CN113852416B - 具有衰落噪声识别消除的相位解调方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有衰落噪声识别消除的相位解调方法及装置，其中相位解调方法包括：通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号与本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号；获取拍频信号中的光电流信号；将光电流信号处理为正交的两路信号；将上步得到的两路信号分别分为成两路，一路倍频信号，一路零频信号；根据四路信号解调出待测信息。零频信号和倍频信号可以对比判断出衰落点并消除，通过双频同步相位解调还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。

Description

具有衰落噪声识别消除的相位解调方法及装置
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体是一种信号的相位解调方法。
背景技术
分布式光纤传感技术由于体积小、结构简单、灵敏度高、耐腐蚀耐高温、抗电磁干扰等优点，已成为目前光纤传感应用领域国内外的研究热点。其中，相位敏感光时域反射计即-OTDR系统，作为一种新型分布式光纤振动及声传感技术，凭借结构简单、灵敏度高、实时性好、动态范围广、响应速度快等特点，在长距离周界安防、油气管线安全状况监测、大型结构健康监测等领域发挥出十分重要的作用。
-OTDR系统利用背向瑞利散射光相位的变化来实现扰动信号的传感，通过分析光纤中背向散射光信号的强度和相位沿时间轴的分布曲线来实现传感光纤沿线的应变、振动等扰动信号的分布式监测，通过对相位信号分析可获得外界振动信号频率、强度等信息。然而，由于现有/>-OTDR系统基本采用窄线宽的激光光源，产生干涉衰落及偏振衰落，在衰落处信号幅度接近于零，基本淹没在噪声中，导致相位解调会产生较大的噪声与误差，直接影响/>-OTDR系统工作的可靠性及其对振动识别的准确性。由于衰落发生位置的随机性导致对衰落噪声难以直接识别，而目前常用的相位解调方法主要是基于相位生成载波、基于3×3耦合器构造的相位解调、正交解调等在内的硬件相位解调方案，均难以直接实现对衰落噪声的识别和消除，且其技术方案较为复杂，系统价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种零频正交与倍频相干结合的相位解调方法及装置。用于相位敏感型光时域反射仪系统相干光电信号相位解调分析和以及对衰落跳点噪声识别，能够实现对相位敏感型光时域反射仪系统相位数字化解调并可有效识别消除相干衰落噪声，从而实现分布式光纤振动传感信号实时低噪声解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。其优点是能通过零频和倍频得到两组相位数据，从而不仅可以对比判断出衰落点并消除，还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种具有衰落噪声识别消除的相位解调方法，，包括：
步骤1、通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号与本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号；
步骤2、获取拍频信号中的光电流信号；
步骤3、将光电流信号处理为正交的两路信号；
步骤4、将步骤3中得到的两路信号分别分为成两路，一路倍频信号，一路零频信号：
步骤5、根据四路信号解调出待测信息。
本发明还提供了一种相位解调装置，包括窄线宽半导体激光光源、第一光纤耦合器、声光调制器、信号发生器、第一光纤放大器、第一滤波器、环形器、第二光纤放大器、第二滤波器、第二光纤耦合器、光电探测器、正交信号混频器、第一功分滤波模块、第二功分滤波模块、四通道数据采集卡以及相位解调单元；所述窄线宽半导体激光光源的输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器的第一输出端连接声光调制器输入端，声光调制器输出端连接第一光纤放大器输入端，第一光纤放大器输出端连接第一滤波器输入端，第一滤波器输出端连接环形器输入端，环形器反射端连接传感光纤，环形器输出端连接第二光纤放大器输入端，第二光纤放大器输出端连接第二滤波器输入端，第二滤波器输出端连接第二光纤耦合器第一输入端，第二光纤耦合器第二输入端连接第一耦合器第二输出端，第二耦合器的两个输出端连接双平衡光电探测器的两个输入端，双平衡光电探测器的第一输出端连接四通道数据采集卡，双平衡光电探测器的第二输出端连接正交信号混频器输入端，正交信号混频器第一输出端连接第一功分滤波模块输入端，第一功分滤波模块第一、第二输出端连接四通道数据采集卡，正交信号混频器第二输出端连接第二功分滤波模块输入端，第二功分滤波模块第一、第二输出端连接四通道数据采集卡，四通道数据采集卡输出端连接相位解调单元。
