相位敏感光时域反射光纤分布式传感系统相位计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤分布式振动传感系统相位计算方法，尤其是一种相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统相位计算方法，本发明属于光纤传感技术应用领域。
【背景技术】
[0002]相位敏感光时域反射(Phase-sensitiveOptical Time Domain Reflectometry,缩写为Φ-OTDR或Phase-sensitive 0TDR)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，Φ -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，Φ-OTDR可以实现铁轨振动状态监测；在电力系统领域，Φ -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，Φ -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。
[0003]在实际测量外界振动应用中，Φ-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，目前，中科院上海光机所Zhengqing Pan等提出了正交相位角军调方法(Zhengqing Pan, Kezhen Liang, Qing Ye, Haiwen Cai , Ronghui Qu, andZujie Fang，Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detect1n,Proc.0f SPIE, 2011，8311，83110S)，用于对Φ-OTDR系统所采集到拍频信号的相位进行解调，可以获得事件点背向瑞利散射信号的相位信息;此外，南京大学Guojie Tu等还提出了相位解卷绕的算法对相位解调数据进行处理(Guo jie Tu, Xuping Zhang , YixinZhang, Fan Zhu, Lan Xia, Nakarmi, B., Development of an Φ-OTDR System forQuantitative Vibrat1n Measurement, IEEE Photonics Technology Letters, 2015,27(12): 1349-1352)，实现了事件点背向瑞利散射信号相位的拓展。然而，利用一维散射模型对Φ-OTDR系统分析可以知道，光脉冲传输通过外界扰动区域的过程中，每个位置的背向瑞利散射光相位是光脉冲内所有瑞利散射单元相干叠加的结果，是一个累加过程，因此，采用振动区域某点的相位变化值不能准确描述外界实际振动所引起的光纤相位变化过程。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统相位计算方法，以解决准确获取实际外界振动引入相位变化值的问题。
[0005]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分布式振动传感系统相位计算方法，
所述相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统，包括窄线宽激光器I2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I经过f 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光纤親合器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光纤親合器7中传输并相干，2 '2光纤親合器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I次以上次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IHUmxn，其中，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Φ;
步骤3:确定外界振动扰动位置Y:将背向散射光相位矩阵Φ中相隔k列的两列Φω,j和fIVj相减，其中，k可取I?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=Φη, j_Φn, j，以传感光纤位置为横坐标参量，画出矩阵S各行曲线，找出外界振动引入的相位扰动位置Y;
步骤4:在所述外界振动扰动位置Y之前和之后分别选取一个无相位扰动的位置X和Z，对X和Z在所述背向散射光相位矩阵Φ中对应列相位ΦX和Φz进行相位解卷绕，将相位变化拓展到?+°°范围；
步骤5:将振动之后位置Z的相位曲线减去振动之前位置X的相位曲线，再除以2，得到外界振动在Y处所引入的相位变化值。
[0006]本发明的有益效果在于:
(I)本发明可以准确获得Φ-OTDR光纤分布式传感系统中外界振动事件对光脉冲引入的相位变化值；
(2 )本发明基于常规的Φ -OTDR光纤分布式传感系统，无需复杂的算法。
【附图说明】
[0007]图1是本发明中相位敏感光时域反射光纤分布式振动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是本发明中振动位置前后相位变化曲线图；
其中:
1-窄线宽激光器，2-1 2光纤親合器，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】
[0008]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。
[0009]实施例1:
参见图1，相位敏感光时域反射光纤分布式振动传感系统，包括窄线宽激光器I，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1。
[0010]系统各部分器件说明如下:
窄线宽激光器I，用于产生长相干长度激光；
f 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；