CN114008433A - 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

相位测量方法及信号处理装置
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，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。
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。
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]
(振动幅度)∝δθ(l，nT)-δθ(l，0)
＝[θ(l+δl，nT)-θ(l，nT)]-[θ(l+δl，0)-θ(l，0)] (1)
＝[θ(l+δl，nT)-θ(l+δl，0)]-[θ(l，nT)-θ(l，0)]
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。
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]
Figure BDA0003359813740000021
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]
Figure BDA0003359813740000022
p为任意整数，当
[数学式2-2]
Figure BDA0003359813740000023
大于π弧度时，选择一个合适的整数q，使
[数学式2-3]
Figure BDA0003359813740000024
为π弧度以下，并令展开后的相位为：
[数学式2-4]
Figure BDA0003359813740000025
计算下式。
[数学式3]
Figure BDA0003359813740000031
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：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1。)。
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，将波长复用的光脉冲入射至被测光纤；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。此时，当光脉冲复用N个波长时，仅使用散射光强度最大的p个波长进行相位计算。
具体地，本发明的第一相位测量方法，包括：
测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
选取步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤中选取的p个波长中的每个波长，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、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
选取电路，用于将输入至所述输入单元的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
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，对于所述选取电路选取的p个波长中的每个波长，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。
另外，本发明的第二相位测量方法，包括：
测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
选取步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤中选取的p个波长中的每个波长，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、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
选取电路，用于将输入至所述输入单元的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
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，对于所述选取电路选取的p个波长中的每个波长，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l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。
此外，本发明的特征在于，不使用光脉冲复用的所有波长来执行相位计算，而是使用散射光强度最大的前p个的波长进行相位计算。与光纤的位置和时刻无关，只要使p的值相等，则仅基于散射光强度重新排列波长即可，因此不需要计算不确定度，可以缩短计算时间。并且，通过相对N的值如上所述设定p的值，即使与后述的不确定度最小的相位计算方法相比，作为所有点的统计平均值，也能够以大致相同的不确定度进行相位计算。
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。
此外，可以如下确定所述预定数量p。
测量任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的波长i的所述散射光的强度Pi的分布D(Pi)，以及，测量在获取所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量时的噪声电平Noise；
在计算机上随机产生X(X是任意正整数)个所述长度|r(x，i)|(x＝1，···，X)，使得波长i的散射光的二维矢量的长度|r(x，i)|的平方值遵循分布D(Pi)；
将所述长度|r(x，i)|按降序排列，计算最大的前p’个所述长度|r(x，i)|的平均值|r’(x，p’)|，并通过数学式B2计算满足数学式B1的各个所述平均值|r’(x，p’)|的相位检测灵敏度；
将所述相位检测灵敏度的平均值ε(p’)与任意的基准灵敏度ε进行比较，将满足ε≥ε(p’)的最小值p’定义为所述预定数p。
[数学式B1]
Figure BDA0003359813740000081
[数学式B2]
Figure BDA0003359813740000082
此处，本发明的第三相位测量方法，包括：
测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
第一检测步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；
矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述第一检测步骤中检出的n个波长中的每个波长，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；
