CN110132397B - 一种基于空分复用的φ-otdr系统中降低死区概率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空分复用的Φ‑OTDR系统中降低死区概率的方法，包括：将中频信号等分成N组数据，依次编号且偶数段倒转，获得首尾对齐的N组数据并进行正交解调，解调幅度和相位信息；选取N组数据中同一位置下幅度最大的一组并记录其编号作为选取相位的寻址信息；将N组数据的相位信息对相邻两列数据进行差分，得到相邻两列在每一位置的相位变化量矩阵；根据寻址信息，获得每一距离长度下相邻两列相位差并将相位差与上一位置的相位相加，得到距离长度下修正后的相位信息；对修正后的相位信息矩阵根据实际需求，选取合适距离做相位差并解缠绕后得到光缆沿线实际的振动信息。本发明可通过对每一位置处的相位进行选择重构，降低解相错误的概率。

Description

一种基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法

技术领域

本发明涉及一种基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）是一种新型的分布式光纤传感技术，具有高灵敏度、响应速度快和分布式传感的特点，能够实现微弱振动事件的检测和动态监测，因此在大型结构健康监测、周界安防和管道安全检测等领域有广泛的应用前景。Φ-OTDR是利用光脉冲的后向瑞利散射光的相干衰落现象进行传感，采用窄线宽激光光源，光源具有高相干性，产生的后向散射信号会发生相干衰落，即相干瑞利噪声。当光纤受到扰动时，背向散射光的相位产生变化，使得干涉光光强发生波动，通过检测这种波动，实现对事件的定位和区分。

Φ-OTDR对应于脉冲宽度的光纤长度范围内，折射率随机分布，瑞利散射互相干涉，导致空间上产生随机分布的干涉信号。由于相干衰落，在某些位置信号幅度很低甚至接近于零，此时信号会淹没在噪声中，相位解调会产生较大误差，从而出现探测死区，降低事件探测灵敏度，影响系统工作的可靠性。因此，为提高系统可靠性，研究如何降低Φ-OTDR中死区出现的概率是十分重要的。

为减轻干涉衰落影响， 2013年周俊等人发表了《基于多频综合鉴别系统中干涉衰落假信号的相位解调技术》。文章中在相干探测结构的AOM前引入相位调制器，采用了一种基于多频综合判决的方法，提高相位解调的准确性。2016年梁生等人在《基于空间域差分的Φ-OTDR光纤分布式扰动传感器定位方法研究》一文中提出在空间域对探测光强进行差分处理，与现有时域定位方法相结合，通过在时域和空域分别设置报警阈值，抑制偏振衰落导致的漏报。2018年齐蒙等人在《基于Φ-OTDR的光纤分布式振动传感器的研究及改进》中介绍了一套基于Φ-OTDR的DVS系统的新的相位解调算法用于消除衰落噪声和提高信噪比。2018年，南京大学张益昕、周桐等人在专利申请名称为一种相位敏感光时域反射系统中降低探测死区的信号处理方法，申请号为2018109795040的文件中，采用新的解调方法用于降低幅度最大值落入探测死区的概率，保证鉴相结果的信噪比。目前，仍缺少在相干瑞利噪声中提取正确相位信息，降低死区出现概率的有效、简单的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法，解决在相干瑞利噪声中提取正确相位信息，降低死区出现概率的问题。本发明通过空分复用的方式降低Φ-OTDR系统探测结果落入死区的概率。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法，本方法基于多芯光纤或光缆,且各芯之间采用首尾相串联方式，包括以下步骤：

步骤1、通过相干探测获得后向散射光和本征光的拍频信号；根据声光调制器的移频大小，对拍频信号进行带通滤波获得中频信号；

步骤2、将中频信号沿距离轴等切分成N组数据，对N组数据依次编号且对其中的偶数段数据进行倒转，获得首尾对齐的N组数据并对其进行正交解调，解调出N组数据的幅度和相位信息；

