CN113167636B - 相位测定方法、相位测定装置和记录介质 - Google Patents

相位测定方法、相位测定装置和记录介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供相位测定方法、信号处理装置，课题在于能够在实时测定(直接测量)用的光接收系统中对被测定光纤的散射光的相位进行SN比大的离线测定。本发明的相位测定方法利用90度光混合器来进行散射光的相干检波，将对直接测量出的同相分量测定值进行希尔伯特变换而求出的正交分量计算值和直接测量出的正交分量测定值平均化，求出正交分量推定值，并且将对正交分量测定值进行逆希尔伯特变换而求出的同相分量计算值和同相分量测定值平均化，求出同相分量推定值，基于正交分量推定值和同相分量推定值，计算散射光的相位。

Description

相位测定方法、相位测定装置和记录介质
技术领域
本发明涉及用于计算来自被测定光纤的散射光的相位的相位测定方法、相位测定装置和记录介质。
背景技术
作为在光纤长边方向上分布性地测量施加于光纤的物理性的振动的方法，已知相位OTDR方法(例如参照非专利文献1)。
在相位OTDR中，将脉冲光入射到被测定光纤，在光纤的长边方向上分布性地测量入射了脉冲光的时刻t的被散射的光的相位。即，自光纤的远端的距离为l，对散射光的相位θ(l，t)进行测定。通过将脉冲光以时间间隔T反复入射到被测定光纤，对被测定光纤的长边方向的各点，测定n为整数的时刻t＝nT的被散射的光的相位的时间变化θ(l，nT)。已知施加于从距离l到距离l+δt的区间的物理性的振动的各时刻nT的大小与距离l+δl处的相位θ(l+δl，nT)和距离l处的相位θ(l，nT)的差δθ(l，nT)成比例。即，如果以时刻零为基准，则为式(1)。
[数1]
Figure GDA0004166277880000011
虽然存在多种用于测定相位θ(l，nT)的相位OTDR的结构，但是在利用将从被测定光纤散射的信号光和参照光混合的相干检波的相干OTDR(C-OTDR)中，能够进行SN比高的测定。
进行相干检波来计算相位的机构细分为利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构和利用90度光混合器基于硬件进行处理的机构的两种。
在利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构中，使参照光和从被测定光纤散射的信号光分别入射到两输入两输出的50：50耦合器的两输入端，对从两个输出端射出的光进行平衡检测(例如参照非专利文献2)。
如果将检测到的信号作为同相分量I(l，nT)，则对同相分量的整体进行希尔伯特变换并计算正交分量Q(l，nT)。即为式(2)。
[数2]
Q(l，nT)＝HTl[I(l，nT)] (2)
在此，HT[*]定义为对*的各频率分量延迟90度的希尔伯特运算符。此外，运算符的下标表示进行运算的变量。例如，HTx[cos(kx)sin(ωt)]给出sin(kx)sin(ωt)。
相位的计算值θcal(l，nT)作为将同相分量作为x轴、将正交分量作为y轴的xy平面上的矢量(x，y)＝(I(l，nT)，Q(l，nT))所成的角度而被计算出来。即为式(3)。
[数3]
Figure GDA0004166277880000021
其中，基于四象限反正切运算符Arctan的输出值以弧度为单位在(-π，π]的范围内，将m作为任意整数，2mπ+θ(l，nT)在xy平面上全部成为相同的矢量方向，因此在以上述方式计算出的θcal(l，nT)中仅存在2mπ的不确定性。因此，作为θ(l，nT)的更准确的评价方法，进一步进行相位解缠等信号处理。在一般的相位解缠中，如果将解缠后的相位作为
[数4a]
Figure GDA0004166277880000022
，则将任意整数作为p，在
[数4b]
Figure GDA0004166277880000023
比π弧度大的情况下，选择使
[数4c]
Figure GDA0004166277880000031
成为π弧度以下的适当的整数q，通过式(4)对式(4d)的解缠后的相位进行计算。
[数4d]
Figure GDA0004166277880000032
