[发明专利]基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法

说明书

本发明属于相位敏感型光时域反射的分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法。包括以下步骤：S1、将干涉仪输出的两路信号经3×3耦合器产生固定相差后的信号作为输入信号，其中一路信号进行同步载波调制，输出基频信号和二倍频信号；S2、将步骤S1输出的基频信号和二倍频混频信号与另一路信号分别进行混频，得到基频混频信号和二倍频混频信号；S3、对基频混频信号和二倍频混频信号分别进行低通滤波后，根据光纤衰减系数进行归一化处理；S4、对低通滤波和归一化处理后的信号进行相位提取。本发明消除了光纤损耗和载波相位延迟对系统的影响，可以保证传感系统相位解调的稳定性和准确性。

技术领域

本发明属于相位敏感型光时域反射的分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法。

背景技术

近年来，道路交通事故频发严重威胁了人民的生命财产安全，如何及早排除交通隐患，及时定位事故的发生点是实现快速救援的关键环节。分布式相位敏感型光时域反射系统是实现智能护栏的有效解决方案，将该系统应用于道路中预埋的光纤时，声音/振动信号会改变光纤折射率，此时相干后向瑞利散射光携带的相位信息在对应位置处的变化量与光纤应变之间呈线性相关关系，通过相位恢复处理可实现道路中交通信息的实时、全天候采集和分析，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、可靠性好、低成本的优点。因此，选择合适的相位解调方法是实现声音/振动信号定量精确解调的关键。

基于分布式相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法主要有基于外差相干结构的数字I/Q解调法和基于干涉仪结构的无源零差解调法。其中，基于外差相干解调结构的数字I/Q解调法(刘珉含，王旭，于淼，等.光子学报，2018，47(08)：219-226.)探测灵敏度高，动态范围大，监测距离长，但会造成系统复杂度高，光源要求严格等问题。因此，工程实际应用多采用基于干涉仪的解调结构，包括3×3耦合器解调法和相位生成载波算法。基于3×3耦合器的解调算法(He Q,Zhu T,Xiao X,et al.IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(20):1955-1957.)将三路输出光信号引入互成120°的固定相差，解调算法简单，但在信号采集过程需要三个相同的光电探测器，这不可避免的带来了测量误差，并增加系统成本。公开号为CN103759750A的专利申请中公开了一种基于相位生成载波(PGC)技术的分布式光纤传感系统，在被测量的带宽频带之外引入载波信号，有效提高了系统信噪比，因此系统灵敏度高、线性响应度好。但是，其通过反正切法实现的PGC解调算法会带来相位解卷绕的问题，而通过微分交叉相乘法(DCM)实现的PGC解调算法存在受光源波动影响大、易产生谐波失真的问题。

在专利CN201911072212.X中，张春熹等人采用迈克尔逊干涉仪和改良的PGC解调方案，通过结合DCM和反正切算法，实现了偏振衰落和载波调制深度影响的消除，但由于干涉仪臂差不等引入的载波相位延迟问题依然存在。总之，现有基于相位敏感型光时域反射系统的PGC相位解调方法固有缺陷的改进工作仍较为缺乏。针对PGC解调技术易受光强波动的影响和载波相位延迟的技术难题，有必要对现有的相位敏感光时域反射系统中的PGC方法进行改进。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，为解决现有基于分布式相位敏感型光时域反射技术的PGC技术存在光强波动影响和载波相位延迟问题，提供了一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统及相位解调方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于PGC的相位敏感型光时域反射系统的相位解调方法，包括以下步骤：

S1、将干涉仪输出的两路信号经3×3耦合器产生固定相差后的信号作为输入信号，其中一路信号进行同步载波调制，输出基频信号和二倍频信号；

S2、将步骤S1输出的基频信号和二倍频混频信号与另一路信号分别进行混频，得到基频混频信号和二倍频混频信号；