[发明专利]相位敏感光时域反射光纤分布式传感系统相位计算方法

说明书

本发明公开了一种相位敏感光时域反射光纤分布式传感系统相位计算方法，包括以下步骤：采集多次光脉冲对应的拍频数字信号、获得背向散射光相位矩阵Ф、确定外界振动扰动位置Y、在外界振动扰动位置Y之前和之后分别选取无相位扰动的位置X和Z，对其在背向散射光相位矩阵Ф中对应列相位Ф_X和Ф_Z进行相位解卷绕，将相位变化拓展到‑∞~+∞范围；将振动之后位置Z的相位曲线减去振动之前位置X的相位曲线，再除以2，得到外界振动在Y处所引入的相位变化值。本发明的计算方法可以准确获得Ф‑OTDR光纤分布式传感系统中外界振动事件对光脉冲引入的相位变化值，而且，该方法是基于常规的Ф‑OTDR光纤分布式传感系统，无需复杂的算法。

技术领域

本发明涉及一种光纤分布式振动传感系统相位计算方法，尤其是一种相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统相位计算方法，本发明属于光纤传感技术应用领域。

背景技术

相位敏感光时域反射（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry，缩写为Ф-OTDR或Phase-sensitive OTDR）光纤分布式传感系统用于对外界振动扰动事件进行监测，可以实现对外界振动扰动事件位置的精确定位，具有线形分布式测量、远程测量、高灵敏度、抗电磁干扰能力强、绝缘性好、本质安全、重量轻体积小等优点，应用非常广泛。在石油化工领域，Ф-OTDR可以实现输油、气管道防破坏挖掘事件监测，还可以用于油气开采中超声波测井；在轨道交通领域，Ф-OTDR可以实现铁轨振动状态监测；在电力系统领域，Ф-OTDR可以实现电缆隧道的安全监测，高压电缆防盗割监测等；在安防领域，Ф-OTDR可以作为分布式光纤围栏，对各种入侵事件进行监测报警。

在实际测量外界振动应用中，Ф-OTDR向传感光纤中发射光脉冲，通过光纤背向散射光到达探测终端的时间进行外界扰动事件位置的定位，同时，需要重复发射多个光脉冲来获取扰动位置相位的变化信息，目前，中科院上海光机所Zhengqing Pan等提出了正交相位解调方法（Zhengqing Pan, Kezhen Liang, Qing Ye, Haiwen Cai, Ronghui Qu, andZujie Fang, Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detection,Proc. Of SPIE, 2011, 8311,83110S），用于对Ф-OTDR系统所采集到拍频信号的相位进行解调，可以获得事件点背向瑞利散射信号的相位信息；此外，南京大学Guojie Tu等还提出了相位解卷绕的算法对相位解调数据进行处理（Guojie Tu, Xuping Zhang, YixinZhang, Fan Zhu, Lan Xia, Nakarmi, B., Development of an Ф-OTDR System forQuantitative Vibration Measurement, IEEE Photonics Technology Letters, 2015,27(12): 1349-1352），实现了事件点背向瑞利散射信号相位的拓展。然而，利用一维散射模型对Ф-OTDR系统分析可以知道，光脉冲传输通过外界扰动区域的过程中，每个位置的背向瑞利散射光相位是光脉冲内所有瑞利散射单元相干叠加的结果，是一个累加过程，因此，采用振动区域某点的相位变化值不能准确描述外界实际振动所引起的光纤相位变化过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统相位计算方法，以解决准确获取实际外界振动引入相位变化值的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统相位计算方法，

所述相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统，包括窄线宽激光器1，1´2光纤耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，光纤环形器5，传感光纤6，2´2光纤耦合器7，平衡光探测器8，数据采集卡9，计算机10；