CN113646614A - 相位测量方法及信号处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种相位测量方法及信号处理装置，在DAS‑P中测量散射光的相位时，能够在不增加入射光脉冲的峰值强度的情况下，减少测量仪器的噪声的影响。在本发明的相位测量方法中，将波长复用的脉冲光入射至被测光纤；将来自被测光纤的各个波长的散射光绘制在横轴为同相分量、纵轴为正交分量的二维平面上，生成散射光矢量；将生成的散射光矢量在被测光纤上的各点处基于每个波长进行旋转以匹配方向；将方向匹配的矢量彼此相加求平均值，生成新的矢量；使用生成的新的矢量的同相分量和正交分量的值计算相位。
Description
技术领域
本公开涉及相位测量方法及信号处理装置，用于观测在被测光纤的各点处产生的散射光的相位的时间变化。
背景技术
已知被称为DAS(Distributed Acoustic Sensing，分布式声学传感)的方法(例如，参见非专利文献1。)，作为在光纤长度方向上分布式地测量施加至光纤上的物理振动的手段，通过将脉冲测试光入射至被测光纤，检测由瑞利散射引起的后向散射光。
DAS捕捉由于施加在光纤上的物理振动而引起的光纤的光路长度的变化，并感测振动。通过检测振动，可以检测被测光纤周围的物体的移动等。
作为DAS中检测后向散射光的方法，有种测量来自被测光纤各点的散射光强度并观测散射光强度随时间变化的方法，被称为DAS-I(DAS-intensity)。DAS-I具有能够简化装置结构的特征，但由于无法根据散射光强度定量计算因振动引起的光纤的光路长度的变化，因此它是一种定性测量方法(例如，参见非专利文献2。)。
对此，研究开发了DAS-P(DAS-phase)，这是测量来自被测光纤的各点的散射光的相位并观测相位随时间变化的方法。在DAS-P中，装置结构和信号处理比DAS-I复杂，但由于相位相对于因振动引起的光纤光路长度的变化呈线性变化，且其变化率在沿光纤长度方向的各点处也是同样的，因此，可以定量测量振动，并具有能够忠实地再现施加至被测光纤的振动波形的特征(例如，参见非专利文献2。)。
在DAS-P的测量中，脉冲光入射至被测光纤，在脉冲光入射时刻t，在光纤的长度方向上分布地测量散射光的相位。即，距光纤入射端的距离I，测量散射光的相位θ(I，t)。通过将脉冲光以时间间隔T重复地入射至被测光纤，在n为整数的时刻t＝nT时，在被测光纤的长度方向的各点测量散射光的相位的时间变化θ(I，nT)。已知在每个时刻nT，距离I至距离I+δI的区间施加的物理振动幅度，与距离I+δI处的相位θ(I+δI，nT)和距离I处的相位θ(I，nT)之间的差值δθ(I，nT)成比例。即，以时刻0为基准，满足下式。
[数学式1]
用作检测散射光相位的装置结构包括：直接检测结构，用于通过直接光电二极管等检测来自被测光纤的后向散射光；使用相干检测的结构，该相干检测通过结合单独准备的参考光进行检测(例如，参见非专利文献1。)。
虽然执行相干检测并计算相位的机制细分为两种类型：使用希尔伯特变换的基于软件的处理机制和使用90度光混合的基于硬件的处理机制，但不管是哪一种方法，均获取散射光的同相分量I(I，nT)和正交分量Q(I，nT)，并通过以下公式计算相位。
[数学式2]
但是，由于4象限反正切算子Arctan的输出值以弧度为单位在(-π,π]的范围内，m为任意整数，2mπ+θ(I，nT)在xy平面上均为同一个矢量方向，因此上述计算的θcal(I，nT)中仅存在2mπ的不确定性。
因此，作为θ(I，nT)的更准确的评估方法，进一步地进行相位展开等信号处理。在一般的相位展开中，若展开后的相位为
[数学式2-1]
p为任意整数，当
[数学式2-2]
大于π弧度时，选择一个合适的整数q，使
[数学式2-3]
为π弧度以下，并令展开后的相位为：
[数学式2-4]
计算下式。
[数学式3]
计算上式。此外，上标unwrap表示展开后的相位。
现有技术文件
非专利文献
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：西口宪一、李哲贤、古吉夸塔、横山光德、增田欣增《使用光纤的分布式声波传感器原型及其信号处理》信学技报、115(202),pp 29-34(2015)
非专利文献3：G.Yanget al.，"Long-Range Distributed Vibration SensingBased on Phase Extraction from Phase-Sensitive OTDR，"IEEE Photonics Journal，Vol.8，no.3，2016.