步骤3、沿距离轴比较相同时刻下N组数据的幅度变化情况，在设定距离长度下选取N组数据中同一位置下幅度最大的一组并记录其编号作为选取相位的寻址信息；

步骤4、将N组数据的相位信息沿距离轴对相邻两列数据进行差分，得到每一位置相对上一位置的相位变化量矩阵；根据步骤3得到的相位寻址信息，获得设定距离长度下相邻两列数据的相位差并将该相位差与上一位置的相位相加，得到该设定距离长度下修正后的相位信息；

步骤5、根据实际需求选择距离长度对由步骤4得到的修正后的相位信息进行差分，并解缠绕后得到光缆沿线实际的振动信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中将中频信号沿距离轴等切分成N组数据，其中N与多芯光纤或光缆的纤芯数一致。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3中选取N组数据中同一位置下幅度最大的一组作为选取相位的寻址信息，具体为：

将进行差分的相邻两列数据对应的幅度乘积值进行比较，同时将相邻两列数据对应的幅度与设定阈值比较，在设定距离长度下相邻两列数据对应的幅度均高于阈值且相邻两列数据对应的幅度乘积值最大的一组数据，作为选取相位的寻址信息。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明在传统的相干探测Φ-OTDR结构基础上，使用多芯光缆或多芯光纤替代单芯传感光纤。多芯光缆或多芯光纤的各芯之间采用首尾相连的串联方式，实现当对光缆某一位置施加扰动时，将同时获得多路信号。在空间上使用多路信号传感的方式，基于空分复用理念降低死区出现概率，提升相位解调准确度。光纤中的散射点随机分布，受光纤制备工艺的影响不同光纤内的散射点分布不同，后向散射光相干的幅度发生衰落的区域存在差异，采用N路测量可以对同一位置在同一时刻获得N组信号，由于散射点随机分布位置不同使得信号的干涉幅度不同，获得的相位解调结果的信噪比也有差异，对于某一路信号而言，当其在某一位置恰好落入探测死区时，其他路信号在该位置大概率未落入死区，且由于多路信号在该位置受到的扰动完全一致，因此可以通过选择所有多路信号中在该位置未落入死区且信号质量较好的一路进行相位解调，从而有效提高系统的信噪比，降低死区对信号解调的影响。

本发明通过对每一时刻每一位置处的相位进行选择重构，降低解相错误的概率。使用多芯传感光纤，基于传统的Φ-OTDR系统结构采用空分复用技术，能够高保真地重构振动信号，并显著降低误报率。

附图说明

图1 为本发明实验系统及四芯光缆剖面图。

图2为本发明采用的多芯传感光纤结构示意图。

图3 为本发明中四芯光纤连接方式及光脉冲传输方向示意图。

图4为本发明中信噪比和解相结果关系图。

图5(a)和图5(b)为本发明中信号分段前和分段后的幅度图。

图6 为本发明中解调相位对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明在传统的相干探测Φ-OTDR结构基础上，使用多芯光缆或多芯光纤替代单芯传感光纤，如图2所示。多芯光缆或多芯光纤的各芯之间采用首尾相连的串联方式，实现当对光缆某一位置施加扰动时，将同时获得多路信号。光纤各芯间连接方式及光脉冲传输方向如图3所示。

基于上述系统，本发明提出的一种基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法，本方法基于多芯光纤或光缆且各芯之间采用首尾相串联方式，在数据处理中，分别对每一路光纤获取的信号进行解调，获得相位信息，再利用多路信号对比实现相位补偿，将探测死区概率降低，本方法具体包括以下步骤：

步骤1、通过相干探测Φ-OTDR获得后向散射光和本征光的拍频信号；根据声光调制器的移频大小，对拍频信号进行带通滤波获得中频信号；

步骤2、将中频信号沿距离轴等切分成N组数据，对N组数据依次编号，将N组数据分别记为1至N，且对其中的偶数段数据进行倒转，获得首尾对齐的N组数据并对其进行正交解调，解调出N组数据的幅度和相位信息。

