CN109084905B - 相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，通过对中频信号进行幅度解调，得到中频信号幅值随距离的分布状态；在距离轴上将当前时刻的中频信号等分为若干区间，各区间皆选取以幅度最大值索引为中心、与探测光脉冲等宽的一段中频信号进行相位解调，获得对各区间相位的估计；对相邻区间的相位作差，获得由光程差引起的光信号相位差异；同时回溯前一时刻中频信号在对应位置处的相位，求取相邻区间的相位差；对当前时刻与前一时刻的相位差再进行差分运算，获得相邻区间相位差的变化量并解缠绕。本发明在仅使用普通单模传感光纤且不改变传统Φ‑OTDR系统结构的前提下，能够高保真地重构振动信号，显著降低误报率。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法。
背景技术
相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点，能够实现对微弱扰动的分布式检测，在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康检测等领域具有广阔应用前景。目前，国内外关于Φ-OTDR的研究中，大部分检测的是瑞利散射信号的强度信息，对外界扰动引起的光相位变化的定量测量较少。上海光机所的Pan Zhengqing等人使用检测相位的方法处理Φ-OTDR数据。这种基于相位解调的Φ-OTDR能够获得比幅度解调更高的信噪比(大于10dB)。
通过鉴相，可以获得高保真的振动信号重构质量。然而，由于Φ-OTDR系统采用窄线宽的激光光源，光源的高相干性使回波信号发生干涉衰落。由于干涉衰落，在一些位置处幅度会特别低。当信噪比降低到一定程度时，鉴相的精度会急剧恶化，从而导致相位解调出现较大的误差，严重时将导致系统出现误报，直接影响Φ-OTDR系统工作的可靠性。因此，研究Φ-OTDR的信号处理方法是十分必要的。
为了消除干涉衰落导致的系统误报问题，Fufei Pang等人在发表于IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS期刊的《A Fading-Discrimination Method forDistributed Vibration Sensor Using Coherent Detection ofΦ-OTDR》中提出了一种剔除虚警峰的方法，但并未从根本上提高相位解调的准确率。周俊等人在发表于《中国激光》期刊的《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》中提出了一种基于多频率综合判决的方法，虽然能在一定程度上降低误报率，但是方法较为复杂。目前仍缺少从含有相干瑞利噪声的探测信号中正确提取出相位信息的简单、有效的方法。
发明内容
为解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提供一种相位敏感型光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，包括以下步骤：
(1)通过相干探测的Φ-OTDR系统得到探测光脉冲所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号；拍频信号通过指定参数的带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声，得到中频信号。
(2)对于步骤(1)中得到的任意一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，通过对其进行幅度解调，得到中频信号幅度随距离的分布情况。
(3)选定窗宽，在距离轴上将中频幅度信号划分成首尾相接且等宽度的区间，求取各区间中幅度最大值所对应的位置。
(4)对于步骤(1)中得到的任意一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，在其距离轴上所划分出的每一个区间内，总是选取以幅度最大值所处位置为中心，宽度与探测光脉冲等同的一段原始中频信号作为目标数据进行相位解调，获得对该区间相位的估计；对相邻区间的相位作差，获得由相邻区间的光程差引起的光信号相位差异；同时按照当前时刻各区间幅度最大值所处位置，回溯步骤(1)中前一个探测光脉冲形成的瑞利背向散射中频信号在对应位置处的相位，同样求取相邻区间的相位差。
(5)对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量。
(6)对相邻区间相位差的变化量进行解缠绕，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间的光纤伸缩情况，从而实现对外部振动信号的感测。
进一步地，在步骤(1)中，带通滤波器的中心频率应该与拍频信号的频率一致，带通滤波器的带宽应该与探测光脉冲脉宽的倒数相匹配。
进一步地，在步骤(3)中，窗宽的取法与脉冲宽度、想要抑制的探测死区的程度有关。窗宽至少覆盖两个空间分辨率，且窗宽越宽，幅度最大值落入探测死区的概率越低，从而保证鉴相结果的信噪比。
本发明的有益效果在于：在仅使用普通单模传感光纤且不改变传统Φ-OTDR系统结构的前提下，高保真地重构了振动信号，有效地降低了系统误报率，将误报率降至传统方法的1/3，弥补了现有技术在相位解调方面的不足。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是中频信号幅度图。
图3是选取不同窗宽造成的概率密度函数的分布图。
图4是幅度最大值落入探测死区概率和窗宽的关系图。
图5是本发明的鉴相结果瀑布图。
图6是传统方法的鉴相结果瀑布图。
图7是本发明和传统方法进行鉴相处理时所选取的参考段信号强度及鉴相结果中假事件抑制效果对比图。
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。
下文提供了本发明的一个具体实施例，如图1所示，具体过程如下。