第二检测步骤，对于所述第一检测步骤中检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的所述M；
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M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M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。
[数学式C1]
Figure BDA0003359813740000091
其中，|r(n)|为：将所述测量步骤中测量出的所述散射光对于波长按光照强度降序排列，关于所述光照强度最大的前n个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值；
Noise为所述测量步骤测量所述散射光时的噪声水平。
[数学式C2]
Figure BDA0003359813740000092
其中，Pk为波长k的散射光的光照强度，P1为波长1的散射光的光照强度。
[数学式C3]
Figure BDA0003359813740000093
其中，|r(M)|为：在所述第二检测步骤中，按照所述值H的升序排列的所述散射光中，关于前M个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值。
另外，本发明的第三信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
第一检测电路，用于将输入至所述输入单元的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；
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，对于所述第一检测电路检出的n个波长中的每个波长，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；
第二检测电路，用于对于所述第一检测电路检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的M；
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M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M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。
在通过第一或第二相位测量方法(装置)计算出的相位变化量中，若存在需要进一步计算不确定度较小的相位的点或时间，则通过第三相位测量方法(装置)计算相位变化量。本相位计算方法的特征在于，对二维矢量相加求平均的方法。本相位计算方法不是按照波长复用的光脉冲的波长顺序排列，而是将散射光的每个波长按光照强度的降序重新排列，在包含光照强度最大的前n个的情况下计算相位的不确定度。从光照强度最大的散射光n＝1到光照强度最小的散射光n＝N的顺序进行该工作，搜索不确定度D(n)的最小值。计算包括给出D(n)的最小值的前n个散射光的相位变化量。通过执行第三相位测量方法，可以计算出不确定度减少的相位变化量。
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。
另外，即使波长复用的数量相同，第三相位测量方法(装置)也可以以比第一或第二相位测量方法(装置)更高的灵敏度进行测量，并且可能检测出微小振动。换而言之，在获得预定的测量灵敏度时，第三相位测量方法(装置)可以以更少的波长的复用数量来实现，可以简化装置结构等、降低成本等。另外，通过在第三相位测量方法之前执行第一或第二相位测量方法，可以在关注点处快速执行相位计算。
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。
图11是说明本发明的信号处理装置的结构的图。
图12是说明本发明的相位测量方法的图。
图13是说明本发明的信号处理装置的结构的图。
图14是说明本发明的相位测量方法的图。
图15是说明本发明的信号处理装置的结构的图。
图16是说明本发明的相位测量方法的图。
图17是说明本发明的相位测量方法的第一检测步骤的图。
图18是说明本发明的相位测量方法的第二检测步骤的图。
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仅由微脉冲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]
Figure BDA0003359813740000141
[数学式5]
Figure BDA0003359813740000142
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]
Figure BDA0003359813740000143
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]
Figure BDA0003359813740000151
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]
Figure BDA0003359813740000161
[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]
Figure BDA0003359813740000162
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]
Figure BDA0003359813740000163
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30l、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
Figure BDA0003359813740000171
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
Figure BDA0003359813740000172
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]
Figure BDA0003359813740000201
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]
Figure BDA0003359813740000202
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]
Figure BDA0003359813740000203
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
Figure BDA0003359813740000211
