[发明专利]相位测量方法及信号处理装置

说明书

本发明的目的在于提供一种相位测量方法及信号处理装置，在DAS‑P中测量散射光的相位时，能够在不增加入射光脉冲的峰值强度的情况下，减少测量仪器的噪声的影响。在本发明的相位测量方法中，将波长复用的脉冲光入射至被测光纤；将来自被测光纤的各个波长的散射光绘制在横轴为同相分量、纵轴为正交分量的二维平面上，生成散射光矢量；将生成的散射光矢量在被测光纤上的各点处基于每个波长进行旋转以匹配方向；将方向匹配的矢量彼此相加求平均值，生成新的矢量；使用生成的新的矢量的同相分量和正交分量的值计算相位。

技术领域

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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

[数学式1]

(振动幅度)∝δθ(l，nT)-δθ(l，0)

＝[θ(l+δl，nT)-θ(l，nT)]-[θ(l+δl，0)-θ(l，0)] (1)

＝[θ(l+δl，nT)-θ(l+δl，0)]-[θ(l，nT)-θ(l，0)]

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。

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。

[数学式2]

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。