[数4]
Figure GDA0004166277880000033
上标unwrap表示解缠后的相位。
在利用90度光混合器基于硬件进行处理的机构中，使参照光和从被测定光纤散射的信号光入射到被称为90度光混合器的组件，直接取得同相分量I(l，nT)和正交分量Q(l，nT)作为来自两个平衡检测器的输出(例如参照非专利文献3)。此后的相位计算与上述计算相同。
在利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构中，能够直接同时测量同相分量I(l，nT)和正交分量Q(l，nT)，因此不仅能够用于离线处理而且还能够用于实时测定的用途。
现有技术文献
非专利文献1：Ali.Masoudi,T.P.Newson,“Contributed Rview：Distributedoptical fibre dynamic strain sensing.”Review of Scientific Instruments,vol.87,pp011501(2016)
非专利文献2：Xinyu Fan et al.,“Distributed Fiber-Optic VibrationSensing Based on Phase Extraction From Optical Reflectometry.”Journal ofLightwave Technology,vol.35,no.16pp3281(2017)
非专利文献3：Zinan Wang et al.,“CoherentΦ-OTDR based on I/Qdemodulation and homodyne detection.”Optics Express,vol.24,no.2,pp853(2016)
与利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构相比，在利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构中入射到平衡检测器的光强度减少，因此SN比的劣化变大。因此，计算出的相位的不确定性变大，相位测定的灵敏度劣化。此外，由于计算出的相位的不确定性变大，在由式(4)表示的解缠处理中，错误选择整数q的点将增加，在错误选择的点的前后产生2π以上的实际上不存在的相位值的差异。在根据式(1)计算振动的大小时，这种相位值的差异导致误识别为较大的物理力施加于光纤。即，在除了进行离线处理以外还进行实时测定的情况下，需要使用利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构，但是其SN比存在问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供能够对来自光纤的散射光的相位进行实时测定和SN比大的离线测定的两方的相位测定方法、信号处理装置和记录介质。
为了达成上述目的，本发明的相位测定方法和信号处理装置利用90度光混合器来进行散射光的相干检波，将对直接测量出的同相分量测定值进行希尔伯特变换而求出的正交分量计算值和直接测量出的正交分量测定值平均化，求出正交分量推定值，并且将对正交分量测定值进行逆希尔伯特变换而求出的同相分量计算值和同相分量测定值平均化，求出同相分量推定值，基于正交分量推定值和同相分量推定值，计算散射光的相位。
具体地说，本发明的相位测定方法是测定来自被测定光纤的散射光的相位的相位测定方法，其特征在于进行：
检波步骤，取得通过90度光混合器对所述散射光进行了相干检波的信号的同相分量测定值和正交分量测定值；
变换步骤，对所述同相分量测定值进行希尔伯特变换，取得正交分量计算值，并且对所述正交分量测定值进行逆希尔伯特变换，取得同相分量计算值；
推定步骤，对所述同相分量测定值和所述同相分量计算值进行平均化，取得同相分量推定值，并且对所述正交分量测定值和所述正交分量计算值进行平均化，取得正交分量推定值；以及
运算步骤，计算将所述正交分量推定值除以所述同相分量推定值的商的四象限反正切。
此外，本发明的装置包括：信号输入部，通过90度光混合器对来自被测定光纤的散射光进行相干检波而得到的信号的同相分量测定值和正交分量测定值输入所述信号输入部；