本发明提供的一种相位解调装置，基于零频正交与倍频相干结合的相位解调及衰落噪声识别消除，能够实现对相位敏感型光时域反射仪系统相位数字化解调并可有效识别消除相干衰落噪声，从而实现分布式光纤振动传感信号实时低噪声解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。平衡探测器探测到的拍频信号经过正交信号混频器生成两路含有零频和倍频的信号，两路信号分别进入第一功分滤波模块和第二功分滤波模块，将零频和倍频信号分离，最终形成两路零频正交信号和两路倍频信号。对于两路零频正交信号进行反正切变换并相位提取；对于另外两路倍频信号不同脉冲之间三角函数交叉乘积去除基频项，再进行反正切变换并相位提取。利用零频正交信号和倍频信号得到了两组相位，对比分析这两组信号，识别消除相干衰落，通过双频相位同步解调还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。
本发明的技术方案是利用从待测光纤返回的瑞利散射光和从光源分出本地光进行混合拍频。信号经过平衡探测器后会被滤除直流成分留下包含相位信息的交流成分。平衡探测器后经过正交信号混频器，经过正交信号混频器的两路信号分别 和 随后两路信号分别经过第一功分滤波模块、第二功分滤波模块分为四路即 四路信号接着采集模块对信号进行模数转换并送入信号处理模块利用算法解调出待测信息。对于倍频信号，本算法先用数字脉冲信号交叉乘积去除信号中基频，从而变成了两路只包含/>的正交信号。接下来用反正切变换，提取相位信号。对于零频正交信号，用反正切变换，提取相位信号。随即利用零频正交信号和倍频信号得到两组相位，对比分析这两组信号，识别消除相干衰落，通过双频相位解调还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。
拍频信号的产生：在第n个脉冲内后向瑞利散射光信号的光场分布可以表示为：
式中，ESn(t)为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的实时强度；ESn为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；是干涉场的相位；
如果t时刻接收到的后向瑞利散射信号受到振动的影响，则：
式中是振动引起的相位变化。
在第n个脉冲内第一耦合器的第二路输出端的本振光可以表示为：
式中ELn(t)为在第n个脉冲内本振光的实时强度；ELn为在第n个脉冲内本振光的振幅；为本振光的初始相位。
在第n个脉冲内这两路光分别在第二耦合器处汇合并发生相干干涉，产生拍频信号：
式中四部分：ELn(t)2、ESn(t)2两部分可看作直流分量被去除，由于平衡探测器(BPD)对共模信号的抑制，和频项： 其频率超过了双平衡光电探测器的频率响应范围而被滤除，仅留差频项，因此在第n个脉冲内双平衡光电探测器输出的光电流信号为：
平衡探测器探测到的拍频信号经过正交信号混频器，经过正交信号混频器的两路信号分别为：
随后两路信号分别经过第一功分滤波模块、第二功分滤波模块分为四路即：
四路信号接着采集模块对信号进行模数转换并送入信号处理模块利用算法解调出待测信息。
对于倍频信号，本算法先用数字脉冲信号交叉乘积去除信号中基频，从而变成了两路只包含的正交信号。接下来用反正切变换，提取相位信号。对于零频正交信号，用反正切变换，提取相位信号。随即利用零频正交信号和倍频信号得到两组相位，对比分析这两组信号，识别消除相干衰落，通过双频相位解调还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。
对于倍频信号，本算法先用数字脉冲信号交叉乘积去除信号中基频，其特征在于，步骤：利用三角函数关系，通过数字算法，在去除信号中基频。
