相位测量方法及信号处理装置制造方法及图纸

本发明专利技术的目的在于提供一种相位测量方法及信号处理装置，在DAS

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相位测量方法及信号处理装置


[0001]本公开涉及相位测量方法及信号处理装置，用于观测在被测光纤的各点处产生的散射光的相位的时间变化。

技术介绍

[0002]已知被称为DAS(Distributed Acoustic Sensing，分布式声学传感)的方法，作为在光纤长度方向上分布式地测量施加至光纤上的物理振动的手段，通过将脉冲测试光入射至被测光纤，检测由瑞利散射引起的后向散射光。
[0003]DAS捕捉由于施加在光纤上的物理振动而引起的光纤的光路长度的变化，并感测振动。通过检测振动，可以检测被测光纤周围的物体的移动等。
[0004]作为DAS中检测后向散射光的方法，有种测量来自被测光纤各点的散射光强度并观测散射光强度随时间变化的方法，被称为DAS
‑
I(DAS
‑
intensity)。DAS
‑
I具有能够简化装置结构的特征，但由于无法根据散射光强度定量计算因振动引起的光纤的光路长度的变化，因此它是一种定性测量方法。
[0005]对此，研究开发了DAS
‑
P(DAS
‑
phase)，这是测量来自被测光纤的各点的散射光的相位并观测相位随时间变化的方法。在DAS
‑
P中，装置结构和信号处理比DAS
‑
I复杂，但由于相位相对于因振动引起的光纤光路长度的变化呈线性变化，且其变化率在沿光纤长度方向的各点处也是同样的，因此，可以定量测量振动，并具有能够忠实地再现施加至被测光纤的振动波形的特征。
[0006]在DAS
‑
P的测量中，脉冲光入射至被测光纤，在脉冲光入射时刻t，在光纤的长度方向上分布地测量散射光的相位。即，距光纤入射端的距离I，测量散射光的相位θ(I，t)。通过将脉冲光以时间间隔T重复地入射至被测光纤，在n为整数的时刻t＝nT时，在被测光纤的长度方向的各点测量散射光的相位的时间变化θ(I，nT)。已知在每个时刻nT，距离I至距离I+δI的区间施加的物理振动幅度，与距离I+δI处的相位θ(I+δI，nT)和距离I处的相位θ(I，nT)之间的差值δθ(I，nT)成比例。即，以时刻0为基准，满足下式。
[0007][数学式1][0008](振动幅度)
∝
δθ(l，nT)
‑
δθ(l，0)
[0009]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝[θ(l+δl，nT)
‑
θ(l，nT)]‑
[θ(l+δl，0)
‑
θ(l，0)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0010]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝[θ(l+δl，nT)
‑
θ(l+δl，0)]‑
[θ(l，nT)
‑
θ(l，0)][0011]用作检测散射光相位的装置结构包括：直接检测结构，用于通过直接光电二极管等检测来自被测光纤的后向散射光；使用相干检测的结构，该相干检测通过结合单独准备的参考光进行检测。
[0012]虽然执行相干检测并计算相位的机制细分为两种类型：使用希尔伯特变换的基于软件的处理机制和使用90度光混合的基于硬件的处理机制，但不管是哪一种方法，均获取散射光的同相分量I(I，nT)和正交分量Q(I，nT)，并通过以下公式计算相位。
[0013][数学式2][0014][0015]但是，由于4象限反正切算子Arctan的输出值以弧度为单位在(
‑
π，π]的范围内，m为任意整数，2mπ+θ(I，nT)在xy平面上均为同一个矢量方向，因此上述计算的θ
cal
(I，nT)中仅存在2mπ的不确定性。
[0016]因此，作为θ(I，nT)的更准确的评估方法，进一步地进行相位展开等信号处理。在一般的相位展开中，若展开后的相位为
[0017][数学式2
‑
1][0018][0019]p为任意整数，当
[0020][数学式2
‑
2][0021][0022]大于π弧度时，选择一个合适的整数q，使
[0023][数学式2
‑
3][0024][0025]为π弧度以下，并令展开后的相位为：
[0026][数学式2
‑
4][0027][0028]计算下式。
[0029][数学式3][0030][0031]计算上式。此外，上标unwrap表示展开后的相位。
[0032]现有技术文件
[0033]非专利文献
[0034]非专利文献1：G.Yanget al.，"Long
‑
Range Distributed Vibration Sensing Based on Phase Extraction from Phase
‑
Sensitive OTDR，"IEEE Photonics Journal，Vol.8，no.3，2016.