变换部，对所述同相分量测定值进行希尔伯特变换，取得正交分量计算值，并且对所述正交分量测定值进行逆希尔伯特变换，取得同相分量计算值；
推定部，对所述同相分量测定值和所述同相分量计算值进行平均化，取得同相分量推定值，并且对所述正交分量测定值和所述正交分量计算值进行平均化，取得正交分量推定值；以及
运算部，计算将所述正交分量推定值除以所述同相分量推定值的商的四象限反正切。
如上所述，通过使用正交分量推定值和同相分量推定值来计算散射光的相位，能够将测定值的分散降低至1/√2。因此，能够降低离线测定的SN比。此外，由于使用90度混合器，所以也能够进行实时测定。因此，本发明能够提供能够对来自光纤的散射光的相位进行实时测定和SN比大的离线测定的两方的相位测定方法和信号处理装置。
本发明的相位测定方法的特征在于，还进行对所述四象限反正切进行相位解缠处理的相位解缠处理步骤。此外，本发明的信号处理装置的特征在于，还包括对所述四象限反正切进行相位解缠处理的相位解缠处理部。
由于能够降低离线测定的SN比，所以在相位解缠处理中能够使用不确定性更小的相位，能够降低错误选择整数q的点的发生概率。
本发明提供一种程序，用于使计算机发挥作为所述信号处理装置的功能。本发明的信号处理装置也能够通过计算机和程序实现，可以将程序记录在记录介质中，也可以通过网络提供。
本发明能够提供能够对来自光纤的散射光的相位进行实时测定和SN比大的离线测定的两方的相位测定方法、信号处理装置和记录介质。
附图说明
图1是说明具备本发明的信号处理装置的C-OTDR的图。
图2是说明以往的方法的散射光的相位计算结果的图。
图3是说明本发明的相位测定方法的散射光的相位计算结果的图。
图4是说明使用以往的方法的散射光的相位计算结果进行了相位解缠处理的结果的图。
图5是说明使用本发明的相位测定方法的散射光的相位计算结果进行了相位解缠处理的结果的图。
图6是说明本发明的信号处理装置的图。
图7是说明本发明的相位测定方法的流程图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限于以下的实施方式。另外，在本说明书和附图中附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。
(散射光的相位测定方法)
图1是说明在接收系统中使用利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构的C-OTDR的结构的图。
从CW(Continuous Wave连续波)光源1射出单一波长的连续光，通过耦合器2分支为参照光和探测光。探测光通过强度调制器3被脉冲化并通过移频器4变更频率。强度调制器、移频器的种类可以是任意的，有时数量也为多个，也可以使用强度调制器和移频器的功能一体化的设备。例如，能够由LN调制器、AO调制器进行脉冲化、移频。此外，也可以是移频器的移频量为零、即没有移频器的结构。脉冲化的探测光经由循环器5入射到被测定光纤6。在光纤6的长边方向的各点上散射的光作为后方散射光返回到循环器5并入射到90度光混合器7的一个输入端。由耦合器2分支的参照光入射到90度光混合器7的另一个输入端。
90度光混合器的内部结构只要具备90度光混合器的功能，则可以是任意结构。图1表示构成例。后方散射光入射到50：50的分支比的耦合器8，分支的散射光入射到50：50的分支比的耦合器12和50：50的耦合器11的输入端。参照光入射到50：50的分支比的耦合器9，两分支的参照光的一方原样入射到耦合器11的输入端。两分支的另一方的参照光通过在参照光的波长下将相位移相π/2的移相器10进行移相后，入射到耦合器12的输入端。由平衡检测器13检测耦合器11的两个输出端，取得作为同相分量的电信号15。由平衡检测器14检测耦合器12的两个输出端，取得作为正交分量的电信号16。电信号15和电信号16被输送到信号处理装置17，该信号处理装置17具备能够分别对信号的频带无混叠地进行采样的AD转换功能元件17a和AD转换功能元件17b。在信号处理装置17中，基于从AD转换功能元件17a和AD转换功能元件17b分别输出的数字化的同相分量和正交分量的信号，由信号处理部17c进行相位的计算。
