[发明专利]具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取方法及装置

权利要求书

1.一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、声光调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、环形器(4)、第二激光器(5)、第三激光器(6)、第一波分复用器(7)、相位调制器(8)、2×2耦合器(9)、第一光分插复用器(10)、传感光纤(11)、第二光分插复用器(12)、法拉第旋光镜(13)、参考光纤(14)、第二波分复用器(15)、光电转换器(16)、数据发送采集模块(17)和数据处理模块(18)；

所述第一激光器(1)、声光调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、环形器(4)和第一光分插复用器(10)的端口(101)通过光纤依次连接；所述第二激光器(5)、第三激光器(6)分别与第一波分复用器(7)通过光纤连接；所述第一波分复用器(7)、相位调制器(8)和2×2耦合器(9)的端口一(91)通过光纤依次连接；所述2×2耦合器(9)的端口二(92)与第一光分插复用器(10)的端口三(103)通过光纤连接；所述第一光分插复用器(10)的端口四(102)、传感光纤(11)与第二光分插复用器(12)的端口五(121)通过光纤依次连接；所述第二光分插复用器(12)的端口六(123)与法拉第旋光镜(13)通过光纤连接；所述2×2耦合器(9)的端口七(93)、参考光纤(14)与法拉第旋光镜(13)通过光纤依次连接；所述2×2耦合器(9)的端口八(94)通过光纤与第二波分复用器(15)连接；所述环形器(4)的端口九(41)、第二波分复用器(15)分别与光电转换器(16)通过光纤连接；所述数据发送采集模块(17)分别与光电转换器(16)和数据处理模块(18)连接；

所述光电转换器(16)用于将光信号转换为电信号；所述数据发送采集模块(17)用于采集电信号，提取Φ-OTDR和两组三步移相干涉光强信号，并将其传至数据处理模块(18)；所述数据处理模块(18)用于实现Φ-OTDR信号的差值分析，并通过将扰动前后的曲线相减确定入侵位置信息；同时根据两组三步移相干涉光强信号实现两组包裹相位的计算，采用UKF实现相位解包裹，并通过进一步处理得到单波长对应的真实相位。

2.一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤S1:打开第一激光器(1)、第二激光器(5)和第三激光器(6)；第一激光器(1)发出的激光经过声光调制器(2)形成单波长脉冲激光信号，后通过掺铒光纤放大器(3)、环形器(4)，然后进入第一光分插复用器(10)；第二激光器(5)和第三激光器(6)发出的激光经过第一波分复用器(7)耦合形成双波长激光信号，经相位调制器(8)产生调制后进入2×2耦合器(9)进行分光形成双波激光信号1和双波长激光信号2；声光调制器(2)的调制信号和相位调制器(8)的调制信号由数据发送采集模块(17)产生；

步骤S2:单波长脉冲激光信号和双波激光信号1经第一光分插复用器(10)形成三波长激光进入传感光纤(11)，然后进入第二光分插复用器(12)实现分离，单波长激光脉冲信号产生Φ-OTDR信号直接返回，双波长激光信号1经法拉第旋光反射镜(13)返回；Φ-OTDR信号和返回的双波长激光信号1经过第一光分插复用器(10)实现分离，其中Φ-OTDR信号经过环形器(4)进入光电转换器(16)；双波长激光信号2直接进入参考光纤(14)后由法拉第旋光反射镜(13)返回，在2×2耦合器(9)与返回的双波长激光信号1产生干涉，形成双波长干涉光；双波长干涉光经2×2耦合器(9)进入第二波分复用器(15)；第二波分复用器(15)将双波长干涉信号按波长分离产生两组单波长干涉光，分别输出至对应的光电转换器(16)实现光电转换；

步骤S3:数据发送采集模块(17)采集Φ-OTDR对应的电信号以实现入侵定位；此时，Φ-OTDR时域信号可表示为

其中a(τ_i)和τi分别为第i个散射元的反射强度和时延，α为功率损耗系数，v0为光脉冲的频率，τ_p为单波长激光信号的脉冲宽度，c为光速，n为折射率；根据OTDR距离与探测时间的对应关系，可得沿光纤距离的瑞利散射光场：

外界入侵会使得扰动位置前后干涉光信号的强度会发生变化，数据处理模块(18)通过将扰动前后的曲线相减可确定入侵位置信息；

步骤S4:同时数据发送采集模块(17)采集光双波长干涉信号以实现入侵振动相位信号提取；

此时，双波长干涉光强I1(t)和I2(t)可表示为：

其中A和B与输入光强成正比，且B＝κA,κ≤1为干涉条纹可见度；为最终相位调制项，满足为相位调制器产生的相位调制量，τ_f为光在经过传感光纤(11)和参考光纤(14)产生的延时；具体可表示为：

其中k为整数，T为调制信号的周期；由式(5)得到代入式(3)和式(4)可得：

通过标定干涉光强信号与调制脉冲信号的延时，从式(6)和式(7)中获得两组对应的三步移相信号，具体可表示为：

数据处理模块(18)提取两组三步移相信号I₁₁(t),I₁₂(t),I₁₃(t)和I₂₁(t),I₂₂(t),I₂₃(t)；根据三步移相算法，得到两组包裹相位如下：

将不同波长对应的相位信号作差，可得：

其中，λ₂为第二激光器的波长；λ₃为第三激光器的波长，满足λ₂＜λ₃；d为参考臂与信号臂的光程差；设等效合成波长为λ_s，由式(12)可知，满足λ_s＝λ₂λ₃/(λ₃-λ₂)；

步骤S5:根据步骤S4计算得出的θ_s(t)_wrap，数据处理模块(18)利用基于卡尔曼滤波(UKF)的相位解包裹算法恢复相位θ_s(t)，最终根据θ_s(t)转换得到任意单波长对应的真实相位信息作为入侵相位信号。