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。
(实施方式3)
本实施方式的振动检测装置的结构与图1的振动检测装置的结构相同。图11是表示本实施方式的信号处理部17d的结构的图。信号处理单元17d为第一信号处理装置，包括：
输入单元21，用于输入由测量仪器31测量的、复用N(N为2以上的整数)个波长且入射至被测光纤6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；
选取电路41，用于将输入至输入单元21的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
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，对于选取电路41选取的p个波长中的每个波长，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；和，
运算电路24，用于对矢量旋转电路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12是说明本振动检测装置执行的相位测量方法的图。该相位测量方法为所述第一相位测量方法，包括：
测量步骤S01，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤6，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
选取步骤S01a，将测量步骤S01中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
矢量获取步骤S02，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤S01a中选取的p个波长中的每个波长，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。
本实施方式的信号处理单元17d，通过与实施方式1中描述的方法相同的方法进行相位计算，防止在散射光强度由于衰落而变小的点处相位的不确定度的增加。然而，在实施方式1中，使用入射至被测光纤6的光脉冲复用的所有波长(N个波长)的散射光进行计算；而在本实施方式中，从N个波长中选取p个，并用选取的p个波长的散射光进行计算。
具体地，在测量步骤S01之后执行选取步骤S01a。此处，将描述选取步骤S01a。
[选取步骤S01a]
选取步骤S01a中，从光脉冲复用的N个波长中，选取用于相位计算的预定数量p个。例如，可以如下确定预定数量p。此外，如果在选取步骤S01a和测量步骤S01之前确定预定数量p，则可以缩短本实施方式的相位测量方法的测量时间，这是优选的。
首先，以下说明D(Pi)的测量。D(Pi)为被测光纤6在某一位置及某一时间的波长i的散射光的强度Pi的分布，独立地遵循下式。
[数学式14]
Figure BDA0003359813740000231
此外，<Pi>是散射光的统计平均强度，可以通过便携式OTDR等测量光损失来预先测量。
另外，可以在获取每个波长的散射光矢量(二维矢量)时，预先测量矢量的1分量和Q分量中产生的噪声水平NI和NQ。此处，NI和NQ基本相同，可以设置NI＝NQ＝Noise。
为了进行以下的模拟，使用中心极限定理等来设定试验次数X。例如，X的大小为：使得在各个第x次(x＝1，···，X)试验时，各个波长i的散射光矢量的长度|r(x，i)|的平方值可以被视为遵循D(Pi)的概率分布的程度。例如，X≥5000。
在各个第x次(x＝1，···，X)试验时，在计算机上随机产生散射光矢量的长度|r(x，i)|，使得各个波长i的散射光矢量的长度|r(x，i)|的平方值遵循D(Pi)的概率分布。
将波长i的散射光矢量的长度|r(x，i)|按降序排列，设最大的前p’个|r(x，i)|的平均值为|r’(×，p’)|。此处，根据|r’(×，p’)|进行如下判断。
[数学式15]
Figure BDA0003359813740000232
时：不能检测出SN比在1以下的相位
Figure BDA0003359813740000234
时：能够检测出相位 (15)
此时的相位检测灵敏度(检测下限)为
Figure BDA0003359813740000233
上述步骤中，分别计算能够检测出的|r’(x，p’)|的相位检测灵敏度(检测下限)，并计算它们的平均值ε(p’)。将平均值ε(p’)与任意的基准灵敏度ε进行比较，将满足ε≥ε(p’)的最小值p’设为预定数量p。
这里，基准灵敏度ε可以如下设置。
(a)作为测量对象的现象的测量所必需的统计平均值的灵敏度值
“测量对象的现象”是施加到光纤上的振动的种类。也就是说，如果有涉及测量的振动种类的预备知识，就可以将作为测量的统计平均的灵敏度设为基准值ε。此处，“预备知识”可以是关于从振动产生的机理等理论上计算得到的振动的大小、频率的知识，或者，也可以是从预备实验等经验性地得到的振动的大小、频率的知识。例如，以低精度测量大振动时，将基准灵敏度ε设置得较大，并提高作为所需测量的统计平均值的检测下限。另一方面，在以高精度测量小振动和大振动时，将基准灵敏度ε设置得较小，并降低作为所需测量的统计平均值的检测下限。
(b)根据作为后述的第三相位测量方法的统计平均值的灵敏度ε3的值
对于上述的|r(x，i)|，计算各个x的数学式C1的不确定度D(n)。令至第nmin个|r(x，i)|的平均值为|r”(x，n(x))|，nmin使D(n)最小。此处，根据|r”(x，n(x))|，如下计算灵敏度ε3。
[公式16]
Figure BDA0003359813740000241
时各个x的 (16)
相位检测灵敏度(检测下限)
Figure BDA0003359813740000242
令ε3(x)关于x取平均为ε3。
然后，将ε设置为与ε3大致相同的值。但是，由于通常ε3≤ε(p’)，所以需要将ε设为ε3以上的值。例如，令ε＝1.2ε3。
在选取步骤S01a中找到p后，执行实施方式1中描述的矢量获取步骤S02，但此时并非获取光脉冲复用的所有波长的二维向量，而是获取在选取步骤S01a中找到的p个波长的二维向量即可。其后的矢量旋转步骤S03和运算步骤S04与实施方式1中描述的相同。
(实施方式4)
本实施方式的振动检测装置的结构与图1的振动检测装置的结构相同。图13是说明本实施方式的信号处理部17d的结构的图。信号处理单元17d为所述第二信号处理装置，在实施方式二的信号处理单元17d(图9)的输入单元21与矢量获取电路22之间配置有选取电路41。
图14是说明振动检测装置执行的相位测量方法的图。该相位测量方法为所述第一相位测量方法，在实施方式2的相位测量方法(图10)的测量步骤S01之后、且矢量获取步骤S02之前执行选取步骤S01a。
本实施方式的信号处理单元17d，通过与实施方式2中描述的方法相同的方法进行相位计算，防止在散射光强度由于衰落而变小的点处的相位的不确定度的增加。然而，在实施方式2中，使用入射至被测光纤6的光脉冲复用的所有波长(N个波长)的散射光进行计算；而在本实施方式中，从N个波长中选取p个，并用选取的p个波长的散射光进行计算。波长的选取方法与在实施方式3中描述的选取步骤S01a相同。