信号15是向没有噪声时的同相分量I(l，nT)添加了噪声的测定值Imeasure(l，nT)。信号16是向没有噪声时的正交分量Q(l，nT)添加了噪声的测定值Qmeasure(l，nT)。即，如果将分别叠加于同相分量和正交分量的噪声作为NI和NQ，则为式(5)和式(6)。
[数5]
Imeasure(l，nr)＝I(l，nr)+NI(l，nT) (5)
[数6]
Qmeasure(I，nT)＝Q(I，nT)+NQ(I，nT) (6)
在此，由各平衡检测器检测同相分量和正交分量，因此NI和NQ独立，而成为彼此不相关的波形。
信号处理装置17根据测定的同相分量和正交分量，将散射光的相位计算为式(7)。
[数7]
Figure GDA0004166277880000071
由于存在噪声NI和NQ，所以在将同相分量作为x轴、将正交分量作为y轴的xy平面上，式(7a)的矢量(x，y)所指的位置产生不确定性，作为矢量所指的方向的相位也产生不确定性。
[数7a]
(x，t)＝(Imeasure(l，nT)，Qmeasure(l，nT)) (7a)
例如，在没有噪声的情况下，在未向光纤施加振动的状态下，相位的计算值θcal(l，nT)对于各l不随时间变化而取固定值。但是如果有噪声，则即使在未向光纤施加振动的状态下，相位的计算值θcal(l，nT)对于各1也会随时间变化。图2表示了该情况。如果将式(7b)所示的某个位置l0的矢量绘制在xy平面上，则在没有噪声的情况下，由矢量201所示的式(7c)始终固定，其角度202也不随时间变化。
[数7b]
(Imeasure(l0，nT)，Qmeasure(l0，nT)) (7b)
[数7c]
(x，y)＝(I(l0，nT)，Q(l0，nT)) (7c)
但是，由于实际上存在噪声，所以由各时刻的同相分量和正交分量构成的矢量如矢量203所示与矢量201不同，其角度204也与角度202不同。因此，由实际的测定值构成的矢量以矢量201为中心分散。能够使用各轴方向上的测定值的标准偏差来评价分散的程度。例如，对于x轴方向，根据测定值的x分量的分散，仅存在由205表示的噪声NI的标准偏差σ(NI)的不确定性。在相干检波的情况下，充分增大参照光的强度，所以散粒噪声成为支配性的，噪声的分布也能够以正态分布来近似。此外，入射到图1中的两个平衡检测器13、14的光强度视为相同程度，因此噪声NI和NQ的标准偏差也能够视为相同的大小，因此不确定性成为以矢量201为中心的圆形。即使在PD的热噪声等电气级以后的噪声不能忽略的情况下，两个平衡检测器13、14的噪声特性也视为相同，因此不确定性可以认为是以矢量201为中心的圆形。
(实施方式1)
以下，使用所取得的Imeasure(l，nT)和Qmeasure(l，nT)，说明不确定性比由式(7)计算的相位更小的相位的计算方法。
图6是说明本实施方式的信号处理部17c的图。即，在本实施方式中，图1的信号处理部17c包括：
信号输入部51，通过90度光混合器7对来自被测定光纤6的散射光进行相干检波而得到的信号的同相分量测定值和正交分量测定值输入该信号输入部51；
变换部52，对所述同相分量测定值进行希尔伯特变换，取得正交分量计算值，并且对所述正交分量测定值进行逆希尔伯特变换，取得同相分量计算值；
推定部53，对所述同相分量测定值和所述同相分量计算值进行平均化，取得同相分量推定值，并且对所述正交分量测定值和所述正交分量计算值进行平均化，取得正交分量推定值；以及
运算部54，计算将所述正交分量推定值除以所述同相分量推定值的商的四象限反正切。
另外，信号处理部17c可以还包括对所述四象限反正切进行相位解缠处理的相位解缠处理部。
图7是说明本实施方式的通过包括信号处理部17c的C-OTDR来测定来自被测定光纤6的散射光的相位的方法的图。本方法是测定来自被测定光纤6的散射光的相位的相位测定方法，所述相位测定方法的特征在于包括：
检波步骤S01，取得通过90度光混合器7对所述散射光进行了相干检波的信号的同相分量测定值和正交分量测定值；
变换步骤S02，对所述同相分量测定值进行希尔伯特变换，取得正交分量计算值，并且对所述正交分量测定值进行逆希尔伯特变换，取得同相分量计算值；
