一种基于三端口鉴相的Φ‑OTDR信号解调方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于三端口鉴相的φ-otdr信号解调方法。

背景技术：

相位敏感光时域反射计(φ-otdr)利用后向瑞利散射的相干衰落现象进行传感，是分布式光纤传感器(dofs)中的后起之秀，能够对微弱振动事件进行探测，具有灵敏度高、响应速度快和分布式传感的特点，因此在建筑物结构健康监测、周界安防系统入侵监测、电力线路监测和光纤通信线路监测等方向具有巨大的应用潜力。

但是在很长的一段时间内，φ-otdr始终无法对振动事件施加在光纤上的应变进行定量测量。后来研究发现，当外部振动事件发生时，光纤的长度会随着振动事件发生拉伸，光纤长度的变化会导致光程差发生变化。因此两个参考点间的相位差也发生变化，通过测量两个参考点之间相位差的变化，即相位解调的方式，实现定量测量振动事件的强度大小。原理如图1所示，在振动事件两端选择r1和r2分别为两个参考区域，当探测脉冲入射到光纤中，这两点产生的散射光或者反射光电场表达式为：

上式中，a1和a2是两个散射光或者反射光脉冲的振幅，ω是反射光的角频率，是来自r1的反射光相位，λ是反射光的波长，l是两点之间的长度，δl是动态应变引起两点之间的光纤长度变化量，n代表光纤纤芯的折射率。令式(1)中两个光强的相位差为即由于l恒定，δl是一个随时间变化的量，那么相位差的变化量为因此光纤长度变化量与相位差变化量的关系为：

在2013年南安普顿大学masoudi组把三端口引入到φ-otdr测量结构中，三端口是指3×3的耦合器，原始信号在经过一个三端口后，由于耦合器自身的特性，输出的三路信号之间在相位上两两相差三端口的三路输出信号经过光电接收器探测，最后可以化简为：

把两者统一到一个公式里表示可以得到：

其中，d＝a1²+a2²，e＝a1a2，下标n＝1,2,3，

传统的三端口相位解调方案利用以上三路信号只要使用交叉相乘微分积分法就可以计算出想要的相位差。

传统的三端口相位解调方案可以以两种方式实现：模拟电路法和数字电路法。交叉相乘微分积分法成立的条件是信号无噪声或者信噪比(snr)非常高，信噪比不高的情况下会给解调结果引入比较大的误差。虽然模拟电路法具有快速实时处理能力，但是放大器的使用带来额外偏置噪声，会降低解调的性能。数字电路法是通过差分和交叉乘法算法代替模拟电路中的微分和积分的功能，数字式的方法通过逻辑门电路很容易地就能实现，但是结果会比模拟电路稍差一些。另外传统的解调方法还需要积累一定的数据量后才能做微分积分的有效运算，不能实现来一组值就做一次运算。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于三端口鉴相的φ-otdr信号解调方法，克服现有技术存在的缺陷，无需电路辅助，在大幅度提高解调精度的情况下保证解调的速度，并考虑噪声的影响。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于三端口鉴相的φ-otdr信号解调方法，包括以下步骤：

(1)连续采集三端口输出的三路光功率信号，通过预标定测量，分别得到三路光功率信号的最大值和最小值；

(2)根据步骤(1)得到的三路光功率信号的最大值和最小值，对某采样点采集到的三路光功率信号进行归一化处理；

(3)将归一化后的三路光功率信号代入公式法解调算法，解算出该采样点的初步相位信息；

(4)采用解缠绕算法对步骤(3)得到的初步相位信息进行校正。

进一步地，在步骤(2)中，采用下式进行归一化处理：

上式中，为某采样点归一化后光功率信号，in(t)为某采样点实际采集到的光功率信号，immax和immin分别为步骤(1)得到的最大值和最小值，下标n＝m＝1,2,3，分别表示三端口输出的三路光功率信号。

进一步地，在步骤(3)中，所述公式法解调算法为，已知归一化后的采样点a，求取点a到空间圆c上的最小距离，将该最小距离对应的空间圆c上的点b作为点a的相位匹配点，其中，空间圆c为理想无噪声情况下归一化后的三端口相位光强分布图。

进一步地，步骤(3)的具体步骤如下：

(301)已知归一化后的某采样点a，作从采样点a至空间圆c所在平面的垂线，得到投影点a'；

(302)从圆c的圆心o过点a'，交圆c于点b，点b为采样点a的相位匹配点，从点a'至圆心o形成向量v；

(303)以位于圆c上的某点r1作为第一参考点，从r1至圆心o形成向量v1，计算向量v与v1的角度差其中|*|表示取向量的模，根据余弦函数的对称性，得到点b的两个坐标；

(304)以位于圆c上的另一点r2作为第二参考点，从r2至圆心o形成向量v2，计算向量v与v2的角度差结合步骤(303)得到的点b的两个坐标，确定点b的唯一坐标；

(305)以位于圆c上且不同于点r1和r2的点r3作为第三参考点，从r3至圆心o形成向量v3，计算向量v与v3的角度差验证步骤(304)确定的点b坐标的正确性。

进一步地，所述空间圆c的半径为圆心o的坐标为(0.5,0.5,0.5)，圆c的法向量为(1,1,1)。

进一步地，所述第一参考点r1的相位为π，坐标为(0,0.75,0.75)；第二参考点r2的相位为坐标为(0.75,0.75,0)；第三参考点r3的相位为坐标为(0.75,0,0.75)。