发明内容
发明要解决的问题
在DAS测量中，存在测量仪器的噪声，如用于检测光的PD的热噪声、其后的电气段的噪声、光的散粒噪声等。因此，测量仪器的噪声对测量的散射光的强度、相位也产生影响。
特别是在测量散射光的相位时，如果测量仪器的噪声的影响变大，不仅增加了相位的不确定性，且与没有噪声时的理想的相位值相比，获得大为不同的测量值的概率也变大。
例如，在相干检测的情况下，将同相分量设为横轴、正交分量设为纵轴时，对于测得的散射光矢量，在没有噪声时的矢量方向与要测量的相位对应，但如果噪声的影响大，则朝向与矢量方向相反的方向，且与没有噪声时的理想的相位值相比，实际测量的相位值相差约π弧度的概率变大。在这一点上，当根据式(1)计算振动幅度时，会导致误认为对光纤施加了很大的物理力。另外，当噪声的影响变大时，在式(3)所示的展开处理中，错误选择整数q的点增加，并且在错误的选择点的之前和之后产生实际上不存在的2π以上的相位值的差异。这种相位值的差异还导致在根据式(1)计算振动幅度时，误认为对光纤施加了大的物理力。
为了准确地测量相位，必须要减少测量仪器的噪声的影响。在可以认为测量仪器的噪声在每个点和每个时刻大致相同的情况下，散射光的强度本身变小时，则测量仪器噪声的影响变大。因此，如果可以在每个点和每个时刻增加散射光的强度，就可以减少测量仪器的噪声的影响。
散射光的强度变小的原因不仅是因为作为探测的脉冲光随着在被测光纤传播而产生的吸收和散射造成的损失。由于具有有限时间宽度的脉冲光入射至被测光纤并检测脉冲光的散射，因此被测光纤上细微分布的大量散射体对散射光产生了干涉。作为干涉的结果，与各个时刻的散射体在被测光纤的长度方向上的分布对应地，产生了散射光强度降低的点。这种现象被称为衰落(例如，参见非专利文献3。)。
因此，在DAS-P中测量散射光相位时，为了减少测量仪器的噪声的影响，有必要防止因衰落而在各时刻产生散射光强度降低的点成为一个问题。
作为解决该问题的手段，有简单地增加入射的光脉冲的峰值强度的方法。但是，当峰值强度增大时，会产生非线性效应，脉冲光的特性会随着被测光纤的传播而变化。因此，能够入射的光脉冲的峰值强度是有限制的，可能无法充分解决上述问题。
因此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供相位测量方法和信号处理装置，以在DAS-P中测量散射光相位时，能够在不增加入射光脉冲的峰值强度的情况下，减少测量仪器的噪声的影响。
解决问题所采取的手段
为了达成上述目的，本发明的相位测量方法和信号处理装置，将波长复用的脉冲光入射至被测光纤；将来自被测光纤的各个波长的散射光绘制在横轴为同相分量、纵轴为正交分量的二维平面上，生成散射光矢量；将生成的散射光矢量在被测光纤上的各点处基于每个波长进行旋转以匹配方向；将方向匹配的矢量彼此相加求平均值，生成新的矢量；使用生成的新的矢量的同相分量和正交分量的值计算相位。
具体地，本发明的第一相位测量方法，包括：
测量步骤，测量入射至被测光纤的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取步骤，在所述测量步骤中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；和，
运算步骤，对所述矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对所述矢量旋转步骤中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
另外，本发明的第一信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、入射至被测光纤的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取电路，用于在输入至所述输入单元的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲中波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
矢量旋转电路，用于在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；和，
运算电路，用于对所述矢量旋转电路旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对所述矢量旋转电路旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
本发明的第一相位测量方法和第一信号处理装置，使用不同的N个波长的入射光脉冲的散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量进行相位计算。本发明的相位测量方法和信号处理装置，利用了该二维矢量与波长无关但随时间(即振动)的旋转量相同。基准时刻的所有二维矢量在基准方向上对齐(各个二维矢量按每个波长的基准旋转量进行旋转)，相加求平均作为合成基准矢量。然后，其他时刻的所有二维矢量也分别以所述每个波长的基准旋转量进行旋转，相加求平均作为合成矢量。根据合成基准矢量和合成矢量形成的角度计算基准时刻和其他时刻之间产生的散射光的相位变化量。这样，通过对所有波长的二维矢量进行相加求平均来降低衰落的影响。
因此，本发明能提供相位测量方法和信号处理装置，在DAS-P中测量散射光的相位时，能够在不增加入射光脉冲的峰值强度的情况下，减少测量仪器的噪声的影响。
另外，本发明的第二相位测量方法，包括：
测量步骤，测量入射至被测光纤的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取步骤，在所述测量步骤中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
第一矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；
第一运算步骤，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均，计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；
第二矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，
第二运算步骤，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
另外，本发明的第二信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、入射至被测光纤的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取电路，用于在输入至所述输入单元的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲中波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
第一矢量旋转电路，用于在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；
第一运算电路，用于对所述第一矢量旋转电路旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对所述第一矢量旋转电路旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；
