一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法

摘要

本发明公开了一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法。在距离轴上将拍频信号滤波得到的中频信号等分成首尾相接的等宽区间，选取中点位置为区间索引；迭代进行“索引矩阵两端元素鉴相判断‑索引矩阵长度判断‑索引矩阵中点分割”直至满足条件退出；扰动区域相邻区间求相位差，非扰动区域相邻区间相位差记为零，回溯前一中频信号进行同样处理；对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差进行差分运算，获得两个相邻区间相位差变化量，还原出振动信号。本发明仅使用单模传感光纤且不改变传统系统结构，通过忽略大量无效传感信息，降低系统运算负担，有效解决信号数据量大和系统运算量大造成的系统实时性差的难题。

权利要求

1.一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法，其特征在于：包括窄线宽激光器(1)、1×2光纤耦合器(2)、声光调制器(3)、掺铒光纤放大器(4)、光纤环形器(5)、传感光纤(6)、波形发生器(7)、2×2光纤耦合器(8)、平衡光探测器(9)、数据采集卡(10)、计算机(11)；其中，所述窄线宽激光器(1)经过1×2光纤耦合器(2)分成两路，一路为传感探针光信号经过声光调制器(3)调制为光脉冲，并经过掺铒光纤放大器(4)进行光功率放大，输入光纤环形器(5)的一号端口并由二号端口输出到传感光纤(6)，产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出；1×2光纤耦合器(2)输出的另一路为本地参考光信号与光纤环形器(5)的三号端口输出的传感信号进入2×2光纤耦合器(8)中合波，2×2光纤耦合器(8)两个输出端口与平衡光探测器(9)连接，平衡光探测器(9)进行光电转换并由数据采集卡(10)进行模数转换传递至计算机(11)进行信号处理；具体包括以下步骤：步骤1：通过相干探测的相位敏感型光时域反射系统，得到探测光脉冲所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号，拍频信号通过指定参数的带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声，得到中频信号；

步骤2：对于步骤1中得到的任一探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，选定窗口宽度，在距离轴上将中频信号划分成首尾相接且等宽度的区间D，按照距离轴正向的顺序表示为D0，D1，…，Di；

步骤3：对于步骤2中得到的首尾相接且等宽度的中频信号区间，设各区间内所包含的中频信号数据点数为K，且K∈N*：当K为奇数时，各区间内第(K+1)/2个数据点所对应的位置为中点位置；当K为偶数时，各区间内第K/2个数据点所对应的位置为中点位置，选取各区间的中点位置为区间索引(Index)，使用I0，I1，…，Ii来进行表示，并将其记为区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)；

步骤4：对所有扰动区间是否完成鉴相进行判别，若都完成鉴相，则进行步骤9；若没有则进行步骤5；

步骤5：将区间索引矩阵I的左右两端元素分别记为ILeft和IRight，则其涵盖的原始中频信号区间为[DLeft，DRight]，选取以中频信号区间左右两端索引位置为中心，宽度等同于探测光脉冲的一段中频信号作为目标数据进行相位解调并解卷绕，得到区间D0和Di中点位置所对应的相位即ΦLeft和ΦRight；

步骤6：若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值小于判别阈值，判定区间[DLeft，DRight]内无扰动，则返回步骤4；若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值大于判别阈值，则判定区间[DLeft，DRight]内存在扰动，进行步骤7；

步骤7：若区间索引矩阵I只存在2个元素，则分别在这两个元素索引的原始中频信号位置处进行相位解调并解卷绕，以此表示发生外界扰动处的信号估计相位，返回步骤4；若否，则进行步骤8；

步骤8：提取所述的区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)的中心位置元素IMiddle，当i为奇数时，IMiddle＝I(i+1)/2；当i为偶数时，IMiddle＝Ii/2，将区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)从中心位置处分割为两个新的索引矩阵[ILeft，…，IMiddle]和[IMiddle，…，IRight]，返回步骤4；

