相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统精确定位方法

摘要

本发明涉及一种相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统精确定位方法，包括以下步骤：构建多个光脉冲对应的瑞利散射光数字信号矩阵并选取待测信号矩阵、确定系统空间分辨率、迭代进行“待测信号矩阵两端点相位比较‑待测信号矩阵长度与系统空间分辨率比较‑中点分割待测信号矩阵”直至满足一定条件退出本方法。本发明结合相位定位的优势和“二分法”思想，通过区间折半和迭代逼近，用极少的计算和判定，实现分布式光纤传感器中扰动源的精确定位，在保证系统空间高分辨率和稳定性的同时，提高了系统响应速度，且本方法适用于各种相干探测解调的Ф‑OTDR光纤传感系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统精确定位方法，属于光纤传感技术应用领域。

背景技术

相位敏感光时域反射计（Phase-sensitive Optical Time DomainReflectometry，缩写为Ф-OTDR或Phase-sensitive OTDR）是一种全分布式光纤传感系统，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、体积小、高安全性、空间分辨率高、设备铺设简单、无盲区、维护费用低等优势。光相干解调探测的引入，使得Ф-OTDR具备了更高的灵敏度和相位解调能力，近年来，相干式Ф-OTDR引起了广泛关注并投入实用。目前，Ф-OTDR已在诸多应用领域体现其巨大的价值，如在安防领域中，Ф-OTDR可作为大型重要边界线和设施（如国境线、油田油井、油气管道）的监控设施，实现对各种入侵、破坏和偷盗事件进行实时无人监测；在交通系统中，Ф-OTDR可用于监控列车运行位置和速度，监测路口车辆流量等；在电力系统中，Ф-OTDR可用于电缆和连接头的局部放电检测和电缆周界安全监控；在地质监测中，Ф-OTDR可以实现对山体滑坡、地震等地质灾害实时监测和预警；在结构安全监控中，Ф-OTDR可以实现对桥梁等大型关键建筑的结构健康实时分布式测量。

Ф-OTDR作为一种主动式探测技术，利用光纤的瑞利散射光进行分布式传感，外界环境变化信息可由背向瑞利散射光的幅度和相位来获取和恢复。在相干型Ф-OTDR系统扰动源定位中，目前普遍利用的是幅度差分方案（Tu G, Zhang X, Zhang Y, et al. TheDevelopment of an-OTDR System for Quantitative Vibration Measurement[J]. IEEEPhotonics Technology Letters, 2015, 27(12): 1349-1352.；分布式光纤传感器及信息解调方法，中国发明专利，发明人：梁可桢，潘政清，蔡海文，叶青，周俊，授权公告号：CN10262869B），而实际上，利用相位定位能够获得更高的定位信噪比（Pang F, He M, LiuH, et al. A Fading-Discrimination Method for Distributed Vibration SensorUsing Coherent Detection of ϕ-OTDR[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2016, 28(23).）。然而，Ф-OTDR作为一种分布式传感器，其传感光纤的每一点均可作为独立的传感器，传感光纤越长，产生的传感数据越多，增加了解调的计算量，影响系统响应速度。而扰动一般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系统定位速度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统精确定位方法，结合相位解调带来的定位优势和“二分法”的思想，在保证系统稳定性和空间分辨率的同时，减少系统运算量，提高了系统响应速度，解决了由于Ф-OTDR系统传感数据量大造成系统响应速度慢的难题，且本方案适用于各种相干探测解调的Ф-OTDR系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统精确定位方法，其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，1×2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，任意波形发生器，2×2光纤耦合器，平衡光探测器，数据采集卡，计算机；所述的窄线宽激光器经过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。

后续信号处理包括以下步骤：

步骤1：构建信号的数据矩阵：以单个光脉冲对应的数字信号为行向量，多个连续的光脉冲对应的数字信号按光脉冲发射的时间顺序依次作为第1行，第2行，……，第M行，其中M表示光脉冲个数，构建数字信号矩阵D>i，j]_M×_K，其中，D_i，j表示所述数据采集卡采集到的第i个光脉冲对应传感光纤第j个数据点上的瑞利散射光数字信号值，K表示单个光脉冲对应的数字信号总长度；将数字信号矩阵D上分为多段k列，其中k>K，长度为l的信号矩阵S>i，j]_M×_k作为待测数据矩阵。

步骤2：确定系统空间分辨率：以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表示光脉冲持续时间，n表示光纤折射率。

步骤3：利用相位解调算法提取所述的待测数据矩阵S两端列相位φ_Left和φ_Right，其位置分别用j_Left和j_Right表示。若φ_Left和φ_Right相同，则判定其所在区间(j_Left,>j_Right)内无扰动，寻找其他未经检测的待测数据矩阵，重复进行步骤3，直至所有待测区间均检测完成；若φ_Left和φ_Right不同，则判定其所在区间(j_Left,>j_Right)内存在扰动，进行步骤4。

