相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法与流程

本发明涉及一种相光纤传感系统定位方法，尤其涉及一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，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（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry，缩写为Ф-OTDR或Phase-sensitive OTDR）光纤分布式传感系统用于对外界振动扰动事件进行监测，可以实现对外界振动扰动事件位置的精确定位，具有线形分布式测量、远程测量、高灵敏度、抗电磁干扰能力强、绝缘性好、本质安全、重量轻体积小等优点，应用非常广泛。在石油化工领域，Ф-OTDR可以实现输油、气管道防破坏挖掘事件监测，还可以用于油气开采中超声波测井；在轨道交通领域，Ф-OTDR可以实现铁轨振动状态监测；在电力系统领域，Ф-OTDR可以实现电缆隧道的安全监测，高压电缆防盗割监测等；在安防领域，Ф-OTDR可以作为分布式光纤围栏，对各种入侵事件进行监测报警。

在实际测量外界振动应用中，Ф-OTDR向传感光纤中发射光脉冲，通过光纤背向散射光到达探测终端的时间进行外界扰动事件位置的定位，同时，需要重复发射多个光脉冲来获取扰动位置相位的变化信息。然而，Ф-OTDR技术存在偏振衰落、干涉衰落等问题，会引入错误的相位变化，从而给系统探测带来误报率高的难题。为了解决衰落引入的误报率高的难题，中科院上海光机所Zhengqing Pan等提出了基于相移双脉冲和多频率脉冲两种Ф-OTDR系统定位技术（Zhenqing Pan, Kezhen Liang, Jun Zhou, Qing Ye, Haiwen Cai, Ronghui Qu, Interference-fading-free phase-demodulated OTDR system, Proc. of SPIE, 2012, 8421, 842129；周俊，潘政清，叶青，蔡海文，赵浩，瞿荣辉，方祖捷. 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. 中国激光, 2013, 40(9): 0905003），这两种方法都是基于不同激发光脉冲可以获得不同的衰落特性的原理，对相位变化进行综合判决，以降低衰落引入的误报率，这两项技术都需要特殊的双/多脉冲产生硬件系统。成都电子科技大学的饶云江等（吴庥伟，吴慧娟，饶云江，吴宇，赵天，基于多种小波分解方法综合判决的低误报率分布式光纤围栏入侵监测系统，光子学报，2011，40(11)；基于Ф-OTDR的分布式光纤围栏入侵检测与定位方法，中国发明专利，发明人：吴慧娟，吴庥伟，李姗姗，饶云江，申请公告号：CN 102280001 A）提出采用多种小波分解方法综合判决技术，通过不同阶小波结果的差异，可以降低围栏入侵的误报率，该项技术需要复杂的信号处理算法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，

所述相位敏感光时域反射光纤传感系统，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6，2´2光纤耦合器7，平衡光探测器8，数据采集卡9，计算机10；

窄线宽激光器1经过1´2光纤耦合器2分成两路，其中一路光信号经过声光调制器3调制为移频的光脉冲，再经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大后通过光纤环形器5输入到传感光纤6中传输，光脉冲在传感光纤6中传输激发的背向散射光沿传感光纤6进行背向传输到达光纤环形器5；1´2光纤耦合器2的另一路光信号与光纤环形器5返回的背向散射光分别由两个端口注入到2´2光纤耦合器7中传输并相干，2´2光纤耦合器7的两个输出端口与平衡光探测器8连接，进行光电转换获得背向散射光拍频电信号，经数据采集卡9采集得到数字拍频信号输出至计算机10计算拍频信号的幅度和相位信息；

包括以下步骤：

步骤1：所述数据采集卡9采集1次以上光脉冲对应的拍频数字信号，基于光时域反射原理，构建拍频数字信号二维矩阵R=[Ri，j]MxN，其中，Ri，j表示所述采集卡（9）采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向散射光拍频数字信号值；

