相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式傳感系統(tǒng)相位計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)相位計(jì)算方法，尤其是一種相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)相位計(jì)算方法，本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]相位敏感光時(shí)域反射(Phase-sensitiveOptical Time Domain Reflectometry,縮寫為Φ-OTDR或Phase-sensitive 0TDR)光纖分布式傳感系統(tǒng)用于對(duì)外界振動(dòng)擾動(dòng)事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界振動(dòng)擾動(dòng)事件位置的精確定位，具有線形分布式測(cè)量、遠(yuǎn)程測(cè)量、高靈敏度、抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性好、本質(zhì)安全、重量輕體積小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。在石油化工領(lǐng)域，Φ -OTDR可以實(shí)現(xiàn)輸油、氣管道防破壞挖掘事件監(jiān)測(cè)，還可以用于油氣開(kāi)采中超聲波測(cè)井;在軌道交通領(lǐng)域，Φ-OTDR可以實(shí)現(xiàn)鐵軌振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，Φ -OTDR可以實(shí)現(xiàn)電纜隧道的安全監(jiān)測(cè)，高壓電纜防盜割監(jiān)測(cè)等;在安防領(lǐng)域，Φ -OTDR可以作為分布式光纖圍欄，對(duì)各種入侵事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。
[0003]在實(shí)際測(cè)量外界振動(dòng)應(yīng)用中，Φ-OTDR向傳感光纖中發(fā)射光脈沖，通過(guò)光纖背向散射光到達(dá)探測(cè)終端的時(shí)間進(jìn)行外界擾動(dòng)事件位置的定位，同時(shí)，需要重復(fù)發(fā)射多個(gè)光脈沖來(lái)獲取擾動(dòng)位置相位的變化信息，目前，中科院上海光機(jī)所Zhengqing Pan等提出了正交相位角軍調(diào)方法(Zhengqing Pan, Kezhen Liang, Qing Ye, Haiwen Cai , Ronghui Qu, andZujie Fang，Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detect1n,Proc.0f SPIE, 2011，8311，83110S)，用于對(duì)Φ-OTDR系統(tǒng)所采集到拍頻信號(hào)的相位進(jìn)行解調(diào)，可以獲得事件點(diǎn)背向瑞利散射信號(hào)的相位信息;此外，南京大學(xué)Guojie Tu等還提出了相位解卷繞的算法對(duì)相位解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(Guo jie Tu, Xuping Zhang , YixinZhang, Fan Zhu, Lan Xia, Nakarmi, B., Development of an Φ-OTDR System forQuantitative Vibrat1n Measurement, IEEE Photonics Technology Letters, 2015,27(12): 1349-1352)，實(shí)現(xiàn)了事件點(diǎn)背向瑞利散射信號(hào)相位的拓展。然而，利用一維散射模型對(duì)Φ-OTDR系統(tǒng)分析可以知道，光脈沖傳輸通過(guò)外界擾動(dòng)區(qū)域的過(guò)程中，每個(gè)位置的背向瑞利散射光相位是光脈沖內(nèi)所有瑞利散射單元相干疊加的結(jié)果，是一個(gè)累加過(guò)程，因此，采用振動(dòng)區(qū)域某點(diǎn)的相位變化值不能準(zhǔn)確描述外界實(shí)際振動(dòng)所引起的光纖相位變化過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)相位計(jì)算方法，以解決準(zhǔn)確獲取實(shí)際外界振動(dòng)引入相位變化值的問(wèn)題。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)相位計(jì)算方法，