推定步骤S03，对所述同相分量测定值和所述同相分量计算值进行平均化，取得同相分量推定值，并且对所述正交分量测定值和所述正交分量计算值进行平均化，取得正交分量推定值；以及
运算步骤S04，计算将所述正交分量推定值除以所述同相分量推定值的商的四象限反正切。
此外，本方法可以还进行对所述四象限反正切进行相位解缠处理的相位解缠处理步骤。
变换部52以如下方式进行变换步骤S02。
变换部52将同相分量测定值Imeasure(l，nT)关于l进行希尔伯特变换，得到式(8a)的正交分量计算值。
[数8a]
Figure GDA0004166277880000101
正交分量计算值能够以如下方式进行公式展开。
[数8]
Figure GDA0004166277880000102
在式(8)中，假设没有噪声的同相分量的希尔伯特变换HTl[I(l，nT)]与没有噪声时的正交分量Q(l，nT)一致，但是实际上需要考虑由希尔伯特变换引起的计算误差。希尔伯特变换虽然不产生由混叠引起的误差，但是产生由于将信号在有限的区间截止并进行计算而引起的误差。此外，由于希尔伯特变换的传递函数在频率为零的位置不连续，所以表示无限响应，但是在实际的计算中，也会产生由于将其以有限响应进行近似并进行计算而引起的误差。
但是，能够以如下所述的方式充分减小这些误差。首先，入射到被测定光纤6的探测光的载波包络的形状能够近似为矩形。在这种情况下，将被测定光纤6的长度作为L，将光纤中的光速作为c，来自被测定光纤6的散射光最多成为2L/c程度的时间长度的信号。因此，通过将散射光测定2L/c的时间长度以上的时间，能够忽略测定信号的长度不充分时产生的误差。此外，通过将处理中使用的有限响应(FIR)的长度取得足够长，或者进行与其同等的处理，能够使由对响应进行近似而引起的误差与噪声相比足够小。
在实际的由信号处理装置17进行的希尔伯特变换中，将信号长度取得足够长并且将处理中使用的FIR的长度取得足够长，或者进行与其同等的处理，由此与噪声相比能够忽略由希尔伯特变换引起的误差。
推定部53以如下方式进行推定步骤S03。
推定部53如式(9)所示对式(8a)的正交分量计算值和实际的正交分量测定值Qmeasure(l，nT)的平均值进行计算，从而得到正交分量推定值。
[数9]
Figure GDA0004166277880000111
NI和NQ独立，是彼此不相关的波形，因此NQ和HTl[NI]也独立，成为彼此不相关的波形。因此，如果将NI和NQ的标准偏差均作为σ，作为NQ和HTl[NI]的平均所给出的噪声(式(9a))的标准偏差(式(9b))成为σ/√2左右的大小。
[数9a]
Figure GDA0004166277880000112
[数9b]
Figure GDA0004166277880000113
变换部52对正交分量也同样地进行变换步骤S02。
变换部52将正交分量测定值Qmeasure(l，nT)关于l进行逆希尔伯特变换，得到式(10a)的同相分量计算值。
[数10a]
Figure GDA0004166277880000114
同相分量计算值能够以如下方式进行公式展开。
[数10]
Figure GDA0004166277880000121
在此，IHT[*]定义为对*的各频率分量将相位超前90度的逆希尔伯特运算符。此外，运算符的下标表示进行运算的变量。
推定部53对同相分量也同样地进行推定步骤S03。
推定部53如式(11)所示对式(10a)的同相分量计算值和实际的同相分量测定值Imeasure(l，nT)的平均值进行计算，从而得到同相分量推定值。
[数11]
Figure GDA0004166277880000122
作为NI和IHTl[NQ]的平均所给出的噪声(式(11a))的标准偏差(式(11b))，相对于同相分量的测定中的原来的噪声的标准偏差σ成为1/√2左右的大小。
[数11a]
Figure GDA0004166277880000123
[数11b]
Figure GDA0004166277880000124
使用新计算出的式(11)的同相分量推定值和式(9)的正交分量推定值，以如下方式计算散射光的相位。
[数12]
Figure GDA0004166277880000125
由式(12)新计算出的散射光的相位的不确定性小于由式(7)计算出的散射光的相位的不确定性。