第二矢量旋转电路，用于在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算电路计算出的所述每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述第一运算电路计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，
第二运算电路，用于对所述第二矢量旋转电路旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对所述第二矢量旋转电路旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
本发明的第二相位测量方法和第二信号处理装置首先确定使基准波长的各时刻的测量矢量朝向基准方向(例如I轴)的、各时刻的旋转角度，并以该旋转角度来旋转其他波长的各个时刻的矢量。然后，将对于各个波长进行旋转后的各个时刻的矢量的时间平均而得到的时间平均矢量的角度，用作第一相位测量方法或者第一信号处理装置中描述的各个波长的矢量旋转角度。能够进一步减少噪声的影响。
发明效果
本发明提供了相位测量方法和信号处理装置，在DAS-P中测量散射光的相位时，能够在不增加入射光脉冲的峰值强度的情况下，减少测量仪器的噪声的影响。
附图说明
图1是说明具备本发明的信号处理装置的振动检测装置的图。
图2是说明本发明的信号处理装置的结构的图。
图3是说明本发明的相位测量方法的图。
图4是说明噪声引起的矢量所指位置的不确定性的图。
图5是说明噪声的有无引起的矢量的差异的图。
图6是说明本发明的相位测量方法的原理的图。
图7是说明本发明的相位测量方法的原理的图。
图8是说明本发明的相位测量方法的效果的图。
图9是说明本发明的信号处理装置的结构的图。
图10是说明本发明的相位测量方法的图。
具体实施方式
参考附图描述本发明的实施方式。以下描述的实施方式是本发明的实施例，本发明不限于以下实施方式。此外，在本说明书和附图中具有相同附图标记的部件表示彼此相同的部件。
(实施方式1)
图1是说明利用本实施方式的DAS-P检测振动的振动检测装置的图。本振动检测装置包括：测量仪器31，在接收系统中使用90度光混合器执行相干检测；和，信号处理装置17。
测量仪器31以如下的方式测量来自被测光纤6的散射光。CW光源1发出频率为f0的单一波长的连续光，经耦合器2分支为参考光和探测光。探测光被光调制器3整形为如光脉冲4的波长复用的光脉冲。光脉冲4由微脉冲4a排列构成；该微脉冲4a的频率为f0+fi(i为整数)，脉冲宽度p被设置为与在光纤长度方向的测量的空间分辨率对应的值W，i＝1，2，…，N(N为整数)。选择fi，以使各个时刻及各个点的散射光强度充分地分离至不同的i彼此可视为不相关的程度。
如果能够生成光脉冲4，则光调制器3的种类没有具体的指定，数量也可以为多个。例如，可以使用SSB调制器或频率可变的AO调制器等，也可以进一步通过SOA等进行强度调制，以增加脉冲化中的消光比。
光脉冲4经由循环器5入射至被测光纤6。在光纤6的长度方向上的各个点处散射的光作为后向散射光返回至循环器5，并入射至90度光混合器7的一个输入单元。由耦合器2分支的参考光入射至90度光混合器7的另一个输入单元。
90度光混合器7的内部结构可以是任意的，只要具有90度光混合器的功能即可。结构示例在图1中示出。后向散射光入射至50:50的分支比的耦合器8，两分支的散射光入射至50:50的分支比的耦合器12和50:50的耦合器11的输入单元。参考光入射至50:50的分支比的耦合器9，两分支的参考光之一入射至耦合器11的输入单元，另一个则被移相器10移相π/2后入射至耦合器12的输入单元。
耦合器11的两个输出由平衡检测器13检测，并且作为模拟同相分量Ianalog的电信号15被输出。耦合器12的两个输出由平衡检测器14检测，并且作为模拟正交分量Qanalog的电信号16被输出。
电信号15和电信号16被发送到信号处理装置17，该信号处理装置17包括可以不混叠地采样信号的频带的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，对于从AD转换功能元件17a和AD转换功能元件17b输出的数字化后的同相分量Idigital和正交分量Qdigital的信号，通过信号处理单元17c，将构成光脉冲4的每个频率f0+fi(i＝1，2，…，N)的脉冲引起的散射光所产生的信号进行分离。
即，信号处理单元17c将所有i相关的同相分量叠加的Idigital和所有i相关的正交分量叠加的Qdigital进行信号处理，将当每个频率f0+fi分量的脉冲独立地入射时获得的同相分量Ii measure和正交分量Qi measure进行分离。具体的信号处理方法可以使用任何可从Idigital和Qdigital正确地分离Ii measure和Qi measure的方法。例如，可以考虑将Idigital和Qdigital分别通过中心频率为f0+fi且通带为2/W的数字带通滤波器，并保证相位延迟，计算Ii measure和Qi measure的方法等。
另外，在上述方法中，虽然可以将模拟电信号的状态下的同相分量和正交分量进行AD转换并数字化后，分离成各个频率分量；但也可以将模拟电信号的状态下的同相分量和正交分量通过以通过模拟电滤波器分离成各个频率分量，然后进行AD转换等。
基于由信号处理单元17c获取Ii measure和Qi measure，由信号处理单元17d进行相位计算。图2是说明信号处理单元17d的结构的图。信号处理单元17d包括：
输入单元21，用于输入由测量仪器31测量的、入射至被测光纤6的波长复用的光脉冲4产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取电路22，用于在输入至输入单元21的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于在光脉冲4中波长复用的每个波长，获取任意时刻且在被测光纤6的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
矢量旋转电路23，用于在矢量获取电路22获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在矢量获取电路22获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；
运算电路24，用于对所述矢量旋转电路23旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对所述矢量旋转电路23旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
图3是说明本振动检测装置进行的相位测量方法的图。该相位测量方法包括：
测量步骤S01，测量入射至被测光纤6的波长复用的光脉冲4产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取步骤S02，在测量步骤S01中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于光脉冲4的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在被测光纤6的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