其中，中频信号首先均分成N组，对于其中的偶数组数据需要进行倒转，以使得分段后的每一路信号中携带的同一振动信息位于相同位置处，这是由结构中采用首尾相接时光路实际传输方向导致。

步骤3、沿距离轴比较相同时刻下N组数据的幅度变化情况，在设定距离长度下选取N组数据中同一位置下幅度最大的一组并记录其编号作为选取相位的寻址信息。

步骤4、将N组数据的相位信息沿距离轴对相邻两列数据进行差分，得到相位变化量矩阵；根据步骤3得到的相位寻址信息，获得设定距离长度下相邻两列数据的相位差并将该相位差与上一位置的相位相加，得到该设定距离长度下修正后的相位信息。其中，将N组数据的相位信息分别沿距离轴对相邻两列数据进行差分，即第i列与第i+1列差分，所述i取1以上的自然数，得到第i+1列对应位置处相位相对于第i列对应位置处相位的变化量， N组相位信息分别进行差分时的差分间隔和沿距离轴的起始列均相同，由此获得的N组相位差矩阵其相同列都是相同位置处的相位变化量，得到N组相位变化量矩阵。

而后按距离增长方向，根据步骤3得到的相位寻址信息，在N组相位变化量矩阵中选择对应位置下的相位变化量，获得设定距离长度下相邻两列数据的相位差并将该相位差与上一位置相位相加，即：根据幅度获得的寻址信息寻找对应的相位差信息进行叠加，相位差与前一列数据的相位相加，如第一列相位差与初始相位相加，第二列与第一列相位差叠加的结果相加，第三列与第二列相位差叠加的结果相加以此类推，得到该设定距离长度下修正后的相位信息。

如图4所示，根据解相结果和对应信噪比的关系图，认为信号幅度强的位置解调出的相位更精确，且当幅度低于某一阈值时，将出现解相错误。幅值最大值获取是由进行差分的两列数据对应的幅度乘积值进行比较获得，同时将两列数据对应的幅度值与设定阈值比较，在每一距离长度下，每一时刻选取两列数据对应的幅度均高于阈值且幅度乘积最大的数据，作为之后选取相位的寻址信息。对每一路信号正交解调获得原始相位信息，沿距离轴相邻两列进行差分，获得相位变化量，然后根据步骤3获得的信号地址，选取相应地址下的相位变化信息，由此获得全部时刻的相位信息。

步骤5、根据步骤4得到的设定距离长度下修正后的相位信息，依据实际需求选择合适距离差分对其做相位差，并解缠绕后得到光缆沿线实际的振动信息。

为了验证本发明方法能够进行相位解调，有效提高系统的信噪比，降低死区对信号解调的影响，现列举一个验证例进行说明。

验证例1、

本验证例将四芯光缆作为探测光缆接入系统，Φ-OTDR系统采用传统的相干探测结构。缆采用不同纤芯间首尾串联的方式连接，光缆的四根纤芯的首端和尾端分别为记为1,1′,2,2′,3,3′,4,4′,其中1端与环形器的端口相连，为探测脉冲的注入端，1′和2′连接，2和3连接，3′和4′连接，4为探测光纤的尾端，连接方式示意图和注入的光脉冲传播方向如图3所示；具体实施过程如下：

步骤一、相干探测Φ-OTDR系统中，窄线宽激光器发出的连续光经由200MHz移频的声光调制器变为光脉冲，而后通过铒掺杂光纤放大器放大后，作为探测脉冲注入待测四芯光纤。

步骤二、探测光脉冲沿光纤传播时，产生的后向瑞利散射光和激光器直接输出的参考光干涉会产生中频为200MHz拍频信号，将干涉后的光信号经过平衡光电探测器将光信号变为电信号后，再将得到的电信号通过中频为200MHz的带通滤波器滤波为中频信号，最后由数据采集卡记录数据。

