[发明专利]一种用于直接探测型φ-OTDR的相位解调方法

说明书

本发明公开了一种用于直接探测型φ‑OTDR的相位解调方法，通过信号抽取、包络提取、和差计算、带通滤波等手段，从原始时域光强信号中直接构造出包含扰动相位的正交分量，进而实现相位解调。本发明不同于一般的φ‑OTDR相位解调方法，其特点在于不使用外差探测、3×3耦合器、BPD平衡探测器或PGC相位调制，不需要进行中频信号的高速采集。本发明能够在不使用任何附加光学器件、附加光路结构的条件下，仅通过数字信号处理手段，实现直接探测型φ‑OTDR系统瑞利散射光场的相位解调。

技术领域

本发明涉及相位解调领域，尤其涉及一种在直接探测φ-OTDR(相位敏感型光时域反射仪)系统中，通过数字信号处理手段，从原始时域光强信号中直接构造正交信号的相位解调方法。

背景技术

相位敏感光时域反射仪φ-OTDR是一种分布式光纤振动传感技术，在长输油气管线入侵预警、PCCP(预应力钢筒混凝土管)管道断丝与泄漏监测、关键军事区域周界安防等领域有很好的应用前景。φ-OTDR重复性的向传感光纤中发射探测脉冲，同时接收脉冲在光纤中产生的回波-瑞利后向散射光(Rayleigh Back Scattered Wave，RBS)。当光纤某处发生扰动时，局部折射率被调制，导致扰动位置下游的RBS光场发生相位变化。解调出这种变化，即可获得外界扰动的信息。根据探测方式的不同，φ-OTDR分为直接探测型和相干探测型。根据本地参考光频率的不同，相干探测进一步分为外差探测和零差探测。

现有的φ-OTDR相位解调技术一般使用外差探测、双通道正交探测、3×3耦合器三路探测、PGC(相位载波产生)光学相位载波产生等方式进行RBS光场的相位解调，这些方法不仅增加系统的复杂度和成本，还会引入一些额外的信号干扰。例如，使用外差探测，需要对干涉得到的中频信号进行高速数据采集，并且信号光与本地参考光之间的偏振失配会使信噪比恶化。使用双路正交探测、3×3耦合器三路探测等手段，需要使用多通道同步探测和采集。不同采集卡、不同探测器间的器件不一致性会在解调出的相位中引入畸变。使用PGC光学相位载波产生方式进行相位解调，需要引入额外的相位调制器件，例如PZT(压电陶瓷换能器)调制器，使系统复杂化。同时，PGC算法的解调过程也极为复杂，会耗费大量的计算资源。

总之，直接探测型φ-OTDR系统的相位解调问题目前尚无有效解决方案。本发明提供了这样一种算法，可以在不增加任何附加器件或光路的条件下，实现直接探测φ-OTDR系统的相位解调。

发明内容

本发明用于解决现有技术不能实现直接探测型φ-OTDR相位解调的问题，提出了一种实现直接探测型φ-OTDR相位解调的方法，详见下文描述：

一种用于直接探测型φ-OTDR的相位解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)发生扰动时，确定扰动在瑞利散射曲线上的响应区间；从响应区间中任意选取两条原始时域光强信号，记为A、B；

2)对A、B信号波形进行上、下包络线的拟合；分别求取A、B信号波形上、下包络线和、差，和信号作为对信号直流分量的估计，差信号作为对信号振动幅度的估计；

3)利用步骤2)中的和、差信号，对A、B信号进行归一化，去除A、B信号的直流漂移和幅度波动，记归一化后的A、B曲线为A’、B’；

4)计算A’、B’的和、差，记为Sum、Diff；对Sum、Diff信号进行上下包络的拟合；

5)分别求取Sum、Diff信号上下包络的和、差信号作为对信号直流分量的估计，差信号作为对信号振动幅度的估计；

6)利用步骤5)中的和、差信号，对Sum、Diff信号进行归一化，去除Sum、Diff信号的直流漂移和幅度波动，记归一化后的Sum、Diff信号为Sum’、Diff’；