矢量旋转步骤S03，在矢量获取步骤S02中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在矢量获取步骤S02中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；和，
运算步骤S04，对矢量旋转步骤S03中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对矢量旋转步骤S03中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
首先，说明仅使用单一频率的同相分量Ii measure和正交分量Qi measure来计算相位的方法，并对相位计算时的衰落的影响进行说明。
对无噪声时的同相分量Ii(I，nT)施加噪声的测量值为Ii measure(I，nT)，对无噪声时的正交分量Qi(I，nT)施加噪声的测量值为Qi measure(I，nT)。也就是说，如果将分别叠加在同相分量和正交分量上的噪声设为NI和NQ，则它们可以用以下公式表示。
[数学式4]
[数学式5]
根据测量出的同相分量和正交分量，通过信号处理装置17，计算出相位：
[数学式6]
由于噪声NI和NQ存在，在同相分量为x轴，正交分量为y轴的xy平面上，矢量
(x，y)＝(Ii measure(I，nT)，Qi measure(I，nT))
指向的位置产生不确定性，且矢量指向的相位也产生不确定性。例如，在没有噪声时，在未对光纤施加振动的状态下，计算出的相位值θi cal(I，nT)对于每个I不随时间改变而取一定值。然而，当存在噪声时，即使光纤未施加振动，计算出的相位值θi cal(I，nT)对于每个I也会随时间变化。
图4是示出这种情况的图。若某个位置I0的矢量
(Ii measure(I0，nT)，Qi measure(I0，nT))
在xy平面上绘制，则在没有噪声的情况下，由矢量201指示的
(x，y)＝(Ii(I，nT)，Qi(I，nT))
总是恒定的，其角度202也不随时间变化。但是，由于实际上存在噪声，因此，各个时刻由同相分量和正交分量构成的矢量，如矢量203，与矢量201不同，其角度204也与角度202不同。因此，由实际测量值组成的矢量以矢量201为中心而分散。分散程度可以使用每个轴向测量值的标准偏差来评估。例如，在x轴方向，由于测量值的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。
在相干检测的情况下，由于参考光的强度足够大，因此散粒噪声占主导地位，噪声分布可以近似为正态分布。另外，由于入射至图1中的两个平衡检测器13和14的光强可以被视为相同程度，因此噪声NI和NQ的标准偏差也可以被认为相同，且不确定性为以矢量201为中心成圆形。
除了参考光的散粒噪声之外，PD的热噪声等噪声也不能忽视，例如，即使在不是相干检测而是实施直接检测的装置结构的情况下，由于两个平衡检测器13和14的噪声特性可视为相同，因此也可以认为不确定性是以矢量201为中心的圆形。
但是，在实施直接检测的装置结构中，需要考虑散射光的散粒噪声的情况等，不确定性的程度取决于散射光强度并因点而异，但是由于散射光强度小的点的不确定性主要受PD的热噪声等电气段以后的测量仪器的噪声的影响，因此对于以下说明的衰落现象所产生的影响，在实施直接检波的装置结构中也成立。
由于衰落现象，存在散射光强度降低的点。对于这些点，由于相位计算过程中的不确定性会增加，因此难以检测到微小的振动。特别地，当SN比小于1这样的无噪声时的散射光的振幅如图5的矢量206所示较小时，测量的矢量如矢量207所示，取与无噪声时的矢量206的值有较大差异的值的概率增加，导致了振动的误检测。另外，在这样的点上，即使进行后式(3)所示的展开处理，由于错误选择整数q的概率增加，因此导致误检出施加了特别大的振动。
已知，设散射光的强度的平均值为<P>，则针对单一波长进行实验时由于衰落引起的散射光强度P的偏差的分布D(P)满足以下的公式。
[数学式7]
如式所示，散射光强度P的偏差的分布D(P)随着散射光强度P减小而增大。因此，当试图通过增大单一波长的脉冲强度以减少散射光强度小的点时，由于需要非常大的峰值强度，因此考虑到诸如非线性效应等脉冲失真，会存在极限。
因此，如下所述，信号处理单元17d使用i＝1，2，…，N的N个不同的频率的同相分量Ii measure和正交分量Qi measure进行相位计算，以防止由于衰落引起的散射光强度小的点处的相位不确定性增加。
[测量步骤S01]
使用图1中描述的测量系统，测量入射至被测光纤6的波长复用的光脉冲4产生的散射光的同相分量和正交分量。
[矢量获取步骤S02]
在测量步骤S01中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于光脉冲4的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在被测光纤6的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量。
[矢量旋转步骤S03]
首先，根据时刻0时的测量值的矢量
(Ii measure(I，O)，Qi measure(I，O))计算相位θi cal(I，O)。随后，以与计算出的相位θi cal(I，O)相反方向的旋转量，将各个时刻的矢量(Ii measure(I，nT)，Qi measure(I，nT))进行旋转，如式(8)所示计算出各个时刻及各个点的新矢量。
[数学式8]
[矢量运算步骤S04]
然后，将各个波长相应的新计算出的矢量通过式(9)相加求平均，以计算出直接用于相位计算的矢量。
[数学式9]
最后，通过式(10)从矢量(Inew(I，nT)，Qnew(I，nT))计算出相位θcal(I，nT)。
[数学式10]
通过使用矢量(Inew(I，nT)，Qnew(I，nT))计算θcal(I，nT)，可以减少因衰落而引起的散射光强度减弱的点。下面描述其原理。
在i＝1，2，…，N的N个不同的频率下θi cal(I，nT)的值彼此不同。例如，若以N＝2为例，则i＝1和i＝2的时刻0无噪声时的矢量(Ii(I，O)，Qi(I，O))如图6的矢量301和矢量302那样，朝向和大小都不同。若由于振动，从时刻nT的入射端至距离I的点之前的光纤的净伸缩量与时刻0相比产生变化，则i＝1和i＝2的时刻nT中的矢量(Ii(I，nT)，Qi(I，nT))分别如图6的矢量303和矢量304那样变化。矢量303和矢量304的长度相对于矢量301和矢量302分别变化，其变化量在i＝1和i＝2时不同，但矢量303和矢量304的方向相对于矢量301和矢量302分别变化相同的量。
即，角度305和角度306相同，且该量对应于式(1)中的θ(I，nT)。当没有噪声时，通过式(8)，矢量301、矢量302、矢量303和矢量304分别如图7所示移动至矢量307、矢量308、矢量309和矢量310。即，每个时刻都对齐所有波长的矢量方向。
作为矢量307和矢量308的平均值(Inew(I，O)，Qnew(I，O))得到矢量311，作为矢量309和矢量310的平均值(Inew(I，nT)，Qnew(I，nT))得到矢量312。从时刻0至nT之间的相位变化量为角度313，与角度305、角度306相同。
在实际测量中，由于噪声，矢量301、矢量302、矢量303、矢量304、矢量311和矢量312的方向会存在不确定性，其结果是，角度305、角度306也伴随有不确定性。但是，通过使用相加求平均的矢量311和矢量312来计算角度313，可以减少不确定性。其理由有二。
