一种用于直接探测型φ-OTDR的相位解调方法技术

本发明专利技术公开了一种用于直接探测型φ

【技术实现步骤摘要】
一种用于直接探测型
φ
‑
OTDR的相位解调方法


[0001]本专利技术涉及相位解调领域，尤其涉及一种在直接探测φ
‑
OTDR(相位敏感型光时域反射仪)系统中，通过数字信号处理手段，从原始时域光强信号中直接构造正交信号的相位解调方法。

技术介绍

[0002]相位敏感光时域反射仪φ
‑
OTDR是一种分布式光纤振动传感技术，在长输油气管线入侵预警、PCCP(预应力钢筒混凝土管)管道断丝与泄漏监测、关键军事区域周界安防等领域有很好的应用前景。φ
‑
OTDR重复性的向传感光纤中发射探测脉冲，同时接收脉冲在光纤中产生的回波
‑
瑞利后向散射光(Rayleigh Back Scattered Wave，RBS)。当光纤某处发生扰动时，局部折射率被调制，导致扰动位置下游的RBS光场发生相位变化。解调出这种变化，即可获得外界扰动的信息。根据探测方式的不同，φ
‑
OTDR分为直接探测型和相干探测型。根据本地参考光频率的不同，相干探测进一步分为外差探测和零差探测。
[0003]现有的φ
‑
OTDR相位解调技术一般使用外差探测、双通道正交探测、3
×
3耦合器三路探测、PGC(相位载波产生)光学相位载波产生等方式进行RBS光场的相位解调，这些方法不仅增加系统的复杂度和成本，还会引入一些额外的信号干扰。例如，使用外差探测，需要对干涉得到的中频信号进行高速数据采集，并且信号光与本地参考光之间的偏振失配会使信噪比恶化。使用双路正交探测、3
×
3耦合器三路探测等手段，需要使用多通道同步探测和采集。不同采集卡、不同探测器间的器件不一致性会在解调出的相位中引入畸变。使用PGC光学相位载波产生方式进行相位解调，需要引入额外的相位调制器件，例如PZT(压电陶瓷换能器)调制器，使系统复杂化。同时，PGC算法的解调过程也极为复杂，会耗费大量的计算资源。
[0004]总之，直接探测型φ
‑
OTDR系统的相位解调问题目前尚无有效解决方案。本专利技术提供了这样一种算法，可以在不增加任何附加器件或光路的条件下，实现直接探测φ
‑
OTDR系统的相位解调。