步骤三、对由数据采集卡获取的中频信号再次经过带通数字滤波器后，根据待测光纤的实际长度将所得信号沿距离轴等分成首尾严格对齐的四段数据得到每一路纤芯的数据，如图5（a）所示，为四芯串联的待测光纤的幅度信息。对划分后的四段数据编号第1至第4段后，再分别进行正交解调，解出每段的幅度和相位信息，如图5（b）为划分后四根纤芯对应的幅度信息；其中在数据分段中将包含四组信号的全部数据均分成四段，然后对第2、4段数据进行倒置，获得首尾对齐的四段数据。

步骤四、比较四组数据沿距离轴的在同一位置不同时刻的幅度变化情况，在设定的一个距离长度下，选取四组数据中幅度最大的一组，记录下每一位置处最大幅度对应的纤芯编号，作为之后选取对应位置处相位的寻址信息。

步骤五、将四段数据的相位信息分别进行处理，四组数据相同位置处对应的相邻两列数据做差分，得到每一位置相对上一位置的相位变化量矩阵，而后按距离增长方向，根据步骤四所得相位的寻址信息，从四组相位差中获取每一距离长度下所对应纤芯的相位差信息，并将该相位差与上一位置的相位相加，得到该距离长度下修正后的相位信息，重复此操作，最终即可通过四段纤芯的数据得到修正后的相位信息；

步骤六、根据实际需求，选择合适差分距离对修正后得到的相位信息做相位差，并解缠绕后，即可得到光缆沿线实际的振动信息。解相模拟结果如图6，由上至下分别为编号为1、2、3、4的四根光纤对应解调出的相位和最终修正后的相位，横轴为时间，纵轴为相位幅度。在不同位置四根光纤的相位均有出现不同程度解相错误，最后一张是采用上述方法对相位进行修正得到的最终结果，错误的解相结果被消除。

因此，本发明可通过对每一时刻每一位置处的相位进行选择重构，降低解相错误的概率。使用多芯传感光纤，基于传统的Φ-OTDR系统结构采用空分复用技术，能够高保真地重构振动信号，并显著降低误报率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变变化。

Claims (2)

1.一种基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法，其特征在于，本方法基于多芯光纤或光缆,且各芯之间采用首尾相串联方式，包括以下步骤：

步骤1、通过相干探测获得后向散射光和本征光的拍频信号；根据声光调制器的移频大小，对拍频信号进行带通滤波获得中频信号；

步骤2、将中频信号沿距离轴等切分成N组数据，其中N与多芯光纤或光缆的纤芯数一致；对N组数据依次编号且对其中的偶数段数据进行倒转，获得首尾对齐的N组数据并对其进行正交解调，解调出N组数据的幅度和相位信息；

步骤3、沿距离轴比较相同时刻下N组数据的幅度变化情况，在设定距离长度下选取N组数据中同一位置下幅度最大的一组并记录其编号作为选取相位的寻址信息；

步骤4、将N组数据的相位信息沿距离轴对相邻两列数据进行差分，得到每一位置相对上一位置的相位变化量矩阵；根据步骤3得到的相位寻址信息，获得设定距离长度下相邻两列数据的相位差并将该相位差与上一位置的相位相加，得到该设定距离长度下修正后的相位信息；

步骤5、根据实际需求选取距离长度，对步骤4得到的修正后的相位信息做相位差并解缠绕后得到光缆沿线实际的振动信息。

2.根据权利要求1所述基于空分复用的Φ-OTDR系统中降低死区概率的方法，其特征在于：所述步骤3中选取N组数据中同一位置下幅度最大的一组作为选取相位的寻址信息，具体为：

将进行差分的相邻两列数据对应的幅度乘积值进行比较，同时将相邻两列数据对应的幅度与设定阈值比较，在设定距离长度下相邻两列数据对应的幅度均高于阈值且相邻两列数据对应的幅度乘积值最大的一组数据，作为选取相位的寻址信息。

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