一个理由是，因为与矢量307和矢量308的振幅的平方相对应的强度的概率分布独立地遵循式(7)。因此，与矢量311的振幅的平方相对应的强度的概率分布在理论上如图8的分布402那样，即使平均值本身相同，但在单一波长的情况下，也可以消除散射光强度因衰落而显著减小的点。为了比较，在图8中将仅一个波长的情况下的概率分布表示为分布401。
另一个理由是，因为在矢量311中，通过对矢量307和矢量308求平均，噪声水平相对于矢量301、矢量302变为
因此，即使矢量311的长度的平均值本身与矢量301、矢量302相同，也可以通过降低噪声水平来降低相位计算时的不确定性。这同样适用于矢量312。
这里对于N为两个频率的情况具体地描述本方案的效果，但它可以一般化。首先，随着多重数N的增加，散射光强度接近零的点的数量减少。分布403示出了N＝5时的情况，分布404示出了N＝10时的情况。另外，由于噪声水平的大小也是
倍，因此即使在相同的平均强度下，随着N的增加，相位计算时的不确定性也会降低。
另外，本实施例中说明的信号处理方法，与单纯地对不同i的θi cal(I，nT)求平均的方法(例如在N＝2的情况下计算相位305和相位306的平均的方法)并不相同。单纯地对不同i的θi cal(I，nT)求平均的方法中，由于θi cal(I，nT)本身是以单一波长计算的，因此，在由于衰落而引起的散射光强度较小的点，与没有噪声时相比，测量值大为不同。因此，无法减少振动误检的发生。虽然在相位平均化时可以减少没有噪声时的理想的相位值和测量值之间的差异，但是由于散射光强度本身变小的点随着波长而不同，因此该差异的发生频率增加。也就是说，单纯地对不同i的θi cal(I，nT)求平均，不能消除由于衰落而引起的散射光强度较小的点。
另外，为了便于说明，在式(9)的右边乘以1/N，但是即使不乘以1/N，在式(10)中计算的相位值也不会变化，所以在实际计算中也可以不乘以1/N。
(实施方式2)
在实施方式1中，已经描述了将式(8)的矢量旋转的旋转角设置为时刻0的θi cal(I，O)的示例。计算θi cal(I，O)时使用的同相分量和正交分量为(Ii measure(I，O)，Qi measure(I，O))，是包含噪声影响的矢量。因此，θi cal(I，O)也受噪声影响。如果，在时刻0，θi cal(I，O)的值与无噪声时θi(I，O)的值大为不同，则可能无法获得式(8)中的矢量旋转的效果。
通过图5说明。例如，假设在光纤长度方向上的某个点上且某个频率、在时刻0的散射光的矢量在没有噪声时为矢量206，由于噪声而变为矢量207。通过式(8)旋转矢量，然后通过式(9)对矢量进行相加求平均的运算，以获得减少矢量长度接近零的点(受衰落影响的点)的效果。但是，在该例子的情况下，由于以矢量207的角度作为基准来决定该频率的旋转角度，所以对于该频率不能得到该效果。
另外，当无法正确评估要测量的振动幅度时，也会出现旋转角度的错误。在图6中说明该情况。例如，若矢量301和303(波长1)以及矢量302和304(波长2)是没有噪声影响的矢量，则使不同波长的矢量一致的旋转角度不为零。但是，在作为基准的时刻0，由于噪声的影响，波长1和波长2的矢量的朝向在偶然相同的情况下，在实施方式1的方法中，波长2的矢量以旋转角度0，即保持不旋转的状态，与波长1的矢量相加求平均。即，将矢量301与矢量302(不旋转)相加求平均后的矢量作为时刻0的平均矢量，将矢量303与矢量304(不旋转)相加求平均后的矢量作为时刻nT的平均矢量。因此，从时刻0到时刻nT的平均矢量的角度变化与从矢量301到矢量303的角度变化、从矢量302到矢量304的角度变化不再一致，不能正确地捕捉相位变化。
在本实施方式中，将描述降低上述缺陷的发生频率的方法。
图9是说明本实施方式的振动检测装置的信号处理单元17d的结构的图。本实施方式的信号处理单元17d包括：
输入单元21，用于输入由测量仪器测量的、入射至被测光纤的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取电路22，用于在输入至输入单元21的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲中波长复用的每个波长，获取任意时刻且在被测光纤6的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
第一矢量旋转电路23-1，用于在矢量获取电路22获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在矢量获取电路22获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；
第一运算电路24-1，用于对第一矢量旋转电路23-1旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对第一矢量旋转电路23-1旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；
第二矢量旋转电路23-2，用于在矢量获取电路22获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转第一运算电路24-1计算出的所述每个波长的基准旋转量；在矢量获取电路22获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转第一运算电路24-1计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，
第二运算电路24-2，用于对第二矢量旋转电路23-2旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对第二矢量旋转电路23-2旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
图10是说明本振动检测装置执行的相位测量方法的图。该相位测量方法包括：
测量步骤S01，测量入射至被测光纤的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取步骤S02，在测量步骤S01中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
第一矢量旋转步骤S13，在矢量获取步骤S02中获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在矢量获取步骤S02中获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；
第一运算步骤S14，对第一矢量旋转步骤S13中旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对第一矢量旋转步骤S13中旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均，计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；
第二矢量旋转步骤S15，在矢量获取步骤S02获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算步骤S14计算出的所述每个波长的基准旋转量；在矢量获取步骤S02获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转第一运算步骤S14计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，
