[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

说明书

本发明公开一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取方法及装置，包括第一激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、第二激光器、第三激光器、第一波分复用器、相位调制器、2×2耦合器、第一光分插复用器、传感光纤、第二光分插复用器、法拉第旋光镜、参考光纤、第二波分复用器、光电转换器、数据发送采集模块和数据处理模块。本发明构建组合结构，通过提取处理Φ‑OTDR信号获取入侵信号位置信息；提取并解调双波长干涉信号得到合成包裹相位，对合成包裹相位采用基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的解包裹算法实现解包裹，后恢复信号真实相位。本发明可有效克服Φ‑OTDR采样率不足的问题，利用双波长和UKF突破相位解包算法的限制，提高系统的检测范围。

技术领域

本发明涉及一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取方法及装置，属于光纤传感技术领域。

背景技术

近20年，以光纤作为敏感元件的光纤传感技术得到了蓬勃发展，在各监测领域得到了广泛的应用，为国家和人民财产的安全提供了保障。光纤传感器的应用范围广泛，可用于压力、温度、振动、位移等物理量的测量。与传统的电磁传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强，体积小，耐腐蚀，可进行分布式测量等诸多优点，其中，分布式光纤传感器更是凭借其分布式监测的独特优势，被广泛地应用于石油探测、周界安防、航空航天等领域。

目前，将分布式光纤传感系统应用到实际应用系统还存在着瓶颈。检测范围能力的不足是制约系统应用的关键瓶颈之一。以周界安防系统为例，系统存在各种不同类型的入侵事件，其中部分入侵事件会在较短时间内产生大应变信号。对于相位解调型Φ-OTDR系统，其解调得到的应变信号范围仅限于[-π,π]内，需通过相位解缠绕算法进一步处理获得真实相位。传统相位解缠绕算法受到奈奎施特采样定律限制要求相邻相位值的绝对差值小于π，否则无法展开得到真实的相位信号，造成相位模糊。从光学系统来看，通过提高采样率可一定程度提高Φ-OTDR检测范围，但由于Φ-OTDR等效采样率受光纤长度的限制，直接制约了其大应变检测的能力。从解缠绕算法来看，相位跳跃π值限制也直接制约了系统的检测范围。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取方法及装置，从而解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取的装置，包括第一激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、第二激光器、第三激光器、第一波分复用器、相位调制器、2×2耦合器、第一光分插复用器、传感光纤、第二光分插复用器、法拉第旋光镜、参考光纤、第二波分复用器、光电转换器、数据发送采集模块和数据处理模块；

所述第一激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器和第一光分插复用器的端口通过光纤依次连接；所述第二激光器、第三激光器分别与第一波分复用器通过光纤连接；所述第一波分复用器、相位调制器和2×2耦合器的端口一通过光纤依次连接；所述2×2耦合器的端口二与第一光分插复用器的端口三通过光纤连接；所述第一光分插复用器的端口四、传感光纤与第二光分插复用器的端口五通过光纤依次连接；所述第二光分插复用器的端口六与法拉第旋光镜通过光纤连接；所述2×2耦合器的端口七、参考光纤与法拉第旋光镜通过光纤依次连接；所述2×2耦合器的端口八通过光纤与第二波分复用器连接；所述环形器的端口九、第二波分复用器分别与光电转换器通过光纤连接；所述数据发送采集模块分别与光电转换器和数据处理模块连接；

所述光电转换器用于将光信号转换为电信号；所述数据发送采集模块用于采集电信号，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；所述数据处理模块用于实现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。

一种具有高检测范围的分布式光纤传感相位提取方法，包括以下步骤；