步骤9：对于步骤4中得到的中频信号所有扰动区间的估计相位，对扰动区间内涵盖的等宽区间D作相邻区间相位差；对于非扰动区间，其涵盖的等宽区间相邻区间相位差记为零，回溯步骤1中得到的前一个探测光脉冲形成的瑞利背向散射中频信号，同样进行步骤2～步骤9的处理；

步骤10：对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间的光纤伸缩情况，实现对外部振动信号的感测。

2.根据权利要求1所述的一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法，其特征在于：在步骤1中，带通滤波器的中心频率与拍频信号的频率一致，且带通滤波器的带宽与探测光脉冲脉宽的倒数相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法，其特征在于：在步骤2中，窗口宽度需要至少覆盖两个空间分辨率，以探测光脉冲定义系统空间分辨率L＝c×T/(2×n)，其中，c表示真空中的光速，T表示探测光脉冲持续时间，n表示传感光纤折射率。

说明书

一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法。

背景技术

[0002] 相位敏感型光时域反射(Φ‑OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点，能够实现对微弱扰动的分布式检测，在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康检测等领
域具有广阔应用前景。目前，国内外关于Φ‑OTDR的研究中，大部分检测的是瑞利散射信号
的强度信息，对外界扰动引起的光相位变化的定量测量较少。上海光机所的PanZhengqing
等人使用检测相位的方法处理Φ‑OTDR数据。这种基于相位解调的Φ‑OTDR能够获得比幅度
解调更高的信噪比(大于10dB)。

[0003] 通过鉴相，可以获得高保真的振动信号重构质量。然而，Φ‑OTDR作为一种分布式传感的技术，其传感光纤当中的每一点均可以看作是独立的传感器。传感光纤越长，产生的
传感数据越多，增加了解调的计算量，影响了系统的响应速度。同时，外界扰动一般只是稀
疏分散在传感范围中，大部分传感器实际处于闲置的工作状态，因此系统无需对每一个传
感器进行相同的解调，适当忽略这些闲置的传感器能够大幅加快Φ‑OTDR系统在后续信号
处理过程中的速度。因此，研究提升Φ‑OTDR系统运算效率的信号处理方法是十分必要的。

[0004] 为了解决相干探测Φ‑OTDR系统中信号数据量大的问题，成都电子科技大学的饶云江等(WangZ,Zhang L,Wang S,et al.CoherentΦ‑OTDRbased on I/Q demodulation 
andhomodyne detection[J].Optics express,2016,24(2):853‑858.)提出利用90°光混频
器和零外差检测的方法，直接在光频上进行光信号正交解调得到同相分量和正交分量，降
低了系统对数据采集卡采样率的要求，减少了数据量，然而过低的采样率会造成系统空间
分辨率的劣化，影响定位精度。西南交通大学的邵理阳等(He  H,Shao LY,Li Z,et 
al.Self‑Mixing Demodulation for CoherentPhase‑Sensitive OTDR System[J]
.Sensors,2016,16(5):681；一种基于自混频技术的相位敏感光时域反射系统，中国发明专
利，发明人：邵理阳，何海军，张志勇，闫连山，潘炜，罗斌，申请公告号：CN105606196A)提出
了利用信号自混频的方法，将信号变频到基带上，可降低所需的数据采样率，以提升系统的
实时性能。然而这种方案的解调信号受到光幅度影响，无法将外界扰动大小与其解调信号
与建立精确的线性关系，限制了Φ‑OTDR光纤传感系统的应用范围。同时，以上两种方案均
增加了光路和器件的复杂度。

发明内容

[0005] 为解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在仅使用普通单模传感光纤且不改变传统Φ‑OTDR系统结构的前提下，提出一种相位敏感型光时域反射系统中提高运算效
率的信号处理方法，在保证系统稳定性和空间分辨率的同时，减少系统运算量，提高系统响
应速度，解决由于Φ‑OTDR系统传感数据量大造成系统响应速度慢的难题，弥补现有技术在
相位解调方面的不足，且本方案适用于各种相干探测解调的Φ‑OTDR系统。