步骤一、通过相干探测的Φ-OTDR系统得到探测光脉冲所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号。根据拍频信号200MHz的频率和探测光脉冲100ns的脉宽，指定带通滤波器的中心频率为200MHz，带宽为20MHz。拍频信号通过该带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声，得到中频信号。
步骤二、对于每一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，通过对其进行IQ幅度解调，得到中频信号幅度随距离的分布情况，如图2所示，图中横坐标(FiberLength)为距离，纵坐标(Time)为时间，灰度表示强度。
步骤三、选取不同的窗宽会造成概率密度函数分布发生变化，如图3所示，图中横坐标(Amplitude)为幅度，纵坐标(Probability)为概率。由于窗宽至少覆盖两个空间分辨率，且窗宽越宽，幅度最大值落入探测死区的概率越低。当选定幅度阈值为40时，幅度最大值落入死区的概率和窗宽的关系如图4所示，图中横坐标(WindowWidth)为窗宽，纵坐标(Probability)为概率。当采样率为500MHz，探测光脉冲宽度为100ns时，选定窗宽为500采样点，对应1000ns，即为10倍脉宽。在距离轴上，将5km光纤对应的所有中频幅度信号采样点划分成首尾相接且等宽度的50个区间，求取各区间中幅度最大值对应的位置。
步骤四、对于步骤一中得到的任意一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，在其距离轴上所划分出的每一个区间内，总是选取以幅度最大值所处位置为中心，宽度与探测光脉冲等同的一段原始中频信号作为目标数据进行相位解调，获得对该区间相位的估计；对相邻区间的相位作差，获得由相邻区间的光程差引起的光信号相位差异；同时按照当前时刻各区间幅度最大值所处位置，回溯前一个探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号在对应位置处的相位，同样求取相邻区间的相位差。
步骤五、对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量。
步骤六、对相邻区间相位差的变化量进行解缠绕，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间的光纤伸缩情况，实现对外部振动信号的感测。
采用上述新方法的鉴相结果的瀑布图如图5所示，其中横坐标(Number ofinterval)为区间分组序号，纵坐标(Time)为时间；采用传统方法的鉴相结果的瀑布图如图6所示，其中横坐标(Number of interval)为区间分组序号，，纵坐标(Time)为时间。图7(a)(b)为两种鉴相方法在某一位置处的鉴相结果，图7(c)(e)和(d)(f)分别为两种鉴相方法用来求取相位差的相邻两个区间幅度最大值所处位置的幅度变化，图7(a)、(b)、(c)、(e)、、(d)、(f)中各个横坐标(Time)均为时间，纵坐标(Amplitude)均为幅度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员做出的若干简单推演或替代，在不脱离本发明构思的前提下，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种相位敏感光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：对探测光脉冲进行处理，得到瑞利背向散射光与参考光的拍频信号；
S2：对拍频信号进行滤波去噪，得到中频信号；
S3：对中频信号进行幅度解调，得到中频幅度信号及其在距离轴方向上的分布状态；
S4：选定窗宽，在距离轴上将中频幅度信号划分成首尾相接且等宽度的区间，并求取各区间中幅度最大值所对应的位置；
S5：对步骤S2中得到的任意一个探测光脉冲形成的中频信号，在其距离轴上所划分出的每一个区间内，总是选取以幅度最大值所对应的位置为中心、宽度与探测光脉冲等同的一段中频信号作为目标数据进行相位解调，获得对该区间相位的估计，并对相邻区间的相位作差，获得由相邻区间的光程差引起的光信号相位差异，同时按照当前时刻各区间幅度最大值所处位置，回溯步骤S2中得到的前一个探测光脉冲形成的中频信号在对应位置处的相位，同样求取相邻区间的相位差；
S6：对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量；
S7：对相邻区间相位差的变化量进行解缠绕，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间的光纤伸缩情况，从而实现对外部振动信号的感测。
2.根据权利要求1所述的一种相位敏感光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，其特征在于：所述的步骤S1中的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号通过相干探测的Φ-OTDR系统产生。
3.根据权利要求1所述的一种相位敏感光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，其特征在于：所述的步骤S2通过带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声。
4.根据权利要求3所述的一种相位敏感光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，其特征在于：所述的带通滤波器的中心频率与拍频信号的频率一致，带宽与探测光脉冲脉宽的倒数相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种相位敏感光时域反射系统中降低探测死区概率的方法，其特征在于：所述步骤S4中窗宽的取值与抑制探测死区的目标程度有关，窗宽不小于空间分辨率的两倍。
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