技术实现思路

[0035]专利技术要解决的问题
[0036]在DAS测量中，存在测量仪器的噪声，如用于检测光的PD的热噪声、其后的电气段的噪声、光的散粒噪声等。因此，测量仪器的噪声对测量的散射光的强度、相位也产生影响。
[0037]特别是在测量散射光的相位时，如果测量仪器的噪声的影响变大，不仅增加了相位的不确定性，且与没有噪声时的理想的相位值相比，获得大为不同的测量值的概率也变大。
[0038]例如，在相干检测的情况下，将同相分量设为横轴、正交分量设为纵轴时，对于测得的散射光矢量，在没有噪声时的矢量方向与要测量的相位对应，但如果噪声的影响大，则朝向与矢量方向相反的方向，且与没有噪声时的理想的相位值相比，实际测量的相位值相
差约π弧度的概率变大。在这一点上，当根据式(1)计算振动幅度时，会导致误认为对光纤施加了很大的物理力。另外，当噪声的影响变大时，在式(3)所示的展开处理中，错误选择整数q的点增加，并且在错误的选择点的之前和之后产生实际上不存在的2π以上的相位值的差异。这种相位值的差异还导致在根据式(1)计算振动幅度时，误认为对光纤施加了大的物理力。
[0039]为了准确地测量相位，必须要减少测量仪器的噪声的影响。在可以认为测量仪器的噪声在每个点和每个时刻大致相同的情况下，散射光的强度本身变小时，则测量仪器噪声的影响变大。因此，如果可以在每个点和每个时刻增加散射光的强度，就可以减少测量仪器的噪声的影响。
[0040]散射光的强度变小的原因不仅是因为作为探测的脉冲光随着在被测光纤传播而产生的吸收和散射造成的损失。由于具有有限时间宽度的脉冲光入射至被测光纤并检测脉冲光的散射，因此被测光纤上细微分布的大量散射体对散射光产生了干涉。作为干涉的结果，与各个时刻的散射体在被测光纤的长度方向上的分布对应地，产生了散射光强度降低的点。这种现象被称为衰落(例如，参见非专利文献1。)。
[0041]因此，在DAS...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.相位测量方法，包括：测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；选取步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤中选取的p个波长中的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；和，运算步骤，对所述矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对所述矢量旋转步骤中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。2.相位测量方法，包括：测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；选取步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤中选取的p个波长中的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；第一矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；第一运算步骤，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均，计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；第二矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，第二运算步骤，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述
其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。3.根据权利要求1或2所述的相位测量方法，其特征在于，测量任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的波长i的所述散射光的强度Pi的分布D(Pi)，以及，测量在获取所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量时的噪声电平Noise；在计算机上随机产生X(X是任意正整数)个所述长度|r(x，i)|(x＝1，
…
，X)，使得波长i的散射光的二维矢量的长度|r(x，i)|的平方值遵循分布D(Pi)；将所述长度|r(x，i)|按降序排列，计算最大的前p
’
个所述长度|r(x，i)|的平均值|r
’
(x，p
’
)|，并通过数学式B2计算满足数学式B1的各个所述平均值|r
’
(x，p
’
)I的相位检测灵敏度；将所述相位检测灵敏度的平均值ε(p
’
)与任意的基准灵敏度ε进行比较，将满足ε≥ε(p
’
)的最小值p
’
定义为所述预定数p；[数学式B1][数学式B2]4.相位测量方法，包括：测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；第一检测步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述第一检测步骤中检出的n个波长中的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；第二检测步骤，对于所述第一检测步骤中检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的所述M；第一矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准波长的M个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的M个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；第一运算步骤，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述
其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均，计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；第二矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，第二运算步骤，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量；[数学式C1]其中，|r(n)|为：将所述测量步骤中测量出的所述散射光对于波长按光照强度降序排列，关于所述光照强度最大的前n个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值；Noise为所述测量步骤测量所述散射光时的噪声水平；[数学式C2]其中，P
k
为波长k的散射光的光照强度，P1为波长1的散射光的光照强度；[数学式C3]其中，|r(M)|为：在所述第二检测步骤中，按照所述值H的升序排列的所述散射光中，关于前M个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值。5.信号处理装置，包括：输入单元，用于输入由测量仪器测量的、复用N(N为2以上的整...

【专利技术属性】
技术研发人员：胁坂佳史，饭田大辅，冈本圭司，押田博之，
申请(专利权)人：日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：