[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法，包括窄线宽激光器、1×2光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、波形发生器、2×2光
纤耦合器、平衡光探测器、数据采集卡、计算机；其中，所述窄线宽激光器经过1×2光纤耦合
器分成两路，一路为传感探针光信号经过声光调制器调制为光脉冲，并经过掺铒光纤放大
器进行光功率放大，输入光纤环形器的一号端口并由二号端口输出到传感光纤，产生的瑞
利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出；1×2光纤耦合器输出的另一路为本地参
考光信号与光纤环形器的三号端口输出的传感信号进入2×2光纤耦合器中合波，2×2光纤
耦合器两个输出端口与平衡光探测器连接，平衡光探测器进行光电转换并由数据采集卡进
行模数转换传递至计算机进行信号处理；具体包括以下步骤：

[0008] 步骤1：通过相干探测的相位敏感型光时域反射系统，得到探测光脉冲所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号，拍频信号通过指定参数的带通滤波器进行中频滤波，
抑制宽带噪声，得到中频信号；

[0009] 步骤2：对于步骤1中得到的任一探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，选定窗口宽度，在距离轴上将中频信号划分成首尾相接且等宽度的区间D，按照距离轴正向的
顺序表示为D0，D1，…，Di；

[0010] 步骤3：对于步骤2中得到的首尾相接且等宽度的中频信号区间，设各区间内所包含的中频信号数据点数为K，且K∈N*：当K为奇数时，各区间内第(K+1)/2个数据点所对应的
位置为中点位置；当K为偶数时，各区间内第K/2个数据点所对应的位置为中点位置，选取各
区间的中点位置为区间索引(Index)，使用I0，I1，…，Ii来进行表示，并将其记为区间索引矩
阵I＝[Ii]1×(i+1)；

[0011] 步骤4：将区间索引矩阵I的左右两端元素分别记为ILeft和IRight，则其涵盖的原始中频信号区间为[DLeft，DRight]，选取以中频信号区间左右两端索引位置为中心，宽度等同于
探测光脉冲的一段中频信号作为目标数据进行相位解调并解卷绕，得到区间D0和Di中点位
置所对应的相位即ΦLeft和ΦRight，若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值小于判别阈值，则判定区
间[DLeft，DRight]内无扰动；若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值大于判别阈值，则判定区间[DLeft，
DRight]内存在扰动，进行步骤5；

[0012] 步骤5：检查所述的区间索引矩阵I是否只存在2个元素，若是，则分别在这两个元素索引的原始中频信号位置处进行相位解调并解卷绕，以此表示发生外界扰动处的信号估
计相位，重复步骤；若否，则进行步骤6；

[0013] 步骤6：提取所述的区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)的中心位置元素IMiddle，当i为奇数时，IMiddle＝I(i+1)/2；当i为偶数时，IMiddle＝Ii/2，将区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)从中心位置处
分割为两个新的索引矩阵[ILeft，…，IMiddle]和[IMiddle，…，IRight]，重复步骤4，最终得到中频
信号所有受到扰动区间的估计相位；

[0014] 步骤7：对于步骤6中得到的中频信号所有扰动区间的估计相位，对扰动区间内涵盖的等宽区间D作相邻区间相位差；对于非扰动区间，其涵盖的等宽区间相邻区间相位差记
为零，回溯步骤1中得到的前一个探测光脉冲形成的瑞利背向散射中频信号，同样进行步骤
2～步骤7的处理；

[0015] 步骤8：对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间
的光纤伸缩情况，实现对外部振动信号的感测。

[0016] 作为本发明一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法的进一步优选方案，在步骤1中，带通滤波器的中心频率与拍频信号的频率一致，且带通滤波器的带
宽与探测光脉冲脉宽的倒数相匹配。

[0017] 作为本发明一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法的进一步优选方案，在步骤2中，窗口宽度需要至少覆盖两个空间分辨率，以探测光脉冲定义系统空
间分辨率L＝c×T/(2×n)，其中，c表示真空中的光速，T表示探测光脉冲持续时间，n表示传
感光纤折射率。