步骤4：检查所述的待测数据矩阵S长度l是否小于所述的系统空间分辨率L，若是，则可利用S中任意一个位置表示扰动源位置，重复步骤3，否则进行步骤5。

步骤5：提取所述的待测数据矩阵S中间位置附近某列相位φ_Middle，其位置用说j_Middle表示，则将待测数据矩阵S分割成两段区间(j_Left,>j_Middle)和(j_Middle,>j_Right)，分别以这两个区间作为新的待测数据矩阵S，重复步骤3。

本发明的原理如下：

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∆ϕ，且附加相移量受外界扰动调制。光脉冲将携带该附加相移∆ϕ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∆ϕ，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，仅仅根据某区间两端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，区间两端点相位相同，能量不发生变化；若该区间存在扰动，区间两端点相位不同，且能量发生变化。基于这一特性，又因为扰动在Ф-OTDR在传感范围中稀疏存在，则系统在某段区间上寻找扰动源位置，可类比于求解方程的根，利用二分法思想，进行区间折半和迭代逼近即可实现扰动源的精确定位。在实现二分法定位的过程中，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，因此可大幅加快系统定位速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明结合相位定位的优势和二分法迭代查找的思想，用极少的运算实现了满足要求的Ф-OTDR光纤传感系统空间分辨率，提升了系统响应速度。同时，本发明通过分析瑞利散射光相位进行扰动源定位，保证了系统的稳定性。

本发明基于常规的相干Ф-OTDR光纤传感系统，但本方案能够适用于各种相干探测解调的Ф-OTDR光纤传感系统，具有一定通用性和适应性。

附图说明

图1是本发明中相位敏感光时域反射光纤传感系统结构示意图。

图2是本发明方法的流程图。

具体实施方式

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。

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。

系统各部分器件说明如下：

窄线宽激光器1，用于产生高相干度的激光。

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；

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。本实例中，使用声光调制器对光的频移量为200MHz；

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。本实例中，使用的掺铒光纤放大器最大增益为20dBm；

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。

传感光纤6，为标准通信用单模光纤。

任意波形发生器7，产生频率可调的脉冲序列，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。本实例中，任意波形发生器型号输出重复频率为2kHz，光脉宽即光脉冲的持续时间为50ns的脉冲序列。

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。

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。

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。

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。

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。在本实例中，传感光纤6全长约40km，压电陶瓷管12距离光纤环形器5的位置约为20km，压电陶瓷的振动频率为100Hz，光纤缠绕长度约2m。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。

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。

参见图2，本发明所述的相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统精确定位方法，其后续信号处理包括以下步骤：

步骤1：以单个光脉冲对应的数字信号为行向量，多个连续的光脉冲对应的数字信号按光脉冲发射的时间顺序依次作为第1行，第2行，……，第M行，其中M为光脉冲个数，构建数字信号矩阵D>i，j]_M×_K，其中，D_i，j表示所述数据采集卡9采集到的第i个光脉冲对应传感光纤第j个数据点上的瑞利散射光数字信号值；本实例中，共采集50个连续光脉冲对应的瑞利散射光信号，数字信号矩阵大小为50×599432。将该矩阵分割为长度l约为1km的50个待测区间矩阵，以区间(20.0446km,>

步骤2：确定系统空间分辨率：以光脉冲定义的系统空间分辨率L>= c×T/(2×n)≈5 m，其中，c = 3×10^{8>m/s，T = 50 ns，n = 1.47。}

步骤3：利用相位解调算法提取所述的待测数据矩阵S两端列相位φ_Left和φ_Right，其位置分别为j_Left和j_Right。若φ_Left和φ_Right相同，则判定其所在区间(j_Left,>j_Right)内无扰动，寻找其他未经检测的待测数据矩阵，重复进行步骤3，直至所有待测区间均检测完成；若φ_Left和φ_Right不同，则判定其所在区间(j_Left,>j_Right)内存在扰动，进行步骤4。

步骤4：检查所述的待测数据矩阵S长度l是否小于系统空间分辨率L，若是，则可利用S中任意一个位置j表示扰动源位置，重复步骤3，否则进行步骤5。

步骤5：提取所述的待测数据矩阵S中间位置附近某列相位φ_Middle，其位置为j_Middle，则将待测数据矩阵S分割成两段区间(j_Left,>j_Middle)和(j_Middle,>j_Right)，分别以这两个区间作为新的待测数据矩阵S，重复步骤3。

通过步骤3-5的迭代计算，得到扰动源位置在S坐标位置(7896, 7965)中，即空间位置(20.5853km, 20.5901km)中，空间分辨率约为5m。本实例以该区间中点作为所述的扰动源位置，即扰动源位置为20.5877km，误差约为±2.5m。