例如，与图2同样，图3是未向光纤施加振动的状态下的某个l的随着时间的变化，将由式(9)和式(11)新计算出的正交分量推定值和同相分量推定值绘制在xy平面上的图。虽然各时刻的相位值分散，但是作为其中心的矢量301与矢量201相同为式(7c)。但是，矢量301的分散的程度在任何方向上相对于矢量201都小1/√2左右。例如，如果对于x轴方向进行观察，其标准偏差302为图2中的标准偏差205的1/√2左右。
相位的不确定性Δθcal(l，nT)，在基于式(7)的计算的情况下，使用式(13a)的信号的振幅和某一方向上的标准偏差σ，在振幅比标准偏差大的情况下，能够以式(13)的方式进行评价。
[数13a]
Figure GDA0004166277880000131
[数13]
Figure GDA0004166277880000132
在此，将式(13a)的信号的振幅作为S。
此外，在基于式(12)的计算的情况下，式(14a)的相位的不确定性能够以式(14)的方式进行评价。
[数14a]
Figure GDA0004166277880000133
[数14]
Figure GDA0004166277880000134
因此，如果将测定波长作为λ、将测定的空间分辨率作为ΔL，相对于根据90度光混合器的输出由式(7)计算相位的方法，由式(12)计算相位所引起的变形量的灵敏度的改善量D为式(15)。
[数15]
Figure GDA0004166277880000141
在此，变形量是表示物理性的振动引起的光纤的伸缩量相对于各地点的光纤自然长度的比例的无量纲量，在以数值表示的情况下，作为单位使用ε。例如，在光纤的某个部分的自然长度为1m且由于物理性的振动而伸长了1μm的情况下，变形量为1με。本发明的变形量的灵敏度的改善量D例如在信号相对于噪声的振幅的比S/σ为2、波长为1.55μm、空间分辨率为1m的情况下，测定灵敏度的改善量D为30nε左右。
以下说明基于式(12)的相位的计算方法中的由式(14)给出的相位的不确定性与使用利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构时的相位的不确定性的比较。利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构，例如能够通过如下方式来实现：将图1中的来自循环器5的后方散射光和由耦合器2分支的参照光直接入射到耦合器11，将从平衡检测器13输出的信号15作为同相分量来检测。
在该构成中，与图1所示的构成相比，到平衡检测器为止的后方散射光的由耦合器分支的分支次数从两次变为一次。为了避免在被测定光纤中引起的妨碍相位测定的非线性效果，入射的探测光强度存在上限值。因此，与图1所示的利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构相比，在利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构中，能够使2倍的散射光入射到平衡检测器。因此，能够使式(13)中的S为√2倍。
另一方面，对于参照光，即使在利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构的情况下，也能够调整成使足够的强度入射到平衡检测器。因此，式(13)的σ和S都与参照光的光强度的平方根成比例，所以相位的不确定性不依赖于参照光的光强度。因此，基于式(12)的相位的计算方法中的由式(14)给出的相位的不确定性和使用利用希尔伯特变换基于软件进行处理的机构时的相位的不确定性相同。
此外，在上述实施例中记载的基于式(9)和式(11)的平均化的方法中，不仅对于散射光的相位，对于式(13a)的信号的振幅S的不确定性的减小也有效。
(实施方式2)
在由式(7)和式(12)计算的散射光的相位值中存在2π的整数倍的不确定性，因此使用在式(4)中说明的相位解缠等方法，实施除去2π的整数倍的不确定性的步骤。但是，在相位解缠中，存在如下课题：由于噪声的影响，错误选择适当的整数q，在错误选择的点的前后产生2π以上的实际上不存在的相位值的差异。与由式(7)计算的相位值相比，由式(12)计算的相位值的不确定性更小，因此通过使用由式(12)计算的相位值，能够减小错误选择整数q的点的发生概率，能够解决所述课题。在以下的说明中，将由式(7)计算的散射光的相位值作为“以往相位值”、将由式(12)计算的散射光的相位值作为“新相位值”来进行说明。