[0018] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0019] 本发明通过分析光纤在不同位置瑞利散射光的相位关系，从而实现了Φ‑OTDR系统高效信号处理的过程。通过忽略大量无效传感信息，降低了系统运算负担，有效解决了这
类分布式光纤传感系统中由于信号数据量大，系统运算量大造成的系统实时性差的难题；

[0020] 本发明基于常规的相干Φ‑OTDR系统，但本方案能够适用于各种相干探测解调的Φ‑OTDR系统，具有一定的通用性和适应性。

附图说明

[0021] 图1是本发明中相位敏感型光时域反射系统结构示意图；

[0022] 图2是本发明方法的流程图；

[0023] 图3是中频信号划分区间及选取区间索引示意图；

[0024] 图4是中频信号得到所有扰动区间相位的流程图；

[0025] 图5是中频信号相邻区间求取相位差结果示意图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图及具体实施例子进行详细描述。由于本方案可以进行多种拓展或变形，涉及器件均可替换成相
似功能不同型号的器件，不应以此限制该专利的保护范围。

[0027] 参见图1，本方法应用的相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统，包括窄线宽激光器1，1×2光纤耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，光纤环形器5，传感光纤6，任意
波形发生器7，2×2光纤耦合器8，平衡光探测器9，数据采集卡10，计算机11，压电陶瓷管12。

[0028] 系统各部分器件说明如下：

[0029] 窄线宽激光器1，用于产生高相干度的激光。

[0030] 1×2光纤耦合器2，用于将激光分成两路，一路作为传感探针光，另一路作为本地参考光，传感探针光瞬时光功率远大于本地参考光，耦合分光比可以选择为90:10。

[0031] 声光调制器3，用于将激光调制为脉冲光，同时让激光脉冲获得固定频率的移频，频移量可以为200MHz。

[0032] 掺铒光纤放大器4，用于放大激光脉冲功率，提升传感光纤6中所激发的瑞利散射光强以提升本系统传感范围，其最大增益可以选择为20dBm。

[0033] 光纤环形器5，为一个三端口光纤环形器，其光学特征是从一号端口输入的光只能从二号端口输出，从二号端口输入的光只能从三号端口出。在本方案中，传感探针光从光纤
环形器一号端口输入并从二号端口输出，从二号端口接收的瑞利背向散射光从三号端口输
出；

[0034] 传感光纤6，为标准通信用单模光纤。

[0035] 任意波形发生器7，产生频率可调的脉冲序列，输出重复频率为1kHz，光脉宽即光脉冲的持续时间为100ns的脉冲序列，对声光调制器3进行控制实现光脉冲输出，该脉冲信
号同时作为数据采集卡10的采集触发源。

[0036] 2×2光纤耦合器8，用于传感光纤背向散射光与本地参考光的合波，耦合分光比为50：50。

[0037] 平衡光探测器9，用于光电转换，探测光相干信号，其输出为声光调制器3移频频率的电信号。

[0038] 数据采集卡10，用于实现信号模数转换，采集平衡光探测器9输出电信号并转换将其为数字信号传递给计算机11。

[0039] 计算机11，用于对数据采集卡10所采集的数字信号进行处理。

[0040] 压电陶瓷管12，用于引入扰动。为了模拟外界扰动事件，在传感光纤6上设置一个压电陶瓷管12作为扰动源，并将光纤缠绕其上，利用一个信号发生器在压电陶瓷管12上施
加变化的电压，压电陶瓷管膨胀和收缩形成扰动并直接传递给传感光纤6。在该系统实际应
用中，压电陶瓷12所模拟的外界振动事件可以发生在整条传感光纤的任意位置。

[0041] 窄线宽激光器1经过1×2光纤耦合器2分成两路，一路为传感探针光信号经过声光调制器3调制为光脉冲，并经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大，输入光纤环形器5的一号
端口并由二号端口输出到传感光纤6，产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端
口输出；1×2光纤耦合器2输出的另一路为本地参考光信号与光纤环形器5的三号端口输出
的传感信号进入2×2光纤耦合器8中合波，2×2光纤耦合器8两个输出端口与平衡光探测器
9连接，平衡光探测器9进行光电转换并由数据采集卡10进行模数转换传递至计算机11进行
信号处理。