所述步骤中，对于倍频信号而言获取只包含的正交信号的方法：不同脉冲光纤同一位置信号相乘，即：
式中下标n和n+1分别表示第n个脉冲和第n+1个脉冲，是干涉场的相位，为本振光的初始相位，在t时刻和t2时刻是不同脉冲光纤同一位置信号，这两个相对的时间是不变的，频率也是不变的，2πv1t＝2πv1t2，相位是不一样的，/>
最后进行反正切变换，提取相位信号。
对四路信号分别两两进行反正切变换提取相位。对于倍频信号而言，先将上述步骤中两式相除得到：
对于零频信号而言，将 两式相除得到：
式中是光纤不同位置的相位。
在此基础上，通过脉冲间相位差分，得到相位差这样就利用了零频信号和倍频信号得到两组相位，对比分析这两组信号，若零频信号和倍频信号显示出相似的干涉衰落波形且同时出现跳点，则此位置不是衰落点；若零频信号和倍频信号有不同的衰落波形且一个出现跳点另一个没有出现跳点，则此位置是衰落点，从而可以对比判断出衰落点并消除，通过双频同步相位解调还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。
附图说明
图1是本发明的一种具体结构示意图。
图2是本发明算法的流程示意图。
图3是本发明的实施示例对比分析由零频和倍频信号得到的两组相位信号图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一：
下面结合图1具体说明本实施例。
本实施例提供一种相位解调装置，包括，窄线宽半导体激光光源1、第一耦合器2、声光调制器3、第一掺铒光纤放大器4、第一滤波器5、环形器6、传感光纤7、第二掺铒光纤放大器8、第二滤波器9、第二光纤耦合器10、光电探测器11、正交信号混频器1、第一功分滤波模块13、第二功分滤波模块14、四通道数据采集卡15、相位解调单元16和电脑设备17。
窄线宽半导体激光光源1发出的光进入第一耦合器2后分为两路(一路本地光，另一路探测光)，一路探测光直接进入声光调制器3进行脉冲调制并且产生基频Δf，依次经过第一掺铒光纤放大器4、第一滤波器5、环形器6后进入传感光纤7生成背向瑞利散射光并向回传输经环形器进入到第二掺铒光纤放大器8、第二滤波器9、第二光纤耦合器10，另一路光进入第二耦合器10后进入光电探测器11，本地光、探测光在双平衡光电探测器11中拍频干涉，再进入正交信号混频器12，正交信号混频器12生成两路信号，每一路信号均含有零频和倍频信号，两路信号分别进入第一功分滤波模块13和第二功分滤波模块14，将零频和倍频信号分离，最终形成两路零频正交信号和两路倍频信号，四路信号进入四通道数据采集卡15，四通道数据采集卡15采集的数字信号进入相位解调单元16和电脑设备17。
窄线宽激光器1所发射光信号经过第一耦合器后分成两路传输，其中一路光进入声光调制器3被调制成脉冲光经过第一掺铒光纤放大器4放大信号并产生ASE噪声，再经过第一带通滤波器5滤除由放大器放大带来的ASE噪声，信号光再由环形器6进入到受到外界振动的传感光纤7中，在传感光纤7上传播时会在光纤上各点生成背向瑞利散射光并向回传输经环形器进入到第二掺铒光纤放大器8再次放大再次产生ASE噪声，再经过第二滤波器9再次滤波、然后再进入到第二光纤耦合器10耦合器中。另一路10％的光作为本地光进入到1∶1第二光纤耦合器10中与后向散射光发生干涉混频，拍频过后生成的含有差分相位的差频项的信号最后被探测器11从光信号转换成电信号，电信号进入正交信号混频器12进行正交解调，正交信号混频器12生成两路信号一路进入第一功分滤波模块13分为两路，即 正交信号混频器12另一路信号进入第二功分滤波模块14再分为两路，即 最后四路信号进入四通道数据采集卡15，四通道数据采集卡15采集的数字信号进入相位解调单元16和电脑设备17。如图3所示，对比分析由零频和倍频信号得到的两组相位信号，若零频信号和倍频信号显示出相似的干涉衰落波形且同时出现跳点，则此位置不是衰落点；若零频信号和倍频信号有不同的衰落波形且一个出现跳点另一个没有出现跳点，则此位置是衰落点，从而可以对比判断出衰落点并消除，还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。
实施例二：
本实施例提供一种相位解调方法，参照图2，具体步骤如下：
步骤1、产生拍频信号，步骤包括：
步骤11、通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号，在第n个脉冲内后向瑞利散射光信号的光场分布表示为：