通过具体例进一步进行说明。考虑在时间间隔T的期间对光纤施加了相位的实际变化量小于π弧度的周期性振动的情况。对施加了振动的地点以后的某个地点l中的以往相位值和新相位值分别进行相位解缠而得到的值，如式(16)和式(17)所示。
[数16]
Figure GDA0004166277880000151
[数17]
Figure GDA0004166277880000152
图4和图5分别是将横轴作为时间、将纵轴作为相位而绘制了式(16)和式(17)的值的曲线图。在作为对以往相位值进行了相位解缠处理的结果的图4中，相位如波形2101所示随时间变化。由实际施加的振动引起的相位的变化，虽然峰到峰收在2102的范围内，但是由于噪声的影响，如由2103表示的时刻所示，相位的解缠的失败点产生了多个。相对于此，在作为对新相位值进行了相位解缠处理的结果的图5中，相位如波形2204所示随时间变化，削减了噪声的影响，由此能够削减相位的解缠的失败点的产生数量。
以下对原理进行说明。以下将没有噪声时的理想的相位的测定值仅设为θ(l，nT)。此外，为了简化将表示距离的自变量l省略，仅表示为θ(nT)。到时刻pT为止相位解缠结束，考虑时刻(p+1)T的相位解缠处理。
在没有噪声的理想的情况下，如果假设时间间隔T期间的相位变化小于π弧度，则时刻(p+1)T的相位θ((p+1)T)满足式(18)，因此只要作为式(19)即可。
[数18]
(2n+1)π＞θ((p+1)T)-θunwrap(pT)＞(2n-1)π (18)
在此，θunwrap(pT)是时刻pT的解缠后的相位。
[数19]
θunwrap((p+1)T)＝θ((p+1)T)-2nπ (19)
但是，由于在相位的计算值例如θcal中存在噪声的影响，所以如果满足
[数20]
Figure GDA0004166277880000161
的m与n不同，则相位解缠失败。在此，m与n不同的条件是式(21)。
[数21]
Figure GDA0004166277880000162
如果时刻从pT变化为(p+1)T时的相位变化量相同，则式(21)的左边的绝对值越大，式(21)的条件成立的概率越大。此外，虽然式(21)的左边的值的统计平均值为零，但是在时刻(p+1)T和时刻pT计算出的相位的不确定性越大，统计标准偏差越大。
因此，通过使用不确定性比以往相位值小的新相位值，能够减小相位解缠失败的概率。
[附录]
以下说明本发明的相位测定方法和信号处理装置。
(课题)
课题在于能够在实时测定(直接测量)用的光接收系统中对被测定光纤的散射光的相位进行SN比大的离线测定。
(手段)
(1)：本信号处理方法的特征在于，本信号处理方法利用相位OTDR装置，所述相位OTDR装置通过使用90度光混合器来进行相干检波的结构来测定来自被测定光纤的散射光的相位，在本信号处理方法中，通过相位OTDR装置直接测量基于散射光的信号的同相分量和正交分量，通过将对直接测量出的同相分量进行希尔伯特变换而计算出的正交分量和直接测量出的正交分量平均化，生成新的正交分量，通过将对直接测量出的正交分量进行逆希尔伯特变换而计算出的同相分量和直接测量出的同相分量平均化，生成新的同相分量，通过将所生成的正交分量除以所生成的同相分量而取四象限反正切来计算相位，由此与通过将直接测量出的正交分量除以直接测量出的同相分量而取四象限反正切来计算出的相位相比，减小不确定性。
(2)：本测定装置的特征在于，包括：输出连续光的激光光源；将激光光源分支为参照光和探测光的元件；使探测光入射到成为被测定对象的光纤的元件；将由成为所述被测定对象的光纤产生的探测光的后方散射光和所述参照光作为输入的90度光混合器；使所述90度光混合器的同相分量侧的两个输出入射而得到同相分量的电信号的平衡检测器；使所述90度光混合器的正交分量侧的两个输出入射而得到正交分量的电信号的平衡检测器；以及对从所述两个平衡检测器输出的同相分量和正交分量的电信号进行处理的信号处理部，所述测定装置通过由信号处理部进行计算，求出成为所述被测定对象的光纤的长边方向上的各点上的散射光的相位，在所述测定装置中进行上述(1)的信号处理。
