基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法技术方案

本发明专利技术属于相位敏感型光时域反射的分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法。包括以下步骤：S1、将干涉仪输出的两路信号经3

【技术实现步骤摘要】
基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法


[0001]本专利技术属于相位敏感型光时域反射的分布式光纤传感
，具体涉及一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法。

技术介绍

[0002]近年来，道路交通事故频发严重威胁了人民的生命财产安全，如何及早排除交通隐患，及时定位事故的发生点是实现快速救援的关键环节。分布式相位敏感型光时域反射系统是实现智能护栏的有效解决方案，将该系统应用于道路中预埋的光纤时，声音/振动信号会改变光纤折射率，此时相干后向瑞利散射光携带的相位信息在对应位置处的变化量与光纤应变之间呈线性相关关系，通过相位恢复处理可实现道路中交通信息的实时、全天候采集和分析，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、可靠性好、低成本的优点。因此，选择合适的相位解调方法是实现声音/振动信号定量精确解调的关键。
[0003]基于分布式相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法主要有基于外差相干结构的数字I/Q解调法和基于干涉仪结构的无源零差解调法。其中，基于外差相干解调结构的数字I/Q解调法(刘珉含，王旭，于淼，等.光子学报，2018，47(08)：219
‑
226.)探测灵敏度高，动态范围大，监测距离长，但会造成系统复杂度高，光源要求严格等问题。因此，工程实际应用多采用基于干涉仪的解调结构，包括3
×
3耦合器解调法和相位生成载波算法。基于3
×
3耦合器的解调算法(He Q,Zhu T,Xiao X,et al.IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(20):1955
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1957.)将三路输出光信号引入互成120
°
的固定相差，解调算法简单，但在信号采集过程需要三个相同的光电探测器，这不可避免的带来了测量误差，并增加系统成本。公开号为CN103759750A的专利申请中公开了一种基于相位生成载波(PGC)技术的分布式光纤传感系统，在被测量的带宽频带之外引入载波信号，有效提高了系统信噪比，因此系统灵敏度高、线性响应度好。但是，其通过反正切法实现的PGC解调算法会带来相位解卷绕的问题，而通过微分交叉相乘法(DCM)实现的PGC解调算法存在受光源波动影响大、易产生谐波失真的问题。
[0004]在专利CN201911072212.X中，张春熹等人采用迈克尔逊干涉仪和改良的PGC解调方案，通过结合DCM和反正切算法，实现了偏振衰落和载波调制深度影响的消除，但由于干涉仪臂差不等引入的载波相位延迟问题依然存在。总之，现有基于相位敏感型光时域反射系统的PGC相位解调方法固有缺陷的改进工作仍较为缺乏。针对PGC解调技术易受光强波动的影响和载波相位延迟的技术难题，有必要对现有的相位敏感光时域反射系统中的PGC方法进行改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术存在的不足，为解决现有基于分布式相位敏感型光时域反射技术的PGC技术存在光强波动影响和载波相位延迟问题，提供了一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将干涉仪输出的两路信号经3
×
3耦合器产生固定相差后的信号作为输入信号，其中一路信号进行同步载波调制，输出基频信号和二倍频信号；
[0008]S2、将步骤S1输出的基频信号和二倍频混频信号与另一路信号分别进行混频，得到基频混频信号和二倍频混频信号；
[0009]S3、对基频混频信号和二倍频混频信号分别进行低通滤波后，根据光纤衰减系数进行归一化处理；
[0010]S4、对低通滤波和归一化处理后的基频混频信号和二倍频混频信号进行相位提取。
[0011]所述步骤S1具体包括以下步骤：
[0012]将其中一路信号依次进行高通滤波、归一化处理、反余弦运算以及高通滤波后，分为两路，一路作为基频信号输出，另一路经二倍频调制模块后输出二倍频信号。
[0013]所述步骤S4中，进行相位提取的具体方法为：
[0014]将基频混频信号分别进行微分后与二倍频混频信号混频后输出，同时将二倍频混频信号进行微分后与原基频混频信号混频后输出，然后对两路输出信号进行减法处理、积分处理和高通滤波处理，即得到相位信息。
[0015]所述步骤S3中，归一化处理的系数分别为：
[0016][0017]其中，w
1LP
和w
2LP
分别表示经过低通滤波后的基频混频信号和二倍频混频信号，C1和C2分别为基频混频信号和二倍频混频信号的归一化系数，c表示光波在真空中的传播速度，α表示光纤中的衰减系数，n
f
表示光频f的激光在光纤中的折射率，t表示高速数据采集卡的采样时间。
[0018]此外，本专利技术还提供了一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统，用于实施所述的一种相位解调方法，包括信号调制模块、干涉输出模块、信号采集模块和数据处理系统；