式中，ESn(t)为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的实时强度；ESn为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；是干涉场的相位；
如果t时刻接收到的后向瑞利散射信号受到振动的影响，则：
式中，是振动引起的相位变化。
步骤12、在第n个脉冲内使后向瑞利散射光信号和本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号：
式中，下标n表示第n个脉冲，ELn(t)为在第n个脉冲内本振光的实时强度；ELn为在第n个脉冲内本振光的振幅；ESn(t)为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的实时强度；ESn为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；是干涉场的相位；/>为本振光的初始相位；/>是振动引起的相位变化。
步骤2、在第n个脉冲内获取的拍频信号中的光电流信号为：
式中，ILn(t)为在第n个脉冲内拍频信号中的光电流信号。
步骤3、在第n个脉冲内将光电流信号处理为正交的两路信号为：
步骤4、将信号I1分为成两路：
将信号Q1n分为成两路：
步骤5、根据四路信号解调出待测信息，步骤包括：
步骤51、对于倍频信号，用数字脉冲信号交叉乘积去除基频。
对于倍频信号，用数字脉冲信号交叉乘积去除基频的方法：不同脉冲光纤同一位置信号相乘，即：
其中，/>
步骤52、反正切变换提取相位。
对于倍频信号而言，先将上述步骤中两式相除得到：
对于零频信号，用反正切变换，提取相位信号。
对于零频信号而言，将 两式相除得到：
式中是光纤不同位置的相位。
步骤53、对比分析零频信号和倍频信号得到的两组相位信号。如图3，若零频信号和倍频信号显示出相似的干涉衰落波形且同时出现跳点，则此位置不是衰落点；若零频信号和倍频信号有不同的衰落波形且一个出现跳点另一个没有出现跳点，则此位置是衰落点，从而可以对比判断出衰落点并消除，还可有效增加信号样本数量，有效克服累加平均降噪及测量频率之间固有矛盾，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。

Claims (4)

1.一种具有衰落噪声识别消除的相位解调方法，其特征在于，包括：
步骤1、通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号与本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号；
步骤2、获取拍频信号中的光电流信号；
步骤3、将光电流信号处理为正交的两路信号；
步骤4、将步骤3中得到的两路信号分别分为成两路，一路倍频信号，一路零频信号：
步骤5、根据四路信号解调出待测信息；
在第n个脉冲内产生的拍频信号为：
式中，下标n表示第n个脉冲，ELn(t)为在第n个脉冲内本振光的实时强度；ELn为在第n个脉冲内本振光的振幅；ESn(t)为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的实时强度；ESn为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；是干涉场的相位；/>为本振光的初始相位；/>是振动引起的相位变化；
在第n个脉冲内获取的拍频信号中的光电流信号为：
式中，ILn(t)为在第n个脉冲内拍频信号中的光电流信号；
步骤3中，在第n个脉冲内将光电流信号处理为正交的两路信号为：
步骤4中，将信号I1n分为成两路：
将信号Q1n分为成两路：
步骤5中，根据四路信号解调出待测信息的步骤包括：
步骤51、对于倍频信号，用数字脉冲信号交叉乘积去除基频：不同脉冲光纤同一位置信号相乘，即：
式中，下标n和n+1分别表示第n个脉冲和第n+1个脉冲，是干涉场的相位，/>为本振光的初始相位，在t时刻和t2时刻是不同脉冲光纤同一位置信号，这两个相对的时间是不变的，频率也是不变的，2πv1t＝2πv1t2，相位是不一样的,/>
步骤52、对于倍频信号，反正切变换提取相位：先将上述步骤中两式相除得到：
对于零频信号，用反正切变换，提取相位信号：
