字信号值；步骤2：采用数字正交解调信号处理方法，由所述拍频数字信号二维矩阵R获得背向散射光相位矩阵Ф；步骤3：将背向散射光相位矩阵Ф中相隔k列的两列Фm,j和Фn,j相减，其中，k可取1~500，获得拍频信号相隔k个采样点的相位差二维矩阵S，其中，Sm,j=Фm,j-Фn,j，以传感光纤位置为横坐标参量，画出矩阵S各行曲线，找出相位扰动位置；步骤4：在所述相位扰动位置之前和之后分别选取一个无相位扰动的位置X1和Z1及X2和Z2，对X1和Z1及X2和Z2在所述背向散射光相位矩阵Ф中对应列相位ФX1和ФZ1及ФX2和ФZ2进行相位解卷绕，将相位变化拓展到-∞~+∞范围；步骤5：分别画出ФX和ФZ两列相位随时间的变化曲线，如果相位扰动位置的之前和之后位置的相位随时间变化相同，判决该相位扰动为误报；否则，判决该相位扰动为真实外界振动事件。本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术有效解决了Ф-OTDR光纤传感系统中由于偏振衰落、干涉衰落引入错误异常相位的问题，从而克服了Ф-OTDR光纤传感系统中由于信号衰落而导致误报的难题。（2）本专利技术基于常规的Ф-OTDR光纤传感系统，无需额外的发射双脉冲或多脉冲的硬件系统及复杂信号处理方法，同时，无需偏振分束光探测技术来避免偏振衰落问题。附图说明图1是本专利技术中相位敏感光时域反射光纤传感系统结构示意图；图2是本专利技术的流程图；图3是本专利技术中通过相位正交解调得到的振动定位信息图；图4是本专利技术中相位扰动位置P1前后相位变化曲线图；图5是本专利技术中相位扰动位置P2前后相位变化曲线图；其中：窄线宽激光器，2-1′2光纤耦合器，3-声光调制器，4-掺铒光纤放大器，5-光纤环形器，6-传感光纤，7-2′2光纤耦合器，8-平衡光探测器，9-数据采集卡，10-计算机，11-压电陶瓷。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。实施例1：参见图1，相位敏感光时域反射光纤传感系统，包括窄线宽激光器1，1′2光纤耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，光纤环形器5，传感光纤6，2′2光纤耦合器7，平衡光探测器8，数据采集卡9，计算机10。系统各部分器件说明如下：窄线宽激光器1，用于产生长相干长度激光；1′2光纤耦合器2，用于将激光分成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，所述相位敏感光时域反射光纤传感系统，包括窄线宽激光器（1），1´2光纤耦合器（2），声光调制器（3），掺铒光纤放大器（4），光纤环形器（5），传感光纤（6），2´2光纤耦合器（7），平衡光探测器（8），数据采集卡（9），计算机（10）；窄线宽激光器（1）经过1´2光纤耦合器（2）分成两路，其中一路光信号经过声光调制器（3）调制为移频的光脉冲，再经过掺铒光纤放大器（4）进行光功率放大后通过光纤环形器（5）输入到传感光纤（6）中传输，光脉冲在传感光纤（6）中传输激发的背向散射光沿传感光纤（6）进行背向传输到达光纤环形器（5）；1´2光纤耦合器（2）的另一路光信号与光纤环形器（5）返回的背向散射光分别由两个端口注入到2´2光纤耦合器（7）中传输并相干，2´2光纤耦合器（7）的两个输出端口与平衡光探测器（8）连接，进行光电转换获得背向散射光拍频电信号，经数据采集卡（9）采集得到数字拍频信号输出至计算机（10）计算拍频信号的幅度和相位信息；其特征在于包括以下步骤：步骤1：所述数据采集卡（9）采集1次以上光脉冲对应的拍频数字信号，基于光时域反射原理，构建拍频数字信号二维矩阵R=[Ri，j]MxN，其中，Ri，j表示所述采集卡（9）采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向散射光拍频数字信号值；步骤2：采用数字正交解调信号处理方法，由所述拍频数字信号二维矩阵R获得背向散射光相位矩阵Ф；步骤3：将背向散射光相位矩阵Ф中相隔k列的两列Фm,j和Фn,j相减，其中，k可取1~500，获得拍频信号相隔k个采样点的相位差二维矩阵S，其中，Sm,j=Фm,j‑Фn,j，以传感光纤位置为横坐标参量，画出矩阵S各行曲线，找出相位扰动位置；步骤4：在所述相位扰动位置之前和之后分别选取一个无相位扰动的位置X1和Z1及X2和Z2，对X1和Z1及X2和Z2在所述背向散射光相位矩阵Ф中对应列相位ФX1和ФZ1及ФX2和ФZ2进行相位解卷绕，将相位变化拓展到‑∞~+∞范围；步骤5：分别画出ФX和ФZ两列相位随时间的变化曲线，如果相位扰动位置的之前和之后位置的相位随时间变化相同，判决该相位扰动为误报；否则，判决该相位扰动为真实外界振动事件。...

【技术特征摘要】
1.一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，
所述相位敏感光时域反射光纤传感系统，包括窄线宽激光器（1），1′2光纤耦合器（2），
声光调制器（3），掺铒光纤放大器（4），光纤环形器（5），传感光纤（6），2′2光纤耦合器（7），平
衡光探测器（8），数据采集卡（9），计算机（10）；
窄线宽激光器（1）经过1′2光纤耦合器（2）分成两路，其中一路光信号经过声光调制器
（3）调制为移频的光脉冲，再经过掺铒光纤放大器（4）进行光功率放大后通过光纤环形器
（5）输入到传感光纤（6）中传输，光脉冲在传感光纤（6）中传输激发的背向散射光沿传感光
纤（6）进行背向传输到达光纤环形器（5）；1′2光纤耦合器（2）的另一路光信号与光纤环形器
（5）返回的背向散射光分别由两个端口注入到2′2光纤耦合器（7）中传输并相干，2′2光纤耦
合器（7）的两个输出端口与平衡光探测器（8）连接，进行光电转换获得背向散射光拍频电信
号，经数据采集卡（9）采集得到数字拍频信号输出至计算机（10）计算拍频信号的幅度和相
位信息；
其特征在于包括以下步骤：
步骤1：所述数据采集卡（9）采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞拂飞，贺梦婷，梅煊玮，张小贝，王廷云，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31