一种基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三端口鉴相的Φ‑OTDR信号解调方法。首先通过预标定，测量出三端口的三路输出信号的最大值和最小值，并利用标定的结果分别对三路信号进行归一化处理；然后通过公式法相位解调算法，将归一化后的三路信号作为输入参量解调出每一个采样点的相位信息；最后通过解缠绕算法校正相位。相比于传统的交叉相乘微分积分法的三端口相位解调方式，本发明专利技术的方法简单，计算便捷，解调速度快，解调结果信噪比高，易于集成在嵌入式系统中实现实时测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法
本专利技术属于光纤传感
，特别涉及了一种基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法。
技术介绍
相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)利用后向瑞利散射的相干衰落现象进行传感，是分布式光纤传感器(DOFS)中的后起之秀，能够对微弱振动事件进行探测，具有灵敏度高、响应速度快和分布式传感的特点，因此在建筑物结构健康监测、周界安防系统入侵监测、电力线路监测和光纤通信线路监测等方向具有巨大的应用潜力。但是在很长的一段时间内，Φ-OTDR始终无法对振动事件施加在光纤上的应变进行定量测量。后来研究发现，当外部振动事件发生时，光纤的长度会随着振动事件发生拉伸，光纤长度的变化会导致光程差发生变化。因此两个参考点间的相位差也发生变化，通过测量两个参考点之间相位差的变化，即相位解调的方式，实现定量测量振动事件的强度大小。原理如图1所示，在振动事件两端选择R1和R2分别为两个参考区域，当探测脉冲入射到光纤中，这两点产生的散射光或者反射光电场表达式为：上式中，a1和a2是两个散射光或者反射光脉冲的振幅，ω是反射光的角频率，是来自R1的反射光相位，λ是反射光的波长，L是两点之间的长度，ΔL是动态应变引起两点之间的光纤长度变化量，n代表光纤纤芯的折射率。令式(1)中两个光强的相位差为即由于L恒定，ΔL是一个随时间变化的量，那么相位差的变化量为因此光纤长度变化量与相位差变化量的关系为：在2013年南安普顿大学Masoudi组把三端口引入到Φ-OTDR测量结构中，三端口是指3×3的耦合器，原始信号在经过一个三端口后，由于耦合器自身的特性，输出的三路信号之间在相位上两两相差三端口的三路输出信号经过光电接收器探测，最后可以化简为：把两者统一到一个公式里表示可以得到：其中，D＝a12+a22，E＝a1a2，下标N＝1,2,3，传统的三端口相位解调方案利用以上三路信号只要使用交叉相乘微分积分法就可以计算出想要的相位差。传统的三端口相位解调方案可以以两种方式实现：模拟电路法和数字电路法。交叉相乘微分积分法成立的条件是信号无噪声或者信噪比(SNR)非常高，信噪比不高的情况下会给解调结果引入比较大的误差。虽然模拟电路法具有快速实时处理能力，但是放大器的使用带来额外偏置噪声，会降低解调的性能。数字电路法是通过差分和交叉乘法算法代替模拟电路中的微分和积分的功能，数字式的方法通过逻辑门电路很容易地就能实现，但是结果会比模拟电路稍差一些。另外传统的解调方法还需要积累一定的数据量后才能做微分积分的有效运算，不能实现来一组值就做一次运算。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法，克服现有技术存在的缺陷，无需电路辅助，在大幅度提高解调精度的情况下保证解调的速度，并考虑噪声的影响。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法，包括以下步骤：(1)连续采集三端口输出的三路光功率信号，通过预标定测量，分别得到三路光功率信号的最大值和最小值；(2)根据步骤(1)得到的三路光功率信号的最大值和最小值，对某采样点采集到的三路光功率信号进行归一化处理；(3)将归一化后的三路光功率信号代入公式法解调算法，解算出该采样点的初步相位信息；(4)采用解缠绕算法对步骤(3)得到的初步相位信息进行校正。进一步地，在步骤(2)中，采用下式进行归一化处理：上式中，为某采样点归一化后光功率信号，IN(t)为某采样点实际采集到的光功率信号，IMmax和IMmin分别为步骤(1)得到的最大值和最小值，下标N＝M＝1,2,3，分别表示三端口输出的三路光功率信号。进一步地，在步骤(3)中，所述公式法解调算法为，已知归一化后的采样点A，求取点A到空间圆C上的最小距离，将该最小距离对应的空间圆C上的点B作为点A的相位匹配点，其中，空间圆C为理想无噪声情况下归一化后的三端口相位光强分布图。进一步地，步骤(3)的具体步骤如下：(301)已知归一化后的某采样点A，作从采样点A至空间圆C所在平面的垂线，得到投影点A'；(302)从圆C的圆心O过点A'，交圆C于点B，点B为采样点A的相位匹配点，从点A'至圆心O形成向量V；(303)以位于圆C上的某点R1作为第一参考点，从R1至圆心O形成向量V1，计算向量V与V1的角度差其中|*|表示取向量的模，根据余弦函数的对称性，得到点B的两个坐标；(304)以位于圆C上的另一点R2作为第二参考点，从R2至圆心O形成向量V2，计算向量V与V2的角度差结合步骤(303)得到的点B的两个坐标，确定点B的唯一坐标；(305)以位于圆C上且不同于点R1和R2的点R3作为第三参考点，从R3至圆心O形成向量V3，计算向量V与V3的角度差验证步骤(304)确定的点B坐标的正确性。