相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统快速定位方法与流程

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-sensitiveopticaltimedomainreflectometry，缩写为ф-otdr或phase-sensitiveotdr）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（wangz,zhangl,wangs,etal.coherentφ-otdrbasedoni/qdemodulationandhomodynedetection[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（heh,shaoly,liz,etal.self-mixingdemodulationforcoherentphase-sensitiveotdrsystem[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。

技术实现要素：

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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

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，其应用的相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统包括窄线宽激光器，1´2光纤耦合器，声光调制器，掺铒光纤放大器，光纤环形器，传感光纤，任意波形发生器，2´2光纤耦合器，平衡光探测器，数据采集卡，计算机；所述的窄线宽激光器经过1´2光纤耦合器分成两路，一路为传感探针光信号经过声光调制器调制为光脉冲，并经过掺铒光纤放大器进行光功率放大，输入光纤环形器的一号端口并由二号端口输出到传感光纤，产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出；1´2光纤耦合器输出的另一路为本地参考光信号与光纤环形器的三号端口输出的传感信号进入2´2光纤耦合器中合波，2´2光纤耦合器两个输出端口与平衡光探测器连接，平衡光探测器进行光电转换并由数据采集卡进行模数转换传递至计算机进行信号处理。

后续系统信号处理包括以下步骤：

步骤1：构建信号的数据矩阵：以单个光脉冲对应的数字信号为行向量，多个连续的光脉冲对应的数字信号按光脉冲发射的时间顺序依次作为第1行，第2行，……，第m行，其中m表示光脉冲个数，构建数字信号矩阵d=[di，j]m´n，其中，di，j表示所述数据采集卡采集到的第i个光脉冲对应传感光纤第j个数据点上的瑞利散射光数字信号值，n表示单个脉冲所采集的信号数据长度；

步骤2：选取测试窗口和测试列：在所述的数字信号矩阵d上每间隔一定长度l取一测试窗口wk，测试窗口wk的宽度l远小于间隔长度l；利用相位解调算法解调该测试窗口wk的数据并提取其中某一列的相位作为测试列相位φk，其位置用jk表示；对每条测试列相位进行相位解卷绕，将相位变化拓展到-∞~+∞范围；

步骤3：粗略定位扰动区间：依次比较所述相邻测试窗口测试列相位，若相邻测试窗口测试列相位φk和φk+1相同，即φk＝φk+1，则判定该区间(jk,jk+1)无扰动；若相邻测试窗口测试列相位φk和φk+1不同，即φk≠φk+1，则判定该区间(jk,jk+1)存在扰动；

步骤4：精确定位扰动位置：若步骤3判定传感光纤位置区间(jk,jk+1)存在扰动，提取该区间的数字信号矩阵[di，j]m´l，并利用幅度或相位解调和分析方法进行扰动位置的精确定位。

本发明的原理如下：

当所述的传感光纤上的某一点发生扰动，由光的弹光效应可知，光脉冲在经过该扰动点时将引入一个附加相移∆ϕ，且附加相移量受外界扰动调制。光脉冲将携带该附加相移∆ϕ继续在光纤中传播，传播过程中产生相位和光脉冲相位相同的瑞利散射光，因此，在扰动点后所产生的瑞利散射光经过扰动点时相位均将再附加∆ϕ，且该附加相移仅仅由扰动造成，信号衰落噪声和无扰动的情况则不会引入该附加相移。基于这一原理，仅仅根据相邻测试窗口中对应的测试列相位的相似程度以及这两测试列相位发生的能量变化即可确定该区段是否发生了扰动，即：若相邻测试窗口之间无扰动，两测试列相位相同；若相邻测试窗口之间存在扰动，两测试列相位不同。

由于扰动稀疏存在于传感光纤的测量范围中，因此，这种光纤分布式传感系统没有必要对每一个空间信号点进行精确解调，只需先大致确定扰动源所在的位置区间，再对存在扰动源的区间进行精细的分析和扰动定位，即通过“粗略定位-精确定位”的过程，实现扰动源的快速定位。

本发明的有益效果在于：

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了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。

本发明基于常规的相干ф-otdr光纤传感系统，但本方案能够适用于各种相干探测解调的ф-otdr光纤传感系统，具有一定通用性和适应性。

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是本发明中的相邻测试窗口中对应的测试列相位相关系数空间分布图；

图4是本发明中扰动区段前后测试列相位φk和φk+1及其相位差δφ；

图5是本发明中利用幅度方法的扰动区段精确定位结果；

图6是本发明中利用相位方法的扰动区段精确定位结果。

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子进行详细描述。由于本方案可以进行多种拓展或变形，涉及器件均可替换成相似功能不同型号的器件，不应以此限制该专利的保护范围。

参见图1，本发明方法应用的相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统，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，任意波形发生器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，压电陶瓷管12。

系统各部分器件说明如下：

窄线宽激光器1，用于产生高相干度的激光；

1´2光纤耦合器2，用于将激光分成两路，一路作为传感探针光，另一路作为本地参考光，传感探针光瞬时光功率远大于本地参考光，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光，同时，让激光脉冲获得固定频率的移频。本实例中，所使用的声光调制器对光的频移量为200mhz；

