一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统及相位解调方法

摘要

本发明公开了一种基于Φ‑OTDR的分布式光纤振动传感系统及相位解调方法。系统包括：耦合器，将激光器发出的光分为两束，声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对较大束的光进行频移和调制后经环形器接入传感光纤；光电平衡探测器，将传感光纤返回的背向瑞利散射光与较小束的光拍频并转换成电信号，并经高速采集卡转换成数字信号；信号处理模块，根据数字信号的频谱主瓣宽度，对数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线。本发明实施例的技术方案，通过从高速采集卡对应的信号源中获取移频量，消除频率残差，同时在不增加硬件成本的情况下，利用数字信号的频谱主瓣宽度抑制相干衰落。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统及相位解调方法。

背景技术

分布式光纤传感技术可以实现整条传感光纤上物理量的连续测量，相位敏感光时域反射系统作为一种分布式光纤传感技术，具有高灵敏度、耐腐蚀、动态范围广等优点，在大范围周界安防、石油和天然气管道安全监测、大型结构健康监测等领域有广阔的应用前景。相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)可通过解调背向瑞利散射光的相位和强度信息，实现传感光纤沿线的振动、应变等物理量的分布式测量。

相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)主要分为直接探测和相干探测两种结构。直接探测也称为强度解调法，是根据瑞利背向散射光的强度变化来检测和定位振动。此方法虽然简单易实现，但是易受噪声干扰、信噪比和灵敏度较低、反射光强度和振动幅度大小是非线性关系，测量获得的振动波形会失真。相干探测也称为相位解调法，是根据瑞利散射光的相位变化来获得振动波形，此算法信噪比和灵敏度较高，而且相位变化和振动幅度呈线性关系，所以可以得到无失真的振动波形。

但是，传统的数字相位解调方案中没有考虑声光调制器的驱动频率会随时间发生漂移，从而产生频率残差和相位误差，使得实际相位将不能准确无误的表征外界入侵扰动所造成的背向瑞利散射光相位发生的变化，造成扰动探测结果失效。并且，相位解调法受到相干衰落的影响，许多反射点的背向散射光的功率会非常低，这将导致这些点的相位解调出错，而相位出错的点会被误判为振动点，这个问题导致相位解调法无法准确无误的判断振动点的位置。

发明内容

本发明提供了一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统及相位解调方法，以解决现有的数字相位解调方案无法消除相干衰落以及移频量随时间漂移带来的频率残差，导致振动定位不准确的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统，包括：窄线宽激光器、耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、光电平衡探测器、高速采集卡和信号处理模块；

所述耦合器，用于按照预设分光比将所述窄线宽激光器发出的光分为两束信号光，将占比较大的一束信号光通过第一输出端发送至所述声光调制器，将占比较小的一束信号光通过第二输出端发送至所述光电平衡探测器；

所述声光调制器，用于使用从所述高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过所述环形器接入所述传感光纤；

所述光电平衡探测器，用于从所述环形器获取从所述传感光纤返回的背向瑞利散射光，将所述背向瑞利散射光与从所述耦合器的第二输出端接收的信号光拍频，并将拍频光信号转换成电信号输入所述高速采集卡；

所述高速采集卡，用于将所述电信号转换成数字信号并输入所述信号处理模块；

所述信号处理模块，用于根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对所述数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线。

可选的，所述系统还包括：信号驱动器；所述信号驱动器的输出端与所述声光调制器相连，所述信号驱动器的输入端与所述高速采集卡相连，并与所述高速采集卡使用同一信号源；

所述声光调制器，用于使用从所述信号驱动器引入的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移。

可选的，所述信号处理模块，用于：

接收所述高速采集卡输入的K个数字信号，并产生M个频谱宽度等于所述数字信号的频谱的主瓣宽度的带通滤波器；

将K个数字信号依次经过M个带通滤波器，产生K*M个数据段；

对所述K*M个数据段中的所有数据分别进行IQ数字解调，得到K*M个背向瑞利散射光子信号的幅度和相位；

根据每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间的相位大小关系，对每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息；

从K个背向瑞利散射光的相位信息中，获取同一位置对应的K个相位项，生成每个位置对应的相位曲线。

可选的，所述预设分光比为9:1。

可选的，所述声光调制器后接光放大器再接入所述环形器。

可选的，所述传感光纤为单模通信光纤。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于Φ-OTDR的相位解调方法，应用于本发明实施例所述的一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统，包括：

通过耦合器，按照预设分光比将窄线宽激光器发出的光分为两束信号光，将占比较大的一束信号光通过第一输出端发送至声光调制器，将占比较小的一束信号光通过第二输出端发送至光电平衡探测器；

