[发明专利]光纤相位解调中偏振诱导衰落导致相位跳变修正方法

说明书

本发明公开了一种光纤相位解调中偏振诱导衰落导致相位跳变修正方法，它包括如下步骤：1、选取非偏振相消时的解调相位作为历史样本数据；2、确定解调相位自回归滑动平均模型的自回归系数和滑动平均系数；3：建立卡尔曼解调相位预测模型，推导卡尔曼解调相位预测模型递推方程组；4、判断实际解调相位是否存在跳变点，如果存在跳变点需要对光的偏振态进行判断，当光的偏振态处于偏振正交时需要对跳变点进行修正，修正方式为以相位预测值代替实际解调相位。本发明保证后续基于振动信号处理的正确性。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤相位解调中偏振诱导衰落导致相位跳变修正方法。

技术背景

振动是自然界最普遍的现象之一，通过振动的检测可以实现结构健康监测、灾害和异常事件的预警等。振动检测是分布式光纤传感技术中的一个重要研究方向和应用领域。

光纤振动监测系统通过解调传输在光纤中光脉冲的相位变化还原环境中的振动信息。基于3×3光纤耦合器的反正切解调方法是光纤振动解调主要方法之一。该方法利用3×3光纤耦合器三端输出光信号两两相位差120°的特性建立反正切运算中的正弦变量和余弦变量，采用反正切运算解调出光信号中的相位信息。反正切运算的值域为(-π/2，π/2)，根据参与运算的正弦变量和余弦变量的符号扩展到(-π，π)，因此反正切运算解调的代表振动的相位值被压缩在(-π，π)，需要通过相位解卷积算法，即当两相邻解调相位值之间的差值大于π，对后一时刻相位值增加或减小2π的补偿值，还原真实的振动信号引起的相位变化。实际工程需求分布式光纤振动传感技术覆盖距离远，光纤中传输探测光脉冲更容易因为光纤弯曲、受力等发生偏振态随机变化，导致干涉仪输出干涉信号的可见度改变，当两干涉光的偏振态正交时，干涉仪输出干涉信号的可见度为零，即发生偏振相消，产生偏振诱导信号衰落效应。当干涉信号可见度较小时，根据3×3光纤耦合器三端输出光信号相位差特性建立的正弦分量和余弦分量同时趋近于0，同时受到电噪声和光噪声的影响，反正切运算存在失真，使得相位解卷积算法还原后的相位信号存在错误的相位补偿，导致最终解调振动信息存在阶跃跳变，严重影响了光纤振动监测系统在实际工程中的应用。

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种光纤相位解调中偏振诱导衰落导致相位跳变修正方法，本发明利用历史不存在跳变的解调相位建立解调相位预测模型，将预测相位值和实际解调相位值进行对比分析，判断是否存在跳变点，进而对跳变点进行修正。保证后续基于振动信号处理的正确性。

为实现此目的，本发明所设计的一种光纤相位解调中偏振诱导衰落导致相位跳变修正方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：通过对马赫增德干涉仪中3×3光纤耦合器三端输出光信号分析选取偏振不相消时的解调相位作为历史样本数据；

步骤2：利用步骤1选择的历史样本序列，采用时间序列分析方法构建解调相位自回归滑动平均模型，利用赤池信息准则或贝叶斯信息准则确定解调相位自回归滑动平均模型阶数，并利用最小二乘估计法确定解调相位自回归滑动平均模型的自回归系数和滑动平均系数；

步骤3：以解调相位(传输在光纤中光的相位)表示卡尔曼状态向量，并利用步骤2中获得的解调相位自回归滑动平均模型初始化卡尔曼状态转移矩阵、系统噪声向量、预测输出矩阵等参数，建立卡尔曼解调相位预测模型，推导卡尔曼解调相位预测模型递推方程组；,

步骤4：用创建的卡尔曼解调相位预测模型，对解调相位进行实时预测，并与利用反正切算法和相位解卷积算法解调的实际相位做差运算，判断实际解调相位是否存在跳变点，如果存在跳变点需要对光的偏振态进行判断，当光的偏振态处于偏振相消时需要对跳变点进行修正，修正方式为以预测相位值代替实际解调相位。