[发明专利]相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统快速定位方法

说明书

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快速定位方法，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、在信号矩阵上间隔一定长度选择测试窗口和测试列、获得各个测试列的相位、根据相邻测试窗口测试列相位对扰动源区间粗略定位、提取包含扰动源的区间信号（两相邻测试窗口测试列之间）进行扰动精确定位。本发明分析光纤不同位置瑞利散射光的相位关系从而实现Ф‑OTDR光纤传感系统“粗略定位‑精确定位”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，且本发明适用于各种相干探测解调的Ф‑OTDR系统。

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快速定位方法，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）是一种分布式光纤传感系统，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、远程测量、绝缘性好、本质安全、空间分辨率高、设备铺设简单、无盲区、维护费用低等优势。相干探测解调技术的引入，使得Ф-OTDR具备了更高的灵敏度和相位解调能力，近年来，相干探测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是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。当向传感光纤中发射光脉冲，一方面，通过光纤中的背向瑞利散射光回传时间结合光速测定空间位置，另一方面，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。然而，由于Ф-OTDR是一种分布式传感器，探测范围越大，其信号的数据量也越大，造成信号实时处理和数据存储的困难，并且，在相干探测Ф-OTDR中，由于信号载波的存在，对数据采集卡的采样率也提高了要求，更成倍增加了数据量和处理难度。为了解决相干探测Ф-OTDR信号数据量大的问题，成都电子科技大学的饶云江等（Wang Z, Zhang L, Wang S, et al.Coherent Φ-OTDR based on I/Q demodulation and homodyne detection[J]. Opticsexpress, 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 L Y, Li Z, et al. Self-Mixing Demodulation forCoherent Phase-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Ф-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

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快速定位方法，解决了相干探测Ф-OTDR光纤传感系统由于信号数据量大而造成解调运算量大的难题，且本方法适用于各种相干探测解调的Ф-OTDR系统。