通过所述声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过环形器接入传感光纤；

通过光电平衡探测器，从所述环形器获取从所述传感光纤返回的背向瑞利散射光，将所述背向瑞利散射光与从所述耦合器的第二输出端接收的信号光拍频，并将拍频光信号转换成电信号输入所述高速采集卡；

通过所述高速采集卡，将所述电信号转换成数字信号并输入信号处理模块；

通过所述信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对所述数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线。

可选的，所述通过所述声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移，包括：

通过所述声光调制器，使用从信号驱动器引入的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移；

其中，所述信号驱动器的输出端与所述声光调制器相连，所述信号驱动器的输入端与所述高速采集卡相连，并与所述高速采集卡使用同一信号源。

可选的，所述通过所述信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对所述数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线，包括：

接收所述高速采集卡输入的K个数字信号，并产生M个频谱宽度等于所述数字信号的频谱的主瓣宽度的带通滤波器；

将K个数字信号依次经过M个带通滤波器，产生K*M个数据段；

对所述K*M个数据段中的所有数据分别进行IQ数字解调，得到K*M个背向瑞利散射光子信号的幅度和相位；

根据每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间相位大小关系，对每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息；

从K个背向瑞利散射光的相位信息中，获取同一位置对应的K个相位项，生成每个位置对应的相位曲线。

可选的，所述根据每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间的相位大小关系，对每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息，包括：

从每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号中，顺序获取两个背向瑞利散射光子信号作为当前信号；

如果两个当前信号的相位夹角小于预设阈值，则对所述两个当前信号相加；

如果两个当前信号的相位夹角大于或等于预设阈值，则令所述两个当前信号分别乘以第一个数字信号所对应的两个相同位置的背向瑞利散射光子信号的归一化共轭再相加。

本发明实施例的技术方案，通过声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过环形器接入传感光纤，以及，通过信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线，解决了现有的数字相位解调方案无法消除移频量随时间漂移带来的频率残差，以及相干衰落，导致振动定位不准确的问题，取到了消除频率残差，增加信号的纯净度，减少对振动位置的误判和漏判，同时，在不增加硬件成本的情况下成功抑制相干衰落，消除相位解调错误，提高振动检测和定位的准确度的有益效果。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的一种频谱分析流程图；

图2是根据本发明实施例一提供的一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统的结构示意图；

图3是本发明实施例所适用的一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统的结构示意图；

图4是根据本发明实施例二提供的一种基于Φ-OTDR的相位解调方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现有技术中，相干探测一般采用数字相干解调，从传感光纤返回的背向瑞利散射光信号可以表示为

假设数据采集卡采样率为f

其中，数字角频率Δω

如图1所示，数字信号S(n)分别乘以数字角频率同为Δω

再由I、Q两路分别获得S(n)的振幅和相位:

当传感光纤外部有扰动时，扰动位置的背向瑞利散射光相位会发生变化，从而引起对应位置瑞利散射光振幅的变化，所以通过解调出的S(n)振幅的变化便可对扰动位置进行定位，并且由

当声光调制器的移频量f

此信号经数据采集卡采样后：

其中，数字角频率Δω‘

数字信号S‘(n)分别乘以数字角频率为Δω

其中，数字角频率Δω‘

再由I、Q两路分别获得S‘(n)的振幅和相位:

传统的数字相干解调方案中没有考虑声光调制器的移频量fm会随时间发生漂移，从而产生频率残差和相位误差，使得实际相位将不能准确无误的表征外界入侵扰动所造成的背向瑞利散射光相位发生的变化，造成扰动探测结果失效。同时，相位解调法受到相干衰落的影响，许多反射点的背向散射光的功率会非常低，这将导致这些点的相位解调出错，而相位出错的点会被误判为振动点，这个问题导致相位解调法无法准确无误的判断振动点的位置。

本发明实施例通过声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过环形器接入传感光纤，以及，通过信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线，解决了现有的数字相位解调方案无法消除移频量随时间漂移带来的频率残差，以及相干衰落，导致振动定位不准确的问题，取到了消除频率残差，增加信号的纯净度，减少对振动位置的误判和漏判，同时，在不增加硬件成本的情况下成功抑制相干衰落，消除相位解调错误，提高振动检测和定位的准确度的有益效果。

实施例一

图2是根据本发明实施例一提供的一种基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统的结构示意图，如图2所示，系统包括：窄线宽激光器21、耦合器22、声光调制器23、环形器24、传感光纤25、光电平衡探测器26、高速采集卡27和信号处理模块28；