技术实现思路

[0005]本专利技术用于解决现有技术不能实现直接探测型φ
‑
OTDR相位解调的问题，提出了一种实现直接探测型φ
‑
OTDR相位解调的方法，详见下文描述：
[0006]一种用于直接探测型φ
‑
OTDR的相位解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0007]1)发生扰动时，确定扰动在瑞利散射曲线上的响应区间；从响应区间中任意选取两条原始时域光强信号，记为A、B；
[0008]2)对A、B信号波形进行上、下包络线的拟合；分别求取A、B信号波形上、下包络线和、差，和信号作为对信号直流分量的估计，差信号作为对信号振动幅度的估计；
[0009]3)利用步骤2)中的和、差信号，对A、B信号进行归一化，去除A、B信号的直流漂移和
幅度波动，记归一化后的A、B曲线为A
’
、B
’
；
[0010]4)计算A
’
、B
’
的和、差，记为Sum、Diff；对Sum、Diff信号进行上下包络的拟合；
[0011]5)分别求取Sum、Diff信号上下包络的和、差信号作为对信号直流分量的估计，差信号作为对信号振动幅度的估计；
[0012]6)利用步骤5)中的和、差信号，对Sum、Diff信号进行归一化，去除Sum、Diff信号的直流漂移和幅度波动，记归一化后的Sum、Diff信号为Sum
’
、Diff
’
；
[0013]7)对Sum
’
、Diff
’
信号进行反正切计算，得到不连续的相位值；对不连续的相位值进行相位解包裹计算，得到连续的相位值，即为相位解调的最终结果，是外界扰动波形的线性反映。
[0014]其中，所述方法基于直接探测型φ
‑
OTDR系统实现，所述系统包括：
[0015]超窄线宽激光器发出高相干连续激光进入声光调制器，脉冲发生器产生触发脉冲，驱动声光调制器，声光调制器在触发脉冲驱动下对高相干连续激光进行脉冲强度调制，输出高相干脉冲激光；
[0016]高相干脉冲激光进入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对脉冲激光的峰值功率进行放大，输出高功率相干脉冲激光，高功率相干脉冲激光先后经过第一光环形器、光纤光栅进行滤波，去除掺铒光纤放大器在放大过程中产生的自发辐射噪声；
[0017]经过滤波后的高功率相干脉冲激光经过第二光环形器进入传感光纤，传感光纤中产生瑞利后向散射光场，瑞利后向散射光场在传感光纤中反向传输，经过第二光环形器，进入光电探测器；
[0018]光电探测器将瑞利散射光场的光强变换，转换为模拟电信号，模拟电信号进入数据采集卡进行模
‑
数转换，输出数字信号给计算机，计算机保存数据采集卡实时产生的数字信号，并对信号进行处理和分析。
[0019]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0020]1、本专利技术在不增加任何光学器件或者附加光路、不提升系统复杂度或硬件成本的前提下，实现直接探测系统的相位解调；
[0021]2、本专利技术可以去除系统的非线性畸变，使信号更加准确真实线性地反应外界振动波形的变化。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中使用的直接探测型φ
‑
OTDR系统的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术所述相位解调算法的流程图；
[0024]图3为本专利技术处理的正弦振动激励下的两路原始光强信号；
[0025]图4为本专利技术处理图3所示光强信号所得到的正弦相位波形；
[0026]图5为本专利技术处理的调幅正弦振动激励下的两路原始光强信号；
[0027]图6为本专利技术处理图5所示光强信号所得到的调幅正弦相位波形；
[0028]图7为本专利技术处理的调幅正弦振动激励下的两路原始光强信号；；
[0029]图8为本专利技术处理图7所示光强信号所得到的调幅正弦相位波形；
[0030]图9为本专利技术处理的扫频正弦振动激励下的两路原始光强信号；
[0031]图10为本专利技术处理图9所示光强信号所得到的扫频正弦相位波形。
[0032]附图中，各部件的列表如下：
[0033]1、超窄线宽激光器；
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2：声光调制器；
[0034]3、脉冲发生器；
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4：掺铒光纤放大器；
[0035]5、光纤光栅；
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6、第一光环形器；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于直接探测型φ
‑
OTDR的相位解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)发生扰动时，确定扰动在瑞利散射曲线上的响应区间；从响应区间中任意选取两条原始时域光强信号，记为A、B；2)对A、B信号波形进行上、下包络线的拟合；分别求取A、B信号波形上、下包络线和、差，和信号作为对信号直流分量的估计，差信号作为对信号振动幅度的估计；3)利用步骤2)中的和、差信号，对A、B信号进行归一化，去除A、B信号的直流漂移和幅度波动，记归一化后的A、B曲线为A
’
、B
’
；4)计算A
’
、B
’
的和、差，记为Sum、Diff；对Sum、Diff信号进行上下包络的拟合；5)分别求取Sum、Diff信号上下包络的和、差信号作为对信号直流分量的估计，差信号作为对信号振动幅度的估计；6)利用步骤5)中的和、差信号，对Sum、Diff信号进行归一化，去除Sum、Diff信号的直流漂移和幅度波动，记归一化后的Sum、Diff信号为Sum
’
、Diff
’
；7)对Sum
’
、Diff
’

【专利技术属性】
技术研发人员：沙洲，庞峰，封皓，李晨曦，芮小博，孙茜，
申请(专利权)人：精仪监测科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：