第二运算步骤S16，对第二矢量旋转步骤S15中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对第二矢量旋转步骤S15中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
输入单元21、矢量获取电路22、测量步骤S01和矢量获取步骤S02与实施方式1中描述的相同。
首先，第一矢量旋转电路23-1执行以下第一矢量旋转步骤S13。
将i＝1作为基准(基准波长)，对所有的i，计算以下公式。
[数学式11]
随后，第一运算电路23-1执行以下第一运算步骤S14。
将所有时刻的由式(11)获得的r’(I，nT)通过下式计算相加求平均。
[数学式12]
M是时刻方向的样本数。使用由式(12)获得的ri”(I)，计算下式。
[数学式13]
简要说明如下。
首先，对于基准波长i＝1，各时刻的矢量以朝向I轴的方式旋转。设旋转角度为θi＝1(t)。θi＝1(t)随时刻而变化。另外，将旋转后的矢量设为At。
接着，对于其他波长，将各个时刻的矢量以θi＝1(t)旋转。将每个波长的旋转后的矢量设为Bti。
接着，对于每个波长，对旋转后的矢量进行时间平均。关于基准波长的时间平均后的矢量设为∑At。关于其他波长的时间平均后的矢量设为∑Bti。
然后求出∑At与∑Bti形成的角度。该角度为式(13)式中的θi’(I)。θi’(I)对于其他每个波长均存在。
第二矢量旋转电路23-2执行的第二矢量旋转步骤S15以及第二运算电路24-2执行的第二运算步骤S16，除了以下几点外，分别与实施方式1中描述的矢量旋转步骤S03以及运算步骤S04相同。在计算式(8)时，用式(13)式中的θi’(I)代替θi cal(I，O)计算出矢量(Inew(I，nT)，Qnew(I，nT))，并用式(9)计算出相位。
说明本方法的意义。即使发生振动，在没有噪声的情况下，不同频率之间的矢量所形成的角度也不会变化。例如，以两个频率的情况为例，如果没有噪声的影响，则基准时刻的矢量301和矢量302所形成的角度与时间nT后的矢量303和矢量304所形成的角度相同。因此，在通过式(11)进行矢量的旋转之后，通过式(12)进行矢量相加求平均，基准时刻的相加求平均的矢量与时间nT后的相加求平均的矢量形成的角度为旋转角度θi’(I)。由此，可以使与各矢量相关联的噪声的大小为
因此，通过使M足够大，可以减少噪声的影响。
此外，本实施方式的方法与在各时刻求出不同频率之间的矢量的相位差之后，通过平均所有时刻的相位差来求出旋转角度的方法(以下记载为比较方法)不同。本实施方式的方法在预先使所有波长的矢量以波长1的旋转角度旋转这一点上不同。例如，在两个频率的情况下，比较方法仅计算矢量302和矢量301的角度差以及矢量303和矢量302的角度差，并求出作为其平均值的旋转角度。在比较方法中，由于各个时刻的相位差的计算值与没有无噪声时的计算值大不相同的点(被测光纤的测量位置)的发生概率不变，因此通过式(8)的旋转效果是不充分的。
另外，为了便于说明，在式(12)的右边乘以1/M，但是即使不乘以1/M，在式(13)中计算的旋转角度也不会变化，所以在实际计算中也可以不乘以1/M。
与第一实施方式的方法相比，第二实施方式的方法增加了计算时间，但与第一实施方式相比可以降低最终相位计算的不确定性。
此外，本发明不限于上述实施方式，在实施阶段，可以在不脱离其要旨的范围内对构成要素进行变更而具体化。
[附记]
下面描述本实施方式的信号处理方法。
(1)：本信号处理方法的特征在于：
存在用于测量从被测光纤散射的散射光的相位的相位OTDR的装置，在所述装置中的入射光被波长多路复用的装置结构中，将每个波长的散射光绘制在横轴为同相分量、纵轴为正交分量的二维平面上，生成散射光矢量；将生成的散射光矢量在被测光纤上的各个点处基于每个波长进行旋转以匹配方向；将方向匹配的矢量彼此相加求平均值，生成新的矢量；使用生成的新的矢量的同相分量和正交分量的值计算相位，从而进行高灵敏度的相位测量。
(2)：上述(1)中记载的信号处理方法是：
在使被测光纤上的各个点的散射光矢量基于每个波长进行旋转的步骤中，通过将散射光矢量在各个点的各个时刻的散射光矢量旋转来使朝向一致，并根据对朝向一致的矢量进行相加求平均而生成的矢量来进行计算每个波长的旋转量。
(3)：利用上述信号处理方法的测定装置，包括：
输出连续光的激光光源，将来自激光光源的连续光分支为参照光和探测光的元件，使探测光的频率多路复用的元件，使探测光入射至作为被测量对象的光纤的元件，和，输入作为所述被测对象的光纤的探测光的后向散射光和所述参考光，并输出后向散射光的同相分量和正交分量的元件；使用输出的同相分量和正交分量来执行上述信号处理方法。
产业上利用的可能性
本发明可以适用于采用DAS-P的振动检测装置。由于该振动检测装置能够正确地测量振动，因此能够正确地实施结构传测中的结构物的状态把握、入侵者检测中的入侵的有无判断等。
附图标记说明
1：光源
2：耦合器
3：光调制器
4：光脉冲
4a：微脉冲
5：循环器
6：被测光纤
7：90度光混合器
8、9：耦合器
10：移相器
11、12：耦合器
13、14：平衡检测器
15：模拟同相分量的电信号
16：模拟正交分量的电信号
17：信号处理装置
17a、17b：AD转换元件
17c、17d：信号处理单元
21：输入单元
22：矢量获取电路
23：矢量旋转电路
24：运算电路
23-1：第一矢量旋转电路
23-2：第二矢量旋转电路
24-1：第一运算电路
24-2：第二运算电路
31：测量仪器
Claims (4)
1.相位测量方法，包括：
测量步骤，测量入射至被测光纤上的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取步骤，在所述测量步骤中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；和，
运算步骤，对所述矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对所述矢量旋转步骤中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
2.相位测量方法，包括：
测量步骤，测量入射至被测光纤上的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取步骤，在所述测量步骤中测量出的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲的波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
第一矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；
第一运算步骤，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对所述第一矢量旋转步骤中旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均，计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；
第二矢量旋转步骤，在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取步骤中获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述第一运算步骤计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，