进一步地，所述空间圆C的半径为圆心O的坐标为(0.5,0.5,0.5)，圆C的法向量为(1,1,1)。进一步地，所述第一参考点R1的相位为π，坐标为(0,0.75,0.75)；第二参考点R2的相位为坐标为(0.75,0.75,0)；第三参考点R3的相位为坐标为(0.75,0,0.75)。进一步地，在步骤(4)中，所述解缠绕算法的公式如下：上式中，和为步骤(3)得到的连续采样点的初步相位值；为相位校正值，利用更新采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术与传统的基于三端口的相位解调方法相比，考虑了噪声的影响，在低信噪比条件下能够稳定工作，解调结果精度高。此外，本专利技术的方法简单，计算便捷，解调速度快，易于集成在嵌入式系统中实现实时测量。附图说明图1是
技术介绍
中定量测量振动事件强度的原理图；图2是本专利技术中理想与噪声情况下归一化后的相位光强分布对比图；图3是本专利技术中三端口公式法解调算法示意图；图4是本专利技术的方法流程图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。图2是本专利技术中理想与噪声情况下归一化后的相位光强分布对比图。图2中的(a)中的外圆是理想情况下归一化后的相位光强图，内圆是考虑噪声的情况下且信噪比为30dB时归一化后的相位光强图。相对应的，图2中的(b)的外圆是理想情况下归一化后的相位光强图，内圆是考虑噪声的情况下且信噪比为40dB时归一化后的相位光强图，内外圆基本重合。从背景介绍可知只要解调出相位变化，就可以定量测试出光纤伸缩变化量。在理想中无噪声的信号的最大值和最小值可以直接满足：通过归一化把常数项化简消除，可以得到：三个相位相差的余弦函数满足以下定理：归一化的三端口输出在三维坐标形成的圆满足以下方程：三端口形成的理想圆半径为圆心O的坐标为(0.5,0.5,0.5)，圆C的法向量为(1,1,1)。理想的无噪声情况下，相位与光强分布示意图如图2中(a)、(b)的外圆。传统的交叉相乘微分积分法公式成立的条件和相位解调的过程都是忽略了噪声的存在，没有考虑噪声。实际上，噪声对解调的影响是不能忽略的，噪声来源主要有基底光的散射噪声、探测器的暗电流噪声、采集器件的热噪声等等，将这些噪声可以考虑成高斯分布的噪声来简化分析模型。在探测器中得到的干涉信号光强可以用下面的公式表示：Inoise(t)为高斯噪声引起的信号波动，Ioff为偏置噪声。偏置噪声影响很本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三端口鉴相的Φ‑OTDR信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)连续采集三端口输出的三路光功率信号，通过预标定测量，分别得到三路光功率信号的最大值和最小值；(2)根据步骤(1)得到的三路光功率信号的最大值和最小值，对某采样点采集到的三路光功率信号进行归一化处理；(3)将归一化后的三路光功率信号代入公式法解调算法，解算出该采样点的初步相位信息；(4)采用解缠绕算法对步骤(3)得到的初步相位信息进行校正。

【技术特征摘要】
1.一种基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)连续采集三端口输出的三路光功率信号，通过预标定测量，分别得到三路光功率信号的最大值和最小值；(2)根据步骤(1)得到的三路光功率信号的最大值和最小值，对某采样点采集到的三路光功率信号进行归一化处理；(3)将归一化后的三路光功率信号代入公式法解调算法，解算出该采样点的初步相位信息；(4)采用解缠绕算法对步骤(3)得到的初步相位信息进行校正。2.根据权利要求1所述基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法，其特征在于：在步骤(2)中，采用下式进行归一化处理：上式中，为某采样点归一化后光功率信号，IN(t)为某采样点实际采集到的光功率信号，IMmax和IMmin分别为步骤(1)得到的最大值和最小值，下标N＝M＝1,2,3，分别表示三端口输出的三路光功率信号。3.根据权利要求1所述基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述公式法解调算法为，已知归一化后的采样点A，求取点A到空间圆C上的最小距离，将该最小距离对应的空间圆C上的点B作为点A的相位匹配点，其中，空间圆C为理想无噪声情况下归一化后的三端口相位光强分布图。4.根据权利要求3所述基于三端口鉴相的Φ-OTDR信号解调方法，其特征在于：步骤(3)具体步骤如下：(301)已知归一化后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，牛纪辉，张旭苹，曹璐，张宇昊，
申请(专利权)人：南京发艾博光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32