基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置，包括光程差测量模块、相位测量模块、复用模块、散射增强传感光纤以及数据采集解调系统，将具有高噪声、大动态范围特性的光程差（OPD）解调与具有低噪声、高精度的相位解调相结合，并在数据处理时，利用大动态范围的OPD数据辅助完成低噪声相位数据的解卷绕，校正由于π相位原则导致的相位解卷绕错误，实现大信号的相位解卷绕，在保持系统解调精度的同提升测量动态范围。系统解调精度的同提升测量动态范围。系统解调精度的同提升测量动态范围。

【技术实现步骤摘要】
基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置。

技术介绍

[0002]分布式光纤声波传感（DAS）系统具有测量距离长、抗电磁干扰、耐化学腐蚀以及良好的环境适用性等特点，其通过分析待测光纤中探测脉冲光的后向散射光信息，可以实现对外界声波的感知与定位，并且能够连续无间隔地测量沿光纤方向分布的空间温度、应变和振动信息，因此在结构健康监测、周界安防、水声探测、资源勘探以及地震灾害监测等领域得到了广泛关注和应用。
[0003]在各种DAS系统中，基于相干瑞利后向散射(RBS)的相位敏感光时域反射技术（Φ
‑
OTDR）因其高灵敏度和快速响应而成为动态应变测量领域的热门技术，该技术通过解调相位信息得到声致光纤应变进而实现对待测声事件的波形重构，其解调出的相位信息和声波信号的幅值信息之间存在线性对应关系，可以很好的反映声波的变化情况。
[0004]在Φ
‑
OTDR系统中，待测声振信号导致的散射光相位信息通常采用反三角函数（arctan(x)）来恢复，由于反三角函数的周期性，声振信号导致的相位信息会被包裹卷绕成[
‑
π，π]内的相位变化，这严重限制了声振信号的测量动态范围，因此，相位解卷绕（Phase Unwrapping）算法被开发出来。相位解卷绕遵循π相位原则，即要求相邻采样点间的相位差的绝对值小于π。在该算法中，当相邻点相位差大于π时，要根据两采样点相位的变化量，进行加2π或减 2π的运算，以保持相邻两点间的相位差的绝对值小π，进而实现被包裹在[
‑
π，π]内的相位的展开。
[0005]相位解卷绕算法虽然实现了系统测量动态范围的提升，但π相位原则也限制了系统测量动态范围的进一步扩展，并且在实际应用中，相位解卷绕的正确性还会受到噪声与采样率的影响。当待测声振信号导致两个相邻采样点之间的相位变化大于π时，相位解卷绕算法的
±
2π运算会导致解调相位失真，在实际应用中常通过增加大相位变化之间的采样点数的方式来确保π相位原则，即提升采样速率，这要求系统必须采用比奈奎斯特速率大得多的采样速率。但在DAS系统中，采样速率是极其珍贵的“系统资源”，无法无限制的提升，并且高采样速率加重系统数据处理的负荷，这导致系统测量带宽和动态范围之间的矛盾，因此实际应用需要在测量带宽与动态范围之间进行权衡。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置，该方法和装置可以解决目前Φ
‑
OTDR系统中由于相位解卷绕的π相位原则而导致的测量动态范围受限问题，解除系统中测量带宽和动态范围之间的相互制约问题。
[0007]为实现上述专利技术目的，实施例提供的一种大动态范围分布式相位传感装置，包括：光程差测量模块，用于产生啁啾频率脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于
对啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光进行干涉得到测量光程差的第一干涉信号；相位测量模块，用于产生另一脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于对另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光进行干涉得到测量相位信息的第二干涉信号；复用模块，其一端与光程差测量模块和相位测量模块连接，另一端与散射增强传感光纤连接，用于实现对光程差测量模块、相位测量模块的工作通道复用与解复用；散射增强传感光纤，其包括具有间隔的散射增强点，用于对接收的啁啾频率脉冲光和另一脉冲光分别进行散射增强，并输出散射增强点的第一反射光和第二反射光；数据采集解调系统，用于对采集的第一干涉信号和第二干涉信号分别解调得到光程差数据和卷绕相位数据，然后利用光程差数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复相位信息。
[0008]优选地，所述光程差测量模块包括啁啾频率脉冲光产生单元、第一光纤放大器、第一环形器、非平衡光纤干涉仪、探测单元，其中，啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光经过第一光纤放大器放大后经过第一环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光经过复用模块和第一环形器注入到非平衡光纤干涉仪，经过非平衡光纤干涉仪干涉后通过探测单元转换为电信号得到测量光程差的第一干涉信号。
[0009]优选地，所述啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光通过对第一光源进行内调制或外调制产生，其中，当采用内调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制驱动器，调制驱动器对第一光源的电流或电压进行直接调制以输出啁啾频率脉冲光，当采用外调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制单元，调制单元对第一光源的输出光进行强度或相位调制以得到啁啾频率脉冲光，调制单元由包含第一声光调制器、电光调制器中的单个或者多个调制器件构成。
[0010]优选地，所述非平衡光纤干涉仪与探测单元的组合由N
×
