一种降低DCM算法相位恢复误差的φ-OTDR系统数据处理方法技术方案

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，具体涉及一种降低DCM算法相位恢复误差的φ

【技术实现步骤摘要】
一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法


[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
，具体涉及一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法。

技术介绍

[0002]近年来，系统因成功实现了对海洋动力学、火山事件和地震波等的监测，而激起了整个光纤传感界的研究热潮。系统可以分为两类：一类是基于幅度探测的系统，也被称为分布式振动传感(DVS)；另一类是基于相位探测的系统，也被称为分布式声传感(DAS)。相对于前者，后者不仅能实现振动信号的定位，而且可以完全恢复振动信号的波形。目前有很多相位解调方案被提出，例如：数字相干解调[Z.Pan,et al.ACP 2011,8311(8),1
–
6]，同相正交(I/Q)解调[Z.Wang,et al.Opt.Express,24(2),853
–
858,2016]，3
×
3耦合器解调[A.Masoudi,et al.Meas.Sci.Technol.,24(8),085204,2013]和相位载波生成(PGC)解调[Y.Shang,et al.Meas.J.Int.Meas.Confed.,79,222
–
227,2016]等。由于3
×
3耦合器相位解调方案采用直接探测结构，对偏振相对不敏感，而受到越来越多研究者的青睐。
[0003]微分交叉相乘(DCM)算法是一种直接探测型相位解调方案中实现振动信息探测和相位恢复的算法，在诸多案例中被广泛应用[专利号：CN202110571279.9；Heng Qian,etal.IEEE Photonics technol.Lett.,32(8),473
‑
476,2020]。然而，在系统中，信号处理是通过对采集的一维数据重构为二维时空矩阵，并在时间域执行相位解调实现的。由于该离散时间系统的时域采样率取决于脉冲重复频率，而该算法的微分运算精度依赖于系统采样率，因此在系统采样率较低时解调结果与加载振动信号的相位存在较大误差，解调相位波形畸变，频谱能量出现谐波逸散和转移的现象，并且该算法的解调结果会受到光强波动和信号失真等因素的影响，严重降低系统的相位解调性能，使其难以满足光纤传感领域中对高精度、低成本、大规模应用的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法，以在不增加成本的情况下，提高采样率和运算速度，从而提高相位恢复质量，同时还能够降低噪声和信号失真的影响。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法，包括以下步骤：
[0006]S1、获取第一、第二、第三通道的瑞利散射信号，并分别进行二维时空矩阵重构；
[0007]S2、分别对每个通道数据在空间域进行时域移动差分和累加处理，得到三条差分
曲线；
[0008]S3、对三条差分曲线进行加权平均，得到多通道融合的差分迹线，根据差分迹线判断是否有振动，若有，获取振动入侵位置；
[0009]S4、提取振动入侵位置的三个通道的信号强度，并分别进行插值运算，得到各自的插值函数实现重采样，插值函数的计算公式为：
[0010]S
i
(t)＝A
i
+B
i
t+C
i
t2+D
i
t3；
[0011]其中，t∈[t
i
,t
i+1
]，A
i
，B
i
，C
i
，D
i
分别是插值函数在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的插值系数，t
i
和t
i+1
分别表示第i个数据点和第i+1个数据点对应的时间，所述插值系数的计算公式为：
[0012][0013]其中，I
m
(i)和I
m
(i+1)分别表示第m个通道在振动入侵位置对应的第i个和第i+1个时域采样点的强度值，h表示时间域采样时间间隔，α
i
和α
i+1
分别表示第i个和第i+1个时域采样点对应的中间系数；
[0014]S5、根据S4得到的重采样数据，利用DCM进行相位解调处理得到振动相位信息。
[0015]优选地，所述中间系数的计算公式为：
[0016][0017]其中，I
m
(1)～I
m
(N
time
)分别表示第m通道在振动入侵位置对应的第1～N
time
个时域采样点的强度值，N
time
表示时间域采样点数量，α1～α
Ntime
表示第1个～第N
time
个采样点对应的中间系数。
[0018]优选地，所述S2中，分别对每个通道数据进行时域移动差分处理的公式为：
[0019]Diff
m
(i,j)＝Trace
m
(i+x,j)
‑
Trace
m
(i,j)其中1≤i≤N
time
‑
x,1≤j≤N
space
；
[0020]进行累加处理的公式为：
[0021]其中1≤i≤N
time
‑
x,1≤j≤N
space
；
[0022]其中，Sum
m
(j)表示第m个通道在第j个空间域采样点对应的累加强度差值，Diff
m
(i,j)表示第j个空间域采样点在第i个时域采样点的差分值，Trace
m
(i+x,j)和Trace
m
(i,j)
表示第m个通道中第j个空间域在第i+x个和第i个时域采样点的强度值，x表示差分间隔，N
time
表示时间域采样点数量。
[0023]优选地，所述x的取值大于5。
[0024]优选地，所述S3中，对三条差分曲线进行高斯滤波以及归一化后再进行加权平均。
[0025]优选地，所述S3中，对三条差分曲线进行归一化的方法为：
[0026]其中1≤j≤N
space
；
[0027]其中，Norm
m
(j)表示第m个通道对应的差分曲线在第j个空间域采样点归一化后的强度值，Sum
m
(j)表示第m个通道在第j个空间域采样点对应的累加强度差值，min(Sum
m
)和max(Sum
m
)分别表示第m条差分曲线的最小强度值和最大强度值。
[0028]优选地，所述S3中，对三条差分曲线进行加权平均的公式为：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取第一、第二、第三通道的瑞利散射信号，并分别进行二维时空矩阵重构；S2、分别对每个通道数据在空间域进行时域移动差分和累加处理，得到三条差分曲线；S3、对三条差分曲线进行加权平均，得到多通道融合的差分迹线，根据差分迹线判断是否有振动，若有，获取振动入侵位置；S4、提取振动入侵位置的三个通道的信号强度，并分别进行插值运算，得到各自的插值函数实现重采样，插值函数的计算公式为：S
i
(t)＝A
i
+B
i
t+C
i
t2+D
i
t3；其中，t∈[t
i
,t
i+1
]，A
i
，B
i
，C
i
，D
i
分别是插值函数在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的插值系数，t
i
和t
i+1
分别表示第i个数据点和第i+1个数据点对应的时间，所述插值系数的计算公式为：其中，I
m
(i)和I
m
(i+1)分别表示第m个通道在振动入侵位置对应的第i个和第i+1个时域采样点的强度值，h表示时间域采样时间间隔，α
i
和α
i+1
分别表示第i个和第i+1个时域采样点对应的中间系数；S5、根据S4得到的重采样数据，利用DCM进行相位解调处理得到振动相位信息。2.根据权利要求1所述的一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法，其特征在于，所述中间系数的计算公式为：其中，I
m
(1)～I
m
(N
time
)分别表示第m通道在振动入侵位置对应的第1～N
time
个时域采样点的强度值，N
time
表示时间域采样点数量，α1～α
Ntime
表示第1个～第N
time
个采样点对应的中间系数。3.根据权利要求1所述的一种降低DCM算法相位恢复误差的系统数据处理方法，其特征在于，所述S2中，分别对每个通道数据进行时域移动差分处理的公式为：Diff
m
(i,j)＝Trace
m
(i+x,j)

【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：