[发明专利]相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法

说明书

本发明公开了一种相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，通过对中频信号进行幅度解调，得到中频信号幅值随距离的分布状态；在距离轴上将当前时刻的中频信号等分为若干区间，各区间皆选取以幅度最大值索引为中心、与探测光脉冲等宽的一段中频信号进行相位解调，获得对各区间相位的估计；对相邻区间的相位作差，获得由光程差引起的光信号相位差异；同时回溯前一时刻中频信号在对应位置处的相位，求取相邻区间的相位差；对当前时刻与前一时刻的相位差再进行差分运算，获得相邻区间相位差的变化量并解缠绕。本发明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，能够高保真地重构振动信号，显著降低误报率。

技术领域

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中降低探测死区概率的方法。

背景技术

相位敏感光时域反射(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Pan Zhengqing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)。

通过鉴相，可以获得高保真的振动信号重构质量。然而，由于Φ-OTDR系统采用窄线宽的激光光源，光源的高相干性使回波信号发生干涉衰落。由于干涉衰落，在一些位置处幅度会特别低。当信噪比降低到一定程度时，鉴相的精度会急剧恶化，从而导致相位解调出现较大的误差，严重时将导致系统出现误报，直接影响Φ-OTDR系统工作的可靠性。因此，研究Φ-OTDR的信号处理方法是十分必要的。

为了消除干涉衰落导致的系统误报问题，Fufei Pang等人在发表于IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS期刊的《A Fading-Discrimination Method forDistributed Vibration Sensor Using Coherent Detection ofΦ-OTDR》中提出了一种剔除虚警峰的方法，但并未从根本上提高相位解调的准确率。周俊等人在发表于《中国激光》期刊的《基于多频率综合鉴别Φ-OTDR系统中干涉衰落假信号的相位解调技术》中提出了一种基于多频率综合判决的方法，虽然能在一定程度上降低误报率，但是方法较为复杂。目前仍缺少从含有相干瑞利噪声的探测信号中正确提取出相位信息的简单、有效的方法。

发明内容

为解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提供一种相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，包括以下步骤：

(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；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。

(2)对于步骤(1)中得到的任意一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，通过对其进行幅度解调，得到中频信号幅度随距离的分布情况。

(3)选定窗宽，在距离轴上将中频幅度信号划分成首尾相接且等宽度的区间，求取各区间中幅度最大值所对应的位置。

(4)对于步骤(1)中得到的任意一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，在其距离轴上所划分出的每一个区间内，总是选取以幅度最大值所处位置为中心，宽度与探测光脉冲等同的一段原始中频信号作为目标数据进行相位解调，获得对该区间相位的估计；对相邻区间的相位作差，获得由相邻区间的光程差引起的光信号相位差异；同时按照当前时刻各区间幅度最大值所处位置，回溯步骤(1)中前一个探测光脉冲形成的瑞利背向散射中频信号在对应位置处的相位，同样求取相邻区间的相位差。

(5)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。