(3)：特征在于，通过上述(1)的信号处理方法来计算相位，对计算出的相位进行相位解缠处理，由此与对通过将直接测量出的正交分量除以直接测量出的同相分量而取四象限反正切来计算出的相位进行相位解缠的情况相比，减小相位解缠的错误的概率。
(效果)
根据本发明，在C-OTDR中，即使在接收系统中使用利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构的情况下，在离线处理中也能够通过信号处理进行SN比大的测定。因此，通过一个利用90度光混合器的基于硬件进行处理的机构能够实现实时测定和离线处理中的SN比大的测定的两方。
另外，本发明不限于上述实施方式例，可以在实施阶段在不脱离其宗旨的范围内对构成要素进行变形而具体化。此外，本发明的信号处理装置也能够通过计算机和程序实现，可以将程序记录在记录介质中，也可以通过网络提供。
附图标记说明
1：CW光源
2：耦合器
3：强度调制器
4：移频器
5：循环器
6：被测定光纤
7：90度光混合器
8：耦合器
9：耦合器
10：移相器
11：耦合器
12：耦合器
13：平衡检测器
14：平衡检测器
15：电信号
16：电信号
17：信号处理装置
17a：AD转换功能元件
17b：AD转换功能元件
17c：信号处理部

Claims (5)

1.一种相位测定方法，测定来自被测定光纤的散射光的相位，其特征在于进行：
将单一波长的连续光分支为两个光束的步骤；
对所述连续光的分支后的所述两个光束中的一个光束的频率进行变更的步骤；
对所述连续光的分支后的所述两个光束中的一个光束进行脉冲化，并输入所述被测定光纤的步骤；
对90度光混合器，输入来自所述被测定光纤的散射光和作为参照光输入所述连续光的分支后的所述两个光束中的另一个光束的步骤；
检波步骤，取得在所述90度光混合器中由所述散射光和所述参照光进行了相干检波的信号的同相分量测定值和正交分量测定值；
变换步骤，对所述同相分量测定值进行希尔伯特变换，取得正交分量计算值，并且对所述正交分量测定值进行逆希尔伯特变换，取得同相分量计算值；
推定步骤，对所述同相分量测定值和所述同相分量计算值进行平均化，取得同相分量推定值，并且对所述正交分量测定值和所述正交分量计算值进行平均化，取得正交分量推定值；以及
运算步骤，计算将所述正交分量推定值除以所述同相分量推定值的商的四象限反正切。
2.根据权利要求1所述的相位测定方法，其特征在于，还进行对所述四象限反正切进行相位解缠处理的相位解缠处理步骤。
3.一种相位测定装置，其特征在于包括：
光源，射出单一波长的连续光；
耦合器，将所述连续光分支为两个光束；
移频器，变更所述连续光的分支后的所述两个光束中的一个光束的频率；
强度调制器，对所述连续光的分支后的所述两个光束中的所述一个光束进行脉冲化，并输入被测定光纤中；
90度光混合器，输入来自所述被测定光纤的散射光和作为参照光输入所述连续光的分支后的所述两个光束中的另一个光束；
平衡检波器，取得由通过所述90度光混合器的所述散射光和所述参照光进行了相干检波而得到的信号的同相分量测定值和正交分量测定值；以及
信号处理装置，
所述信号处理装置具备：
信号输入部，输入来自所述平衡检波器的所述同相分量测定值和所述正交分量测定值；
变换部，对所述同相分量测定值进行希尔伯特变换，取得正交分量计算值，并且对所述正交分量测定值进行逆希尔伯特变换，取得同相分量计算值；
推定部，对所述同相分量测定值和所述同相分量计算值进行平均化，取得同相分量推定值，并且对所述正交分量测定值和所述正交分量计算值进行平均化，取得正交分量推定值；以及
运算部，计算将所述正交分量推定值除以所述同相分量推定值的商的四象限反正切。
4.根据权利要求3所述的相位测定装置，其特征在于，还包括对所述四象限反正切进行相位解缠处理的相位解缠处理部。
5.一种记录介质，其特征在于，
存储有用于使计算机发挥作为权利要求3或4所述的相位测定装置的所述信号处理装置的功能的程序。
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