其中，所述窄线宽激光器21与所述耦合器22的输入端相连，所述耦合器22的第一输出端依次与所述声光调制器23、所述环形器24的第一接口相连，所述环形器24的第二接口与所述传感光纤25相连，所述耦合器22的第二输出端和所述环形器24的第三接口共同与所述光电平衡探测器26相连；所述光电平衡探测器26与所述高速采集卡27的第一接口相连，所述高速采集卡27的第二接口与所述信号处理模块28相连，所述高速采集卡27的第三接口与所述声光调制器23相连。

所述耦合器22，用于按照预设分光比将所述窄线宽激光器21发出的光分为两束信号光，将占比较大的一束信号光通过第一输出端发送至所述声光调制器23，将占比较小的一束信号光通过第二输出端发送至所述光电平衡探测器26；

所述声光调制器26，用于使用从所述高速采集卡27对应的信号源中获取的移频量，对所述耦合器22的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过所述环形器24接入所述传感光纤25；

所述光电平衡探测器26，用于从所述环形器24获取从所述传感光纤25返回的背向瑞利散射光，将所述背向瑞利散射光与从所述耦合器22的第二输出端接收的信号光拍频，并将拍频光信号转换成电信号输入所述高速采集卡27；

所述高速采集卡27，用于将所述电信号转换成数字信号并输入所述信号处理模块28；

所述信号处理模块28，用于根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对所述数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线。

可选的，所述预设分光比为9:1。本实施例中，预设分光比并不固定于9:1，也可以设置为其他比值，例如95:5等。其中，分光比为9:1，意味着耦合器22将所述窄线宽激光器21发出的光分为两束信号光，一束功率为90％，另一束功率为10％，将90％的一束信号光通过第一输出端发送至所述声光调制器23，将10％的一束信号光通过第二输出端发送至所述光电平衡探测器26。

可选的，所述传感光纤25为单模通信光纤。

可选的，如图3所示，所述系统还包括：信号驱动器29；所述信号驱动器29的输出端与所述声光调制器26相连，所述信号驱动器29的输入端与所述高速采集卡27相连，并与所述高速采集卡27使用同一信号源；

所述声光调制器26，用于使用从所述信号驱动器29引入的移频量，对所述耦合器22的第一输出端发送的信号光进行频移。

本实施例中，通过令高速采集卡和信号驱动器使用同一信号源，避免了声光调制器的移频量f

可选的，所述声光调制器26后接光放大器210再接入所述环形器24。本实施例中，如图3所示，声光调制器实现光源移频和斩波调制成脉冲光后，经光放大器进一步实现光功率放大，再输入环形器的第一接口。

可选的，所述信号处理模块28，用于：

接收所述高速采集卡输入的K个数字信号，并产生M个频谱宽度等于所述数字信号的频谱的主瓣宽度的带通滤波器；

将K个数字信号依次经过M个带通滤波器，产生K*M个数据段；

对所述K*M个数据段中的所有数据分别进行IQ数字解调，得到K*M个背向瑞利散射光子信号的幅度和相位；

根据每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间相位大小关系，对每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息；

从K个背向瑞利散射光的相位信息中，获取同一位置对应的K个相位项，生成每个位置对应的相位曲线。

本实施例中，光电平衡探测器产生的拍频光信号频谱是外差脉冲响应频谱与调制信号频谱的乘积，可以看作是频域中的窗函数。一般使用的脉冲信号为矩形脉冲信号，其傅里叶变换是sinc函数形状。在外差式相位敏感OTDR中，本底噪声在频谱上是平坦的，信号波瓣的能量越低，噪声影响越大，所以可以仅使用信号频谱的主瓣和第一旁瓣进行解调。以数字信号的频谱的主瓣宽度作为提取宽度，分别从数字信号中提取两份第一旁瓣和一份主瓣共三份频谱信号，然后根据三分频谱信号之间的相位大小关系拼合三份频谱信号，从而达到抑制相干衰落而又不丢失扰动相位信息的效果。

本实施例中，信号处理模块对高速采集卡输入的数字信号进行解调的具体步骤可以包括：

步骤1、信号处理模块将高速采集卡采样的K个数字信号按时间顺序标记，即:{Y

步骤2、K个数字信号依次经过M个带通滤波器后产生K*M个数据段，这其中包括各数字信号的两份第一旁瓣和一份主瓣的频谱信号。

步骤3、对K*M个数据段中的所有数据进行如图1所示的IQ数字解调，获得与K*M个数据段对应的K*M个背向瑞利散射光子信号的幅度和相位信息。

步骤4、根据步骤3产生的每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间相位大小关系，对M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息。