N光纤耦合器与若干个单端探测器结构的组合实现，其中，N
×
N光纤耦合器用于实现干涉，单端探测器用于将干涉的光信号转换为电信号。
[0011]优选地，所述相位测量模块包括第二光源、第一耦合器、第二耦合器、第二声光调制器、第二光纤放大器、第二环形器、平衡探测器，其中，第二光源输出的光源光经过第一耦合器分成两路，其中，一路光源光经过第二声光调制器调制成另一脉冲光，该另一脉冲光经过第二光纤放大器放大后再经过第二环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光经过复用模块和第二环形器注入到第二耦合器，在第二耦合器中，第二反射光与第一耦合器输出的另一路光源光发生干涉后通过平衡探测器转换为电信号得到第二环形器和第二干涉信号。
[0012]优选地，所述啁啾频率脉冲光产生单元中的第一光源的线宽应满足，其中，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射点散射光干涉路径的物理长度差。
[0013]优选地，所述光程差测量模块中产生的啁啾频率脉冲光与相位测量模块产生的另一脉冲光的脉冲宽度相等，且啁啾频率脉冲光与另一脉冲光的重频相等。
[0014]优选地，脉冲宽度满足，其中，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射增强点的光纤长度。
[0015]优选地，所述数据采集解调系统实现的解调过程为：步骤1，对光程差测量模块获得的第一干涉信号进行光程差解调得到OPD数据，并对OPD数据进行降噪处理使得噪声方差小于；步骤2，对相位测量模块获得的第二干涉信号进行解调得到卷绕相位数据Φ
W
，同时选择卷绕相位数据Φ
W
的第二个采样点为起始点；步骤3，对于第i个采样点的光程差数据OPD(i)和相位数据Φ
W
(i)，同时计算第i个采样点与第i
‑
1个点之间的光程差变化与相位变化；步骤4，当
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，包括：光程差测量模块，用于产生啁啾频率脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于对啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光进行干涉得到测量光程差的第一干涉信号；相位测量模块，用于产生另一脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于对另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光进行干涉得到测量相位信息的第二干涉信号；复用模块，其一端与光程差测量模块和相位测量模块连接，另一端与散射增强传感光纤连接，用于实现对光程差测量模块、相位测量模块的工作通道复用与解复用；散射增强传感光纤，其包括具有间隔的散射增强点，用于对接收的啁啾频率脉冲光和另一脉冲光分别进行散射增强，并输出散射增强点的第一反射光和第二反射光；数据采集解调系统，用于对采集的第一干涉信号和第二干涉信号分别解调得到光程差数据和卷绕相位数据，然后利用光程差数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复相位信息。2.根据权利要求1所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述光程差测量模块包括啁啾频率脉冲光产生单元、第一光纤放大器、第一环形器、非平衡光纤干涉仪、探测单元，其中，啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光经过第一光纤放大器放大后经过第一环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光经过复用模块和第一环形器注入到非平衡光纤干涉仪，经过非平衡光纤干涉仪干涉后通过探测单元转换为电信号得到测量光程差的第一干涉信号。3.根据权利要求2所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光通过对第一光源进行内调制或外调制产生，其中，当采用内调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制驱动器，调制驱动器对第一光源的电流或电压进行直接调制以输出啁啾频率脉冲光，当采用外调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制单元，调制单元对第一光源的输出光进行强度或相位调制以得到啁啾频率脉冲光，调制单元由第一声光调制器、电光调制器中的单个或者多个调制器件构成。4.根据权利要求2所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述非平衡光纤干涉仪与探测单元的组合由N
×
N光纤耦合器与若干个单端探测器结构的组合实现，其中，N
×
N光纤耦合器用于实现干涉，单端探测器用于将干涉的光信号转换为电信号。5.根据权利要求1所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述相位测量模块包括第二光源、第一耦合器、第二耦合器、第二声光调制器、第二光纤放大器、第二环形器、平衡探测器，其中，第二光源输出的光源光经过第一耦合器分成两路，其中，一路光源光经过第二声光调制器调制成另一脉冲光，该另一脉冲光经过第二光纤放大器放大后再经过第二环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光经过复用模块和第二环形器注入到第二耦合器，在第二耦合器中，第二反射光与第一耦合器输出的另一路光源光发生干涉后通过平衡探...

【专利技术属性】
技术研发人员：田帅飞，马玲梅，朱琛，郑洪坤，刘泽超，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：