第二运算步骤，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对所述第二矢量旋转步骤中旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
3.信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、入射至被测光纤上的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取电路，用于在输入至所述输入单元的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲中波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
矢量旋转电路，用于在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个波长的基准旋转量；和，
运算电路，用于对所述矢量旋转电路旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成基准矢量，对所述矢量旋转电路旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算合成矢量，根据所述合成基准矢量和所述合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
4.信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、入射至被测光纤上的波长复用的光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
矢量获取电路，用于在输入至所述输入单元的所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述光脉冲中波长复用的每个波长，获取任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的由同相分量和正交分量构成的二维矢量；
第一矢量旋转电路，用于在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将基准波长的各个时刻的所述二维矢量，以该二维矢量各自朝向基准方向的方式，仅旋转每个时刻的基准旋转量；在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将与所述基准波长不同的其他波长的各个时刻的所述二维矢量，分别仅旋转所述每个时刻的基准旋转量；
第一运算电路，用于对所述第一矢量旋转电路旋转后的所述基准波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算第一合成基准矢量，对所述第一矢量旋转电路旋转后的所述其他波长的各个时刻的所述二维矢量相加求平均来计算每个波长的第一合成矢量；根据所述第一合成基准矢量和所述第一合成矢量形成的角度计算每个波长的基准旋转量；
第二矢量旋转电路，用于在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将基准时刻的各个波长的所述二维矢量，仅旋转所述第一运算电路计算出的所述每个波长的基准旋转量；在所述矢量获取电路获取的所述二维矢量中，将与所述基准时刻不同的其他时刻的各个波长的所述二维矢量，分别仅旋转所述第一运算电路计算出的所述每个波长的基准旋转量；和，
第二运算电路，用于对所述第二矢量旋转电路旋转后的所述基准时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成基准矢量，对所述第二矢量旋转电路旋转后的所述其他时刻的各个波长的所述二维矢量相加求平均来计算第二合成矢量，根据所述第二合成基准矢量和所述第二合成矢量形成的角度计算所述散射光的相位变化量。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220155139A1 (en) * | 2019-04-03 | 2022-05-19 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Phase measurement method and signal processing device |
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|---|---|---|---|---|
| CN113517922B (zh) * | 2020-04-09 | 2022-09-02 | 华为技术有限公司 | 一种信号检测方法和光时域反射仪 |
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| US20230095884A1 (en) * | 2021-09-30 | 2023-03-30 | Halliburton Energy Services, Inc. | Detecting out-of-band signals in a wellbore using distributed acoustic sensing |
| JPWO2023119626A1 (zh) * | 2021-12-24 | 2023-06-29 | ||
| WO2024028939A1 (ja) * | 2022-08-01 | 2024-02-08 | 日本電信電話株式会社 | 光線路試験装置及び光線路試験方法 |
| WO2024028936A1 (ja) * | 2022-08-01 | 2024-02-08 | 日本電信電話株式会社 | 光線路試験装置及び光線路試験方法 |
| WO2024057462A1 (ja) * | 2022-09-14 | 2024-03-21 | 日本電信電話株式会社 | 位相ｏｔｄｒにおける信号処理方法 |
| WO2024166298A1 (ja) * | 2023-02-09 | 2024-08-15 | 日本電信電話株式会社 | 位相ｏｔｄｒにおける信号処理方法 |
| WO2024195025A1 (ja) * | 2023-03-22 | 2024-09-26 | 日本電信電話株式会社 | 位相ｏｔｄｒにおける信号処理方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102128621A (zh) * | 2010-12-23 | 2011-07-20 | 北京大学 | 用于多维矢量测量的干涉式光纤陀螺仪 |
| US20120067118A1 (en) * | 2010-09-01 | 2012-03-22 | Schlumberger Technology Corporation | Distributed fiber optic sensor system with improved linearity |
| CN104180832A (zh) * | 2013-05-24 | 2014-12-03 | 无锡万润光子技术有限公司 | 基于四芯光纤的分布式正交矢量扰动传感系统 |
| JP2014228277A (ja) * | 2013-05-17 | 2014-12-08 | 小関 健 | 光ファイバの偏波モード分散測定装置および測定方法 |
| CN104279959A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-01-14 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种采用矢量网络分析仪精确测量光纤长度的新方法 |