步骤2：采用数字正交解调信号处理方法，由所述拍频数字信号二维矩阵R获得背向散射光相位矩阵Ф；

步骤3：将背向散射光相位矩阵Ф中相隔k列的两列Фm,j和Фn,j相减，其中，k可取1~500，获得拍频信号相隔k个采样点的相位差二维矩阵S，其中，Sm,j=Фm,j-Фn,j，以传感光纤位置为横坐标参量，画出矩阵S各行曲线，找出相位扰动位置；

步骤4：在所述相位扰动位置之前和之后分别选取一个无相位扰动的位置X1和Z1及X2和Z2，对X1和Z1及X2和Z2在所述背向散射光相位矩阵Ф中对应列相位ФX1和ФZ1及ФX2和ФZ2进行相位解卷绕，将相位变化拓展到-∞~+∞范围；

步骤5：分别画出ФX和ФZ两列相位随时间的变化曲线，如果相位扰动位置的之前和之后位置的相位随时间变化相同，判决该相位扰动为误报；否则，判决该相位扰动为真实外界振动事件。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明有效解决了Ф-OTDR光纤传感系统中由于偏振衰落、干涉衰落引入错误异常相位的问题，从而克服了Ф-OTDR光纤传感系统中由于信号衰落而导致误报的难题。

（2）本发明基于常规的Ф-OTDR光纤传感系统，无需额外的发射双脉冲或多脉冲的硬件系统及复杂信号处理方法，同时，无需偏振分束光探测技术来避免偏振衰落问题。

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是本发明的流程图；

图3是本发明中通过相位正交解调得到的振动定位信息图；

图4是本发明中相位扰动位置P1前后相位变化曲线图；

图5是本发明中相位扰动位置P2前后相位变化曲线图；

其中：

窄线宽激光器，2- 1´2光纤耦合器，3- 声光调制器，4- 掺铒光纤放大器，5- 光纤环形器，6-传感光纤，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。

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进行详细描述。

实施例1：

参见图1，相位敏感光时域反射光纤传感系统，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6，2´2光纤耦合器7，平衡光探测器8，数据采集卡9，计算机10。

系统各部分器件说明如下：

窄线宽激光器1，用于产生长相干长度激光；

1´2光纤耦合器2，用于将激光分成两路，一路用于传感光路，另一路用于参考光路，传感光路光功率远大于参考光路，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激光，同时，让激光脉冲获得固定频率的移频；

掺铒光纤放大器4，用于放大激光脉冲，以提升在传感光纤中所激发的背向散射光强；

光纤环形器5，为一个三端口光纤环形器；

传感光纤6，为标准通信用单模石英光纤；

2´2光纤耦合器7，用于传感光纤背向散射光与本地参考光的合波干涉，耦合分光比为50：50；

平衡光探测器8，用于探测光相干信号，实现光电转换，其输出为以声光调制器3移频频率为拍频的电信号；

数据采集卡9，用于平衡光探测器8输出电信号的采集，将拍频信号转换为数值拍频信号；

计算机10，用于对数据采集卡所采集的传感信号进行处理。

窄线宽激光器1经过1´2光纤耦合器2分成两路，其中一路光信号经过声光调制器3调制为移频的光脉冲，之后经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大，之后通过光纤环形器5输入到传感光纤6中传输，光脉冲在传感光纤6中传输将激发背向散射光，沿传感光纤6进行背向传输到达光纤环形器5。1´2光纤耦合器2的另一路光信号与光纤环形器5返回的背向散射光分别注入到2´2光纤耦合器7的两个端口，两路光信号在2´2光纤耦合器7中传输并相干，2´2光纤耦合器7的两个输出端口与平衡光探测器8连接，进行光电转换获得背向散射光拍频电信号，所得到的电信号经数据采集卡9采集得到数字拍频信号，之后通过计算机10对该拍频信号进行相位正交解调，获得拍频信号的幅度和相位信息，即背向散射光的幅度和相位变化信息。为了模拟外界振动事件，在传感光纤6上设置一个压电陶瓷11，在本实施例中，压电陶瓷11距离光纤环形器5 的位置为125m，压电陶瓷的振动频率为300 Hz。在该系统实际应用中，压电陶瓷11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，振动事件的最高频率要小于声光调制器3所产生光脉冲重复频率的一半。