掺铒光纤放大器4，用于放大激光脉冲功率，提升传感光纤6中所激发的瑞利散射光强以提升本系统传感测试距离。本实例中，所使用的掺铒光纤放大器最大增益为20dbm；

光纤环形器5，为一个三端口光纤环形器，其光学特征是从一号端口输入光只能从二号端口输出，从二号端口输入的光只能从三号端口输出。在本方案中，光纤环形器一号端口输入传感探针光并从二号端口输出，从二号端口接收的背向瑞利散射光从三号端口输出；

传感光纤6，为标准通信用单模光纤；

任意波形发生器7，产生频率可调的脉冲序列，对声光调制器3进行控制实现光脉冲输出，该脉冲信号同时作为数据采集卡10的采集触发源。本实例中，所使用的任意波形发生器输出重复频率为2khz，脉宽为50ns的脉冲序列；

2´2光纤耦合器8，用于传感光纤背向散射光与本地参考光的合波，耦合分光比为50：50；

平衡光探测器9，用于光电转换，探测光相干信号，其输出为声光调制器3移频频率的电信号；

数据采集卡10，用于实现信号模数转换，采集平衡光探测器9输出电信号并转换将其为数字信号传递给计算机11；

计算机11，用于对数据采集卡10所采集的数字信号进行处理；

压电陶瓷管12，用于引入扰动。为了模拟外界扰动事件，在传感光纤6上设置一个压电陶瓷管12作为扰动源，并将光纤缠绕其上，利用一个信号发生器在压电陶瓷管12上施加变化的电压，压电陶瓷管膨胀和收缩形成扰动并直接传递给传感光纤6。在本实例中，传感光纤6全长约40km，压电陶瓷管12距离光纤环形器5的位置约为20km，压电陶瓷的振动频率为100hz，光纤缠绕长度约2m。在该系统实际应用中，压电陶瓷12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。

窄线宽激光器1经过1´2光纤耦合器2分成两路，一路为传感探针光信号经过声光调制器3调制为光脉冲，并经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大，输入光纤环形器5的一号端口并由二号端口输出到传感光纤6，产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出；1´2光纤耦合器2输出的另一路为本地参考光信号与光纤环形器5的三号端口输出的传感信号进入2´2光纤耦合器8中合波，2´2光纤耦合器8两个输出端口与平衡光探测器9连接，平衡光探测器9进行光电转换并由数据采集卡10进行模数转换传递至计算机11进行信号处理。

参见图2，一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，其后续信号处理包括以下步骤：

步骤1：以单个光脉冲对应的数字信号为行向量，多个连续的光脉冲对应的数字信号按光脉冲发射的时间顺序依次作为第1行，第2行，……，第m行，其中m表示光脉冲个数，构建数字信号矩阵d=[di，j]m´n，其中，di，j表示所述数据采集卡9采集到的第i个光脉冲对应传感光纤第j个数据点上的瑞利散射光数字信号值，n表示单个脉冲所采集的信号数据长度；本实例中，共采集50个连续光脉冲对应的瑞利散射光信号，数字信号矩阵大小为50´599432；

步骤2：选取测试窗口和测试列：在所述的数字信号矩阵d上每间隔一定长度l取一测试窗口wk，测试窗口wk的宽度l远小于间隔长度l；利用相位解调算法提取测试窗口wk中某一列的相位作为测试列相位φk，其位置用jk表示；，进行相位解卷绕作为该测试列的相位；本实例中选取长度l约为1km，即包含14600个采样点；测试窗口宽度l约为10m，即包含150个采样点；

步骤3：粗略定位扰动区间：依次比较所述相邻测试窗口测试列相位，若相邻测试窗口测试列相位φk和φk+1相同，则判定该区间(jk,jk+1)无扰动；若相邻测试窗口测试列相位φk和φk+1不同，则判定该区间(jk,jk+1)存在扰动；本实例中，利用相关系数衡量相邻测试窗口测试列相位的相似程度，并以空间位置为横轴作图，得相位相关系数空间分布图，参见图3。可观察到所示区间(20.0446km,21.0479km)的相关系数值明显低于其他区间，则判定该区间两端点相位不相同且该区间存在扰动源，其区间两端点相位φk与φk+1及其相位差δφ参见图4；

步骤4：精确定位扰动位置：若步骤3判定传感光纤位置区间(jk,jk+1)存在扰动，提取该区间的数字信号矩阵[di，j]m´l，并利用幅度或相位解调和分析方法进行扰动位置精确定位。本实例中，提取所述区间(20.0446km,21.0479km)的数字信号矩阵，其幅度方法精确定位结果如图5，其相位方法精确定位结果如图6。

本实例中，系统实现的扰动位置粗略定位信噪比（所述信噪比定义为20log(as/an)，其中as为信号幅度，an为噪声幅度。）可达10db以上，精确定位实现的空间分辨率约为5m。通过本发明所述快速定位方法，忽略大量无效传感点，只对存在扰动信息的部分传感点进行解调或分析，大大降低了系统运算负担，提升了系统的实时性。