| CN105571507A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-05-11 | 华北电力大学（保定） | 一种单端矢量botda动态应变测量的方法及其测量装置 |
| US20170211970A1 (en) * | 2016-01-22 | 2017-07-27 | Nec Laboratories America, Inc. | Method to increase the signal to noise ratio of distributed acoustic sensing by spatial averaging |
| CN107402029A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-11-28 | 电子科技大学 | 利用正交信号提高分布式光纤传感测量速度的方法及系统 |
| CN109073359A (zh) * | 2016-04-14 | 2018-12-21 | 日本电气株式会社 | 光纤传感器和光纤传感器系统 |
| CN109211289A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-01-15 | 华南师范大学 | 基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置 |
| WO2019018894A1 (en) * | 2017-07-26 | 2019-01-31 | Terra15 Pty Ltd | DISTRIBUTED OPTICAL DETECTION SYSTEMS AND METHODS |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106537094B (zh) | 2014-04-28 | 2019-08-30 | 光电普兰公司 | 干涉式光纤传感器系统和询问方法 |
| IL243731B (en) | 2016-01-23 | 2021-01-31 | Dsit Solutions Ltd | Optical reflectometry in the frequency plane by non-linear frequency scanning |
| GB2558922A (en) | 2017-01-20 | 2018-07-25 | Focus Sensors Ltd | Distributed acoustic sensing |
| JP7111045B2 (ja) * | 2019-04-03 | 2022-08-02 | 日本電信電話株式会社 | 位相測定方法及び信号処理装置 |
| JP7173313B2 (ja) * | 2019-05-21 | 2022-11-16 | 日本電信電話株式会社 | 位相測定方法及び信号処理装置 |
| US20230175884A1 (en) * | 2019-10-17 | 2023-06-08 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical pulse test method and optical pulse test equipment |
-
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Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120067118A1 (en) * | 2010-09-01 | 2012-03-22 | Schlumberger Technology Corporation | Distributed fiber optic sensor system with improved linearity |
| CN102128621A (zh) * | 2010-12-23 | 2011-07-20 | 北京大学 | 用于多维矢量测量的干涉式光纤陀螺仪 |
| JP2014228277A (ja) * | 2013-05-17 | 2014-12-08 | 小関 健 | 光ファイバの偏波モード分散測定装置および測定方法 |
| CN104180832A (zh) * | 2013-05-24 | 2014-12-03 | 无锡万润光子技术有限公司 | 基于四芯光纤的分布式正交矢量扰动传感系统 |
| CN104279959A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-01-14 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种采用矢量网络分析仪精确测量光纤长度的新方法 |
| CN105571507A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-05-11 | 华北电力大学（保定） | 一种单端矢量botda动态应变测量的方法及其测量装置 |
| US20170211970A1 (en) * | 2016-01-22 | 2017-07-27 | Nec Laboratories America, Inc. | Method to increase the signal to noise ratio of distributed acoustic sensing by spatial averaging |
| CN109073359A (zh) * | 2016-04-14 | 2018-12-21 | 日本电气株式会社 | 光纤传感器和光纤传感器系统 |
| WO2019018894A1 (en) * | 2017-07-26 | 2019-01-31 | Terra15 Pty Ltd | DISTRIBUTED OPTICAL DETECTION SYSTEMS AND METHODS |
| CN107402029A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-11-28 | 电子科技大学 | 利用正交信号提高分布式光纤传感测量速度的方法及系统 |
| CN109211289A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-01-15 | 华南师范大学 | 基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220155139A1 (en) * | 2019-04-03 | 2022-05-19 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Phase measurement method and signal processing device |
| US11867555B2 (en) * | 2019-04-03 | 2024-01-09 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Phase measurement method and signal processing device |
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