将两式相除得到：
式中，是光纤不同位置的相位；
步骤53、判断衰落点：对比分析零频信号和倍频信号得到的两组相位信号；若零频信号和倍频信号显示出相似的干涉衰落波形且同时出现跳点，则此位置不是衰落点；若零频信号和倍频信号有不同的衰落波形且一个出现跳点另一个没有出现跳点，则此位置是衰落点，从而对比判断出衰落点并消除。
2.根据权利要求1所述的相位解调方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤11、通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号，在第n个脉冲内后向瑞利散射光信号的光场分布表示为：
式中，ESn(t)为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的实时强度；ESn为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；是干涉场的相位；
如果t时刻接收到的后向瑞利散射信号受到振动的影响，则：
式中，是振动引起的相位变化；
步骤12、在第n个脉冲内使后向瑞利散射光信号和本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号：
式中，下标n表示第n个脉冲，ELn(t)为在第n个脉冲内本振光的实时强度；ELn为在第n个脉冲内本振光的振幅；ESn(t)为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的实时强度；ESn为在第n个脉冲内瑞利后向散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；是干涉场的相位；/>为本振光的初始相位；/>是振动引起的相位变化。
3.一种相位解调装置，其特征在于，包括：窄线宽半导体激光光源、第一耦合器、声光调制器、第一光纤放大器、第一滤波器、环形器、传感光纤、第二光纤放大器、第二滤波器、第二光纤耦合器、光电探测器、正交信号混频器、第一功分滤波模块、第二功分滤波模块、四通道数据采集卡及相位解调单元；所述窄线宽半导体激光光源的输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器的第一输出端连接声光调制器输入端，声光调制器输出端连接第一光纤放大器输入端，第一光纤放大器输出端连接第一滤波器输入端，第一滤波器输出端连接环形器输入端，环形器反射端连接传感光纤，环形器输出端连接第二光纤放大器输入端，第二光纤放大器输出端连接第二滤波器输入端，第二滤波器输出端连接第二光纤耦合器第一输入端，第二光纤耦合器第二输入端连接第一耦合器第二输出端，第二耦合器的两个输出端连接双平衡光电探测器的两个输入端，双平衡光电探测器的第一输出端连接四通道数据采集卡，双平衡光电探测器的第二输出端连接正交信号混频器输入端，正交信号混频器第一输出端连接第一功分滤波模块输入端，第一功分滤波模块第一、第二输出端连接四通道数据采集卡，正交信号混频器第二输出端连接第二功分滤波模块输入端，第二功分滤波模块第一、第二输出端连接四通道数据采集卡，四通道数据采集卡输出端连接相位解调单元。
4.根据权利要求3所述的相位解调装置，其特征在于，窄线宽半导体激光光源发出的光进入第一耦合器后分为一路本地光和一路探测光；一路探测光直接进入声光调制器进行脉冲调制并且产生基频Δf，依次经过第一光纤放大器、第一滤波器、环形器后进入传感光纤生成背向瑞利散射光并向回传输经环形器进入到第二光纤放大器、第二滤波器、第二光纤耦合器，另一路本地光进入第二耦合器后进入光电探测器；本地光、探测光在双平衡光电探测器中拍频干涉，再进入正交信号混频器，正交信号混频器生成两路信号，每一路信号均含有零频和倍频信号，两路信号分别进入第一功分滤波模块和第二功分滤波模块，将零频和倍频信号分离，最终形成两路零频正交信号和两路倍频信号，四路信号进入四通道数据采集卡，四通道数据采集卡采集的数字信号进入相位解调单元进行相位解调。
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基于IQ解调的相位敏感OTDR的研究;贺梦婷;庞拂飞;梅烜玮;王廷云;;光通信技术(09);全文 *

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