【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及对通过进行das-p而获得的信号进行处理的信号处理装置和信号处理方法、及包括所述信号处理装置的振动检测系统。
技术介绍
1、作为在光纤长度方向分布地测量施加在光纤上的物理振动的手段，已知有被称为das(distributed acoustic sensing)的方法(非专利文献1)，该方法向被测量光纤入射脉冲试验光，检测瑞利散射引起的后向散射光。
2、在das中，对施加在光纤上的物理振动引起的光纤的光路长度变化进行捕捉，进行振动的传感检测。通过检测振动，可以检测被测量光纤周边的物体的运动等。
3、作为das中的后向散射光的检测方法，有对来自被测量光纤的各地点的散射光强度进行测量，并观测散射光强度的时间变化的方法，被称为das-i(das-intensity)。das-i具有装置结构简便的特征，但由于无法根据散射光强度定量地计算振动引起的光纤的光路长度变化，因此是定性的测量方法(非专利文献2)。
4、另一方面，也在研究开发das-p(das-phase)，该方法是对来自被测量光纤的各地点的散射光的相位进行测量而观测相位的时间变化的方法。das-p装置结构和信号处理比das-i复杂，但由于相位相对于振动引起的光纤的光路长度变化而线性变化，其变化率在光纤长度方向上也相同，因此可以进行振动的定量测量，能够忠实地再现施加在被测量光纤上的振动(例如，非专利文献2)。
5、在das-p的测量中，将脉冲光入射到被测量光纤，在入射脉冲光的时刻t，在光纤的长度方向分布地测量被散射的光的相位。
6、[数学式1]
7、
8、作为用于检测散射光的相位的装置结构，有直接用光电二极管等对来自被测量光纤的后向散射光进行检波的直接检波的结构、使用与另外准备的参照光合波而进行检测的相干检波的结构(例如，非专利文献1)。
9、在进行相干检波并计算相位的机构中，细分为使用希尔伯特变换以软件为基础进行处理的机构和使用90度光混频器以硬件为基础进行处理的机构这两种，但在任何一种方法中，都获取散射光的同相分量l(l、nt)和正交分量q(l、nt)，通过下式计算相位。
10、[数学式2]
11、
12、其中，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，设m为任意的整数，2mπ+θ(l、nt)在xy平面上全部成为相同的矢量方向，因此只有2mπ的不确定性存在于上述计算的θcal(l、nt)中。因此，作为更准确地评估θ(l、nt)的方法，进一步地进行了相位展开等信号处理。在一般相位展开中，若将展开后的相位设为θcalunwrap，则例如在按照时刻从小到大的顺序进行处理的情况下，在相位展开的开始点使θcalunwrap与θcal相同的基础上，如下所述地依次根据θcalunwrap(l，pt)计算θcalunwrap(l，(p+1)t)，其中p为任意的整数。
13、[数学式2-1]
14、
15、在上式大于π弧度情况下，选择适当的整数q，使得下式小于π弧度，
16、[数学式2-2]
17、
18、并将展开后的相位θcalunwrap(l，(p+1)t)用下式依次进行计算。
19、[数学式3]
20、
21、上标unwrap表示展开后的相位。另外，作为实际的分布振动测量中的计算步骤，大多在计算式(1)那样的地点间的相位值的差分后，对计算出的差分实施相位展开处理。
22、在das的测量中，存在用于检测光的pd(photo diode)的热噪声、其后的电路段中的噪声、光引起的散粒噪声等测量器的噪声。因此，测量的散射光的强度和相位也会受到测量器的噪声的影响。
23、特别是，在测量散射光的相位的情况下，如果测量器的噪声的影响变大，则不仅相位的不确定性增加，而且与没有噪声的情况下的理想相位值相比，获得大不相同的测量值的概率也变大。
24、例如，在相干检波的情况下，关于以同相分量为横轴、以正交分量为纵轴时所测量的散射光的矢量，没有噪声时的矢量的方向与要测量的相位相对应，但如果噪声的影响大，则矢量的方向朝向相反的方向，与没有噪声的情况下的理想相位值相比，实际测量的相位值取π弧度左右不同的值的概率变大。在这一点中会导致：根据式(1)计算振动的大小时，误认为有大的物理力施加到光纤上。此外，如果噪声的影响变大，则在式(3)所示的展开处理中，错误选择整数q的点增加，在错误选择的点前后会产生2π以上的实际上并不存在的相位值的差异。这样的相位值的差异也会导致：根据式(1)计算振动的大小时，误认为有大的物理力施加到光纤上。
25、为了准确测量相位，需要降低测量器的噪声的影响。测量器的噪声的影响变大是因为，测量器的噪声在各地点以及各时刻被视为相同程度时，散射光的强度本身变小；因此，如果在各地点以及各时刻使散射光的强度变大，则能够降低测量器的噪声的影响。
26、散射光强度本身变小的原因不仅仅是因为作为探测的脉冲光在被测量光纤中传播而产生的吸收和散射引起的损失。由于将具有有限的时间宽度的脉冲光入射到被测量光纤，并检测脉冲光的散射，因此，会发生来自分布在被测量光纤上的非常细的多个散射体的散射光的干涉。作为干涉的结果，根据各时刻散射体在被测量光纤的长度方向上的分布，会产生散射光强度变小的地点。该现象被称为衰落(非专利文献3)。
27、因此，在测量das-p中的散射光的相位的情况下，为了降低测量器的噪声的影响，存在着由于衰落而在各时刻产生散射光的强度变小的地点的问题。
28、作为解决该问题的手段，有单纯地增大入射的光脉冲的峰值强度的方法。但是，若增大峰值强度，则会产生非线性效应，脉冲光的特性会随着被测量光纤的传输而变化。因此，可入射的光脉冲的峰值强度受到限制，有时不能充分解决上述问题。
29、为了解决上述问题，提出了一种相位测量方法以及信号处理装置(专利文献1)，在测量das-p中的散射光的相位时，能够不增大入射的光脉冲的峰值强度而降低测量器的噪声的影响。
30、为了解决上述问题，在专利文献1中，以能够忽略振动引起的光纤状态的变化的时间间隔，将对不同的光频率成分的脉冲进行排列并波长复用后本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.信号处理装置，
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，所述多个光脉冲由包括主光频率的成分和补偿光频率的成分的多个脉冲对构成；
3.根据权利要求2所述的信号处理装置，
4.振动检测系统，具备：
5.信号处理方法，
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.信号处理装置，
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，所述多个光脉冲由包括主光频率的成分和补偿光频率的成分的多个脉冲...
【专利技术属性】
技术研发人员：胁坂佳史，饭田大辅，古敷谷优介，本田奈月，
申请(专利权)人：日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：
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