进一步地，在步骤(4)中，所述解缠绕算法的公式如下：

上式中，和为步骤(3)得到的连续采样点的初步相位值；为相位校正值，利用更新

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明与传统的基于三端口的相位解调方法相比，考虑了噪声的影响，在低信噪比条件下能够稳定工作，解调结果精度高。此外，本发明的方法简单，计算便捷，解调速度快，易于集成在嵌入式系统中实现实时测量。

附图说明

图1是背景技术中定量测量振动事件强度的原理图；

图2是本发明中理想与噪声情况下归一化后的相位光强分布对比图；

图3是本发明中三端口公式法解调算法示意图；

图4是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图2是本发明中理想与噪声情况下归一化后的相位光强分布对比图。图2中的(a)中的外圆是理想情况下归一化后的相位光强图，内圆是考虑噪声的情况下且信噪比为30db时归一化后的相位光强图。相对应的，图2中的(b)的外圆是理想情况下归一化后的相位光强图，内圆是考虑噪声的情况下且信噪比为40db时归一化后的相位光强图，内外圆基本重合。从背景介绍可知只要解调出相位变化，就可以定量测试出光纤伸缩变化量。在理想中无噪声的信号的最大值和最小值可以直接满足：

通过归一化把常数项化简消除，可以得到：

三个相位相差的余弦函数满足以下定理：

归一化的三端口输出在三维坐标形成的圆满足以下方程：

三端口形成的理想圆半径为圆心o的坐标为(0.5,0.5,0.5)，圆c的法向量为(1,1,1)。理想的无噪声情况下，相位与光强分布示意图如图2中(a)、(b)的外圆。

传统的交叉相乘微分积分法公式成立的条件和相位解调的过程都是忽略了噪声的存在，没有考虑噪声。实际上，噪声对解调的影响是不能忽略的，噪声来源主要有基底光的散射噪声、探测器的暗电流噪声、采集器件的热噪声等等，将这些噪声可以考虑成高斯分布的噪声来简化分析模型。在探测器中得到的干涉信号光强可以用下面的公式表示：

inoise(t)为高斯噪声引起的信号波动，ioff为偏置噪声。偏置噪声影响很小，并且可以通过标定消除掉。为能够对inoise(t)进行准确的标定，需要对采集到的数据进行一个预标定，预标定也是实现归一化的一个前提条件，经过大量长时间的数据标定，探测到的光电流最大值可以表示如下：

预标定过程完成以后，通过公式(2)的归一化公式来消除直流量和交流量的系数，噪声项就会被叠加到归一化公式中，归一化的三端口输出在三维坐标形成图2中(a)、(b)的内圆。噪声引起坐标波动，由于噪声项为独立高斯分布，如果进行大规模数据统计上，每一个采样点的光强信号的强度分布是一个球。对于每一个采样点来说，只要用公式匹配该采样点到外圈的理想查找表圆上最近的点，取最小距离所在的点作为相位匹配点。本发明考虑了考虑噪声的影响，在低信噪比条件下也能够稳定工作。如图2中(b)所示，当信噪比大于40db，整个噪声簇变得非常小，对解调结果的影响也变得非常小。

图3是本发明中三端口公式法解调算法示意图。圆c为理想查找表圆。a点为实际采样数据点归一化后的坐标，做从a点到空间圆c所在平面的垂线，求得投影点a'；从圆心o过点a'交圆c为点b，有几何知识可知，点b为a到圆c上的最小距离，点b即为点a的相位匹配点。点a'与圆心o形成向量v，以相位为π，坐标为(0,0.75,0.75)的点r1作为第一参考点，点r1与圆心o形成向量v1，计算向量v与v1的角度差为由于余弦函数的对称性，得到正负两个相位信息值；以相位为坐标为(0.75,0.75,0)的点r2作为第二参考点，点r2与圆心o形成向量v2，计算向量v与v2的角度差为唯一确定相位值；以相位为坐标为(0.75,0,0.75)的点r3作为第三参考点，点r3与圆心o形成向量v3，计算向量v与v3的角度差为验证得到的相位值的正确性。

由于余弦函数的周期性，超过(0,2π)相位的光强与相位在(0,2π)之间的值是一致的，当通过余弦的反函数来求解内部的相位信息时就会导致最后解得的结果会落入(0,2π)，这就是一种相位缠绕现象。朱帆将相位解缠绕算法引入到定量测量中，将落入到(0,2π)内的相位值恢复到正确的值，条件是当相邻两个采样点间的相位差要小于π可以保证相位解缠绕不出错，相位解缠绕算法如下：

图4是本发明的方法流程图。首先通过预标定测量标定三端口3路信号的最大值和最小值，并使用公式(5)进行归一化，然后利用如图3所示的基于三端口的新型φ-otdr解调算法进行相位解调，再利用相位解缠绕算法消除由于余弦函数的周期性造成的相位缠绕现象。本发明与传统的基于三端口的相位解调方法相比考虑噪声的影响，在低信噪比条件下能够稳定工作，解调结果精度高；方法简单，计算便捷，解调速度快，易于集成在嵌入式系统中实现实时测量。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。