具体的，从每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号中，顺序获取两个背向瑞利散射光子信号作为当前信号；如果两个当前信号的相位夹角小于预设阈值，则对所述两个当前信号相加；如果两个当前信号的相位夹角大于或等于预设阈值，则令所述两个当前信号分别乘以第一个数字信号所对应的两个相同位置的背向瑞利散射光子信号的归一化共轭再相加。

步骤5、从K个背向瑞利散射光的相位信息中，获取同一位置对应的K个相位项，生成每个位置对应的相位曲线。

本发明实施例通过声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过环形器接入传感光纤，以及，通过信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线，解决了现有的数字相位解调方案无法消除移频量随时间漂移带来的频率残差，以及相干衰落，导致振动定位不准确的问题，取到了消除频率残差，增加信号的纯净度，减少对振动位置的误判和漏判，同时，在不增加硬件成本的情况下成功抑制相干衰落，消除相位解调错误，提高振动检测和定位的准确度的有益效果。

实施例二

图4是根据本发明实施例二提供的一种基于Φ-OTDR的相位解调方法的流程图，本实施例可适用于光纤振动传感系统在不增加硬件成本的情况下，消除移频量带来的频率残差，抑制相干衰落，提高振动检测和定位准确度的情况，该方法可以由基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统来执行，该系统可以采用硬件结合软件的形式实现。如图4所示，该方法包括：

S110、通过耦合器，按照预设分光比将窄线宽激光器发出的光分为两束信号光，将占比较大的一束信号光通过第一输出端发送至声光调制器，将占比较小的一束信号光通过第二输出端发送至光电平衡探测器。

可选的，所述预设分光比为9:1。本实施例中，预设分光比并不固定于9:1，也可以设置为其他比值，例如95:5等。

S120、通过所述声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过环形器接入传感光纤。

在一个可选实施方式中，通过所述声光调制器，使用从信号驱动器引入的移频量，对所述耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移；

其中，所述信号驱动器的输出端与所述声光调制器相连，所述信号驱动器的输入端与所述高速采集卡相连，并与所述高速采集卡使用同一信号源。

S130、通过光电平衡探测器，从所述环形器获取从所述传感光纤返回的背向瑞利散射光，将所述背向瑞利散射光与从所述耦合器的第二输出端接收的信号光拍频，并将拍频光信号转换成电信号输入所述高速采集卡。

S140、通过所述高速采集卡，将所述电信号转换成数字信号并输入信号处理模块。

S150、通过所述信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对所述数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线。

可选的，所述通过所述信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对所述数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线，包括：

接收所述高速采集卡输入的K个数字信号，并产生M个频谱宽度等于所述数字信号的频谱的主瓣宽度的带通滤波器；

将K个数字信号依次经过M个带通滤波器，产生K*M个数据段；

对所述K*M个数据段中的所有数据分别进行IQ数字解调，得到K*M个背向瑞利散射光子信号的幅度和相位；

根据每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间相位大小关系，对每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息；

从K个背向瑞利散射光的相位信息中，获取同一位置对应的K个相位项，生成每个位置对应的相位曲线。

可选的，所述根据每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号之间的相位大小关系，对每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号进行合并，得到K个背向瑞利散射光的相位信息，包括：

从每个数字信号所对应的M个背向瑞利散射光子信号中，顺序获取两个背向瑞利散射光子信号作为当前信号；

如果两个当前信号的相位夹角小于预设阈值，则对所述两个当前信号相加；

如果两个当前信号的相位夹角大于或等于预设阈值，则令所述两个当前信号分别乘以第一个数字信号所对应的两个相同位置的背向瑞利散射光子信号的归一化共轭再相加。

本发明实施例通过声光调制器，使用从高速采集卡对应的信号源中获取的移频量，对耦合器的第一输出端发送的信号光进行频移和调制后经过环形器接入传感光纤，以及，通过信号处理模块，根据所述数字信号的频谱的主瓣宽度，对数字信号进行带通滤波和相位解调后进行信号合并，得到背向瑞利散射光的相位曲线，解决了现有的数字相位解调方案无法消除移频量随时间漂移带来的频率残差，以及相干衰落，导致振动定位不准确的问题，取到了消除频率残差，增加信号的纯净度，减少对振动位置的误判和漏判，同时，在不增加硬件成本的情况下成功抑制相干衰落，消除相位解调错误，提高振动检测和定位的准确度的有益效果。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。