参见图2，一种相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法，包括以下步骤：

步骤1：所述数据采集卡9采集1次以上光脉冲对应的拍频数字信号，基于光时域反射原理，构建拍频数字信号二维矩阵R=[Ri，j]MxN，其中，Ri，j表示所述采集卡9采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向散射光拍频数字信号值；在本实施例中，数据采集卡9采集200个光脉冲对应的拍频数字信号，对应于每个光脉冲，包含2360个背向散射光信号值；

步骤2：采用数字正交解调信号处理方法，由所述拍频数字信号二维矩阵R获得背向散射光相位矩阵Ф；

步骤3：将背向散射光相位矩阵Ф中相隔k列的两列Фm,j和Фn,j相减，其中，k可取1~500，在本实施例中，k取10，获得拍频信号相隔k个采样点的相位差二维矩阵S，其中，Sm,j=Фm,j-Фn,j，以传感光纤位置为横坐标参量，画出矩阵S各行曲线，找出相位扰动位置P1和P2，参见图3，这些位置既有可能是外界振动事件引入的相位扰动，也有可能是由于信号衰落而引入的误报相位扰动；

步骤4：在所述相位扰动各位置P1、P2之前和之后分别选取一个无相位扰动的位置X1和Z1及X2和Z2，参见图3，对X1和Z1及X2和Z2在所述背向散射光相位矩阵Ф中对应列相位ФX1和ФZ1及ФX2和ФZ2进行相位解卷绕，将相位变化拓展到-∞~+∞范围；

步骤5：分别画出ФX和ФZ两列相位随时间的变化曲线，如果相位扰动位置的之前和之后位置的相位随时间变化相同，判决该相位扰动为误报；否则，判决该相位扰动为真实外界振动事件。

为了进一步甄别由外界真实振动事件引入的相位扰动和由信号衰落引入的相位扰动，以避免误报发生，以发射光脉冲重复周期时间为横坐标参量，分别画出ФX1和ФZ1列相位随时间的变化曲线，参见图4；同时，分别画出ФX2和ФZ2列相位随时间的变化曲线，参见图5；图4显示相位扰动位置P1的之前和之后位置的相位ФX1和ФZ1随时间变化相同，则该相位扰动判决为误报，其由信号衰落引起；图5显示相位扰动位置P2的之前和之后位置的相位ФX2和ФZ2随时间变化不同，则判决该相位扰动为真实外界振动事件，其是由所施加的压电陶瓷11引起。

基于相位解调信息的相位敏感光时域反射光纤传感系统定位方法原理：

当某段传感光纤6受外界振动扰动时，由于弹光效应，Ф-OTDR所发出的光脉冲传输到该振动段时将引入光相位变化，由于单模光纤中光脉冲传输速度约为2´10⁸ m/s，相比之下，光脉冲传输通过外界振动段时间内，外界振动引入的光相位变化量近似常数，而对于不同重复光脉冲而言，所引入的光相位将随着外界振动规律发生变化。当一光脉冲完全通过外界振动段时，光脉冲被引入了一个光相位变化∆ϕ，这时光脉冲所激发的背向散射光将沿光纤反向传输再次通过该外界振动段，将再次被引入光相位变化∆ϕ，因此，外界振动段之后位置的背向散射光所被引入的相位量应该为外界振动段引入光相位总量的两倍，即2∆ϕ，然而，光脉冲通过误报相位扰动位置（即信号衰落段，无外界振动扰动事件）时，不会有附加相位变化，通过该段后的光脉冲所激发的背向散射光再次通过该段时也不会有附加相位变化，因此，该相位扰动段之前和之后的背向散射光相位随时间变化规律相同，可以判决该相位扰动为误报点，由此，可以作为判决相位扰动是否为误报的依据，从而可以实现外界振动扰动事件的准确定位。

本发明基于常规的Ф-OTDR硬件系统，解决了Ф-OTDR光纤传感系统由于信号衰落而导致误报的难题，且无需复杂的信号处理算法。