[0019]所述干涉输出模块包括3
×
3耦合器，压电换能器，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；
[0020]所述信号调制模块输出的相干瑞利散射光入射到3
×
3耦合器的端口a，经端口d和端口e输出两路信号，其中一路入射至第一法拉第旋转镜；另一路经压电换能器进行载波调制后，入射至第二法拉第旋转镜；经第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射的信号经端口d和端口e返回3
×
3耦合器并形成干涉仪，从3
×
3耦合器的端口b和端口c分别输出的两路信号经信号采集模块采集数据后，发送至数据处理系统，所述数据处理系统用于对采集数据进行相位解调，提取相位信息。
[0021]所述信号调制模块包括窄线宽激光器，信号发生器，声光调制器，脉冲光放大器，
光环形器，传感光纤和掺铒光纤放大器；
[0022]所述窄线宽激光器发射高相干激光，经声光调制器调制为脉宽T，光频f的脉冲光，经脉冲光放大器放大后，通过光环形器注入传感光纤，与光纤中非均匀散射点相互作用，产生相干后向瑞利散射光，返回光环形器并输出后经掺铒光纤放大器放大输出。
[0023]所述信号采集模块包括第一雪崩光电探测器，第二雪崩光电探测器和双通道高速数据采集卡，所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的输入端分别与3
×
3耦合器的端口b和端口c连接，输出端与所述双通道高速数据采集卡连接。
[0024]所述数据处理系统包括：
[0025]同步载波调制模块：用于根据其中一路信号，分别输出基频信号和二倍频信号；
[0026]同步载波混频模块：用于将另一路信号与同步载波调制模块输出的基频信号和二倍频信号分别进行混频，得到两路混频信号；
[0027]归一化处理模块：用于将同步载波混频模块输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将干涉仪输出的两路信号经3
×
3耦合器产生固定相差后的信号作为输入信号，其中一路信号进行同步载波调制，输出基频信号和二倍频信号；S2、将步骤S1输出的基频信号和二倍频混频信号与另一路信号分别进行混频，得到基频混频信号和二倍频混频信号；S3、对基频混频信号和二倍频混频信号分别进行低通滤波后，根据光纤衰减系数进行归一化处理；S4、对低通滤波和归一化处理后的基频混频信号和二倍频混频信号进行相位提取。2.根据权利要求1所述的一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：将其中一路信号依次进行高通滤波、归一化处理、反余弦运算以及高通滤波后，分为两路，一路作为基频信号输出，另一路经二倍频调制模块（1315）后输出二倍频信号。3.根据权利要求1所述的一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法，其特征在于，所述步骤S4中，进行相位提取的具体方法为：将基频混频信号分别进行微分后与原基频混频信号通混频后输出，同时将二倍频混频信号进行微分后与原二倍频混频信混频后输出，然后对两路输出信号进行减法处理、积分处理和高通滤波处理，即得到相位信息。4.根据权利要求1所述的一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法，其特征在于，所述步骤S3中，归一化处理的系数分别为：其中，w
1LP
和w
2LP
分别表示经过低通滤波后的基频混频信号和二倍频混频信号，C1和C2分别为基频混频信号和二倍频混频信号的归一化系数，c表示光波在真空中的传播速度，α表示光纤中的衰减系数，n
f
表示光频f的激光在光纤中的折射率，t表示高速数据采集卡的采样时间。5.一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统，用于实施权利要求1所述的一种相位解调方法，其特征在于，包括信号调制模块（10）、干涉输出模块（11）、信号采集模块（12）和数据处理系统（13）；所述干涉输出模块（11）包括3
×
3耦合器（111），压电换能器（112），第一法拉第旋转镜（113）和第二法拉第旋转镜（114）；所述信号调制模块（10）输出的相干瑞利散射光入射到3
×
3耦合器（111）的端口a，经端口d和端口e 输出两路信号，其中一路入射至第一法拉第旋转镜（113）；另一路经压电换能器（112）进行载波调制后，入射至第二法拉第旋转镜（114）；经第一法拉第旋转镜（113）和第二法拉第旋转镜（114）反射的信号经端口d和端口e返回3
×
3耦合器（111）并形成干涉仪，从
3
×
3耦合器（111）的端口b和端口c分别输出的两路信号经信号采集模块（12）采集数据后，发送至数据处理系统，所述数据处理系统用于对采集数据进行相位解调，提取相位信息。6.根据权利要求5所述的一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统，其特征在于，所述信号调制模块（10）包括窄线宽激光器（101），信号发生器（102），声光调制器（103），脉冲光放大器（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建忠，王婷玉，马喆，刘铭，张明江，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：