所述相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括窄線寬激光器I2光纖耦合器2，聲光調(diào)制器3，摻鉺光纖放大器4，光纖環(huán)形器5，傳感光纖6，2 '2光纖耦合器7，平衡光探測(cè)器8，數(shù)據(jù)采集卡9，計(jì)算機(jī)10; 窄線寬激光器I經(jīng)過(guò)f 2光纖耦合器2分成兩路，其中一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器3調(diào)制為移頻的光脈沖，再經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器4進(jìn)行光功率放大后通過(guò)光纖環(huán)形器5輸入到傳感光纖6中傳輸，光脈沖在傳感光纖6中傳輸激發(fā)的背向散射光沿傳感光纖6進(jìn)行背向傳輸?shù)竭_(dá)光纖環(huán)形器5; 1/2光纖親合器2的另一路光信號(hào)與光纖環(huán)形器5返回的背向散射光分別由兩個(gè)端口注入到2 '2光纖親合器7中傳輸并相干，2 '2光纖親合器7的兩個(gè)輸出端口與平衡光探測(cè)器8連接，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換獲得背向散射光拍頻電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡9采集得到數(shù)字拍頻信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)10計(jì)算拍頻信號(hào)的幅度和相位信息；
包括以下步驟:
步驟1:所述數(shù)據(jù)采集卡9采集I次以上次光脈沖對(duì)應(yīng)的拍頻數(shù)字信號(hào)，基于光時(shí)域反射原理，構(gòu)建拍頻數(shù)字信號(hào)二維矩陣IHUmxn，其中，表示所述采集卡9采集到的第i次光脈沖對(duì)應(yīng)的在傳感光纖第j位置上的背向散射光拍頻數(shù)字信號(hào)值；
步驟2:采用數(shù)字正交解調(diào)信號(hào)處理方法，由所述拍頻數(shù)字信號(hào)二維矩陣R獲得背向散射光相位矩陣Φ;
步驟3:確定外界振動(dòng)擾動(dòng)位置Y:將背向散射光相位矩陣Φ中相隔k列的兩列Φω,j和fIVj相減，其中，k可取I?500，獲得拍頻信號(hào)相隔k個(gè)采樣點(diǎn)的相位差二維矩陣S，其中，Sm, j=Φη, j_Φn, j，以傳感光纖位置為橫坐標(biāo)參量，畫(huà)出矩陣S各行曲線，找出外界振動(dòng)引入的相位擾動(dòng)位置Y;
步驟4:在所述外界振動(dòng)擾動(dòng)位置Y之前和之后分別選取一個(gè)無(wú)相位擾動(dòng)的位置X和Z，對(duì)X和Z在所述背向散射光相位矩陣Φ中對(duì)應(yīng)列相位ΦX和Φz(mì)進(jìn)行相位解卷繞，將相位變化拓展到?+°°范圍；
步驟5:將振動(dòng)之后位置Z的相位曲線減去振動(dòng)之前位置X的相位曲線，再除以2，得到外界振動(dòng)在Y處所引入的相位變化值。
[0006]本發(fā)明的有益效果在于:
(I)本發(fā)明可以準(zhǔn)確獲得Φ-OTDR光纖分布式傳感系統(tǒng)中外界振動(dòng)事件對(duì)光脈沖引入的相位變化值；
(2 )本發(fā)明基于常規(guī)的Φ -OTDR光纖分布式傳感系統(tǒng)，無(wú)需復(fù)雜的算法。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是本發(fā)明中相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的流程圖；
圖3是本發(fā)明中通過(guò)相位正交解調(diào)得到的振動(dòng)定位信息圖；
圖4是本發(fā)明中振動(dòng)位置前后相位變化曲線圖；
其中:
1-窄線寬激光器，2-1 2光纖親合器，3-聲光調(diào)制器，4-摻鉺光纖放大器，5-光纖環(huán)形器，6-傳感光纖，7- 2'2光纖耦合器，8-平衡光探測(cè)器，9-數(shù)據(jù)采集卡，10-計(jì)算機(jī)，11_壓電陶瓷。
【具體實(shí)施方式】
[0008]為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0009]實(shí)施例1:
參見(jiàn)圖1，相位敏感光時(shí)域反射光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括窄線寬激光器I，1'2光纖耦合器2，聲光調(diào)制器3，摻鉺光纖放大器4，光纖環(huán)形器5，傳感光纖6，2 '2光纖耦合器7，平衡光探測(cè)器8，數(shù)據(jù)采集卡9，計(jì)算機(jī)1。
[0010]系統(tǒng)各部分器件說(shuō)明如下:
窄線寬激光器I，用于產(chǎn)生長(zhǎng)相干長(zhǎng)度激光；
f 2光纖耦合器2，用于將激光分成兩路，一路用于傳感光路，另一路用于參考光路，傳感光路光功率遠(yuǎn)大于參考光路，耦合分光比可以選擇為90:10;
聲光調(diào)制器3，用于將激光調(diào)制為脈沖激光，同時(shí)，讓激光脈沖獲得固定頻率的移頻；
摻鉺光纖放大器4，用于放大激光脈沖，以提升在傳感光纖中所激發(fā)的背向散射光強(qiáng)； 光纖環(huán)形器5，為一個(gè)三端口光纖環(huán)形器；
傳感光纖6，為標(biāo)準(zhǔn)通信用單模石英光纖；
2'2光纖耦合器7，用于傳感光纖背向散射光與本地參考光的合波干涉，耦合分光比為50:50；