[0042] 参见图2，本发明所述的相位敏感型光时域反射系统中提升运算效率的信号处理方法，其后续信号处理包括以下步骤：

[0043] 步骤1：通过相干探测的Φ‑OTDR系统得到探测光脉冲所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号。根据拍频信号200MHz的频率和探测光脉冲100ns的脉宽，指定带通滤波
器的中心频率为200MHz，带宽为20MHz。拍频信号通过该带通滤波器进行中频滤波，抑制宽
带噪声，得到中频信号。

[0044] 步骤2：选定窗口宽度，在距离轴上将中频信号划分成首尾相接且等宽度的区间。8
根据空间分辨率L＝c×T/(2×n)≈10m(其中，c＝3×10m/s，T＝100ns，n＝1.47)，窗口宽
度至少要选取为20m。当采样率为500MHz，探测光脉冲宽度为100ns时，选定窗宽为500采样
点，对应1000ns，即为10倍脉宽。在距离轴上，将5km光纤对应的所有中频幅度信号采样点划
分成首尾相接且等宽度的50个区间并记为D0，D1，…，D49。

[0045] 步骤3：选取50个区间的中点位置为区间索引，并使用I0，I1，…，I49来进行表示，参见图3；

[0046] 步骤4：在索引I0和I49对应原始中频信号位置进行相位解调并解卷绕得出的相位Φ0和Φ49，分别表示为ΦLeft和ΦRight，若它们之差的绝对值小于判别阈值，则判定区间[D0，
D49]内无扰动；若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值大于判别阈值，则判定区间[D0，D49]内存在扰
动，进行步骤5；

[0047] 步骤5：检查一系列区间索引中是否只存在两个索引，若是，则分别使用这两个相位表示其对应原始中频信号等宽区间的估计相位，重复步骤4，否则进行步骤6；

[0048] 步骤6：提取IMiddle＝I25，将I0，I1，…，I49从中心位置处分割为I0，I1，…，I25和I25，I26，…，I49然后不断地重复步骤4，最终得到中频信号所有受到扰动区间的估计相位，参见
图4；

[0049] 步骤7：对扰动区间内涵盖的等宽区间D作相邻区间相位差；对于非扰动区间，其涵盖的等宽区间相邻区间相位差记为零，参见图5；回溯前一个探测光脉冲形成的瑞利背向散
射中频信号再次进行上述的处理流程；

[0050] 步骤8：对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间
的光纤伸缩情况，实现对外部振动信号的感测。

[0051] 本发明所依据的原理，主要如下：当所述的传感光纤上的某一点发生扰动，由光的弹光效应可知，光脉冲在经过该扰动点时将引入一个附加相移Δφ，且附加相移量受外界
扰动调制。光脉冲将携带该附加相移Δφ继续在光纤中传播，传播过程中产生相位和光脉
冲相位相同的瑞利散射光，因此在扰动点后所产生的瑞利散射光相位均将附加Δφ，且该
附加相移仅仅由扰动造成，信号衰落噪声和无扰动的情况则不会引入该附加相移。基于这
一原理，根据光纤沿线两点相位的相似程度以及这两点相位发生的能量变化即可确定该区
段是否发生了扰动，即：若该区间无扰动，两点相位相似程度较大，能量基本不发生变化；若
该区间存在扰动，两点相位相似程度较小，且能量发生较明显的变化。基于这一特性，又因
为扰动在Φ‑OTDR传感范围中稀疏存在，可以利用二分法思想进行区间折半和迭代逼近定
位振动发生的位置，并在后续的信号分析处理过程中，只需要分析该位置涵盖区间的相位
变化情况来还原出振动信号。在此过程中，由于传感光纤上大量闲置传感点被忽略，仅仅解
调和判定少量关键位置的传感数据，因此可大幅加快Φ‑OTDR系统在信号处理过程中的运
算效率。

[0052] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员做出的若
干简单推演或替代，在不脱离本发明构思的前提下，都应当视为属于本发明的保护范围。