在选取步骤S01a中找到p后，执行实施方式2中描述的矢量获取步骤S02，但此时并非获取光脉冲复用的所有波长的二维向量，而是获取在选取步骤S01a中找到的p个波长的二维向量即可。其后的第一矢量旋转步骤S13至第二运算步骤S16与实施方式2中描述的相同。
(实施方式5)
本实施方式的振动检测装置的结构与图1的振动检测装置的结构相同。图15是说明本实施方式的信号处理部17d的结构的图。信号处理单元17d为所述第三信号处理装置，包括：
输入单元21，用于输入由测量仪器31测量的、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
第一检测电路42，用于将输入至输入单元21的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；
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，对于第一检测电路42检出的n个波长中的每个波长，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；
第二检测电路43，用于对于第一检测电路42检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的M；
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M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M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。
[数学式C1]
Figure BDA0003359813740000261
其中，|r(n)|为：将输入至所述输入单元的所述散射光对于波长按光照强度降序排列，关于所述光照强度最大的前n个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值；
Noise为所述测量仪器测量所述散射光时的噪声水平。
[数学式C2]
Figure BDA0003359813740000262
其中，Pk为波长k的散射光的光照强度，P1为波长1的散射光的光照强度。
[数学式C3]
Figure BDA0003359813740000263
其中，|r(M)|为：在所述第二检测电路中，按照所述值H的升序排列的所述散射光中，关于前M个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值。
图16是说明振动检测装置执行的相位测量方法的图。该相位测量方法是所述第三相位测量方法，包括：
测量步骤S01，将复用N个波长的光脉冲入射至被测光纤6，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
第一检测步骤S01b，将测量步骤S01中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；
矢量获取步骤S02，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于第一检测步骤S01b中检出的n个波长中的每个波长，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；
第二检测步骤S02b，对于第一检测步骤S01b中检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的所述M；
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M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M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。
本实施方式的信号处理单元17d，通过与实施方式2描述的方法相同的方法进行相位计算，防止在散射光强度由于衰落而变小的点处的相位的不确定度的增加。然而，在实施方式2中，使用入射至被测光纤6上的光脉冲复用的所有波长(N个波长)的散射光进行计算；而在本实施方式中，从N个波长中选取n个，并用选取的n个波长的散射光进行计算。
具体地，在测量步骤S01之后执行第一检测步骤S01b。此处，将描述第一检测步骤S01b。
[第一检测步骤S01b]
图17示出了第一检测步骤S01b的细节。在第一检测步骤S01b中，首先，按照光照强度降序重新排列每个波长的散射光(步骤S101)。然后，取从所述散射光的光照强度大的方向(n＝1)至第n个散射光的散射光，通过数学式C1计算在计算相位时的相位不确定度D(n)。计算直到所述散射光的光照强度最小的波长处的散射光(步骤S102)。其结果是，可以找到使D(n)最小的n(令该n为nmin)(步骤S103)。
[矢量获取步骤S02]
在实施方式2中获取了N个波长的散射光的二维矢量，但在本实施方式中，获取了nmin个波长的散射光的二维矢量。
[第二检测步骤S02b]
图18示出第二检测步骤S02b的细节。本实施方式，虽然对nmin个波长的散射光的二维矢量中的每一个来计算旋转角度，但该计算中也存在特征。首先，对第k个波长(k为2以上nmin以下的整数)计算数学式C2的H。对各个时刻都计算这个H。然后，将各时刻的H按升序重新排列(步骤S111)。进一步地，通过数学式C3，计算在计算包含从最小H到第M(M为1以上的整数)个的H的时刻的散射光的旋转角度时的不确定度Dt(M)(步骤S112)。计算直到H为最大时的时刻的散射光(步骤S113)。其结果是，可以找到使Dt(M)最小的M(令该M设为Mmin)(步骤S114)。对于所有的nmin个波长执行该计算(步骤S115)。
[第一矢量旋转步骤S13]
在第二检测步骤S02b中找到Mmin后，执行实施方式2中描述的第一矢量旋转步骤S13。具体地，以nmin个波长中的任一个作为基准波长，将基准波长的Mmin个时刻的二维矢量，以该二维矢量各自朝向I轴的方式进行旋转(各自的旋转量为θi＝1，M，M为1至Mmin)。另外，将基准波长以外的其他波长的Mmin个时刻的二维矢量，分别旋转θi＝1，M。
第一矢量旋转步骤S13之后，对nmin个波长的散射光的二维矢量执行实施方式2中描述的第一运算步骤S14、第二矢量旋转步骤S15、第二运算步骤S16。
(实施方式6)
通过实施方式5的相位测量方法，对被测光纤的所有的点和时刻进行相位计算，计算量大且耗时。因此，优选地，首先对被测光纤的所有的点和时刻执行实施方式3或4的相位测量方法，从其结果中进一步地找出想要计算的不确定度较小的相位的点和时刻，且对该点和时刻执行实施方式5的相位测量方法。即，作为第一阶段，执行图12和14的相位测量方法，并且根据其结果，执行选择想要计算的不确定度较小的相位的点和时间的步骤；作为第二阶段，在图16的相位测量方法中，执行第一检测步骤S01b和后续步骤。与从一开始就采用实施方式5的相位测量方法的相位计算相比，通过该方法执行相位计算可以缩短计算时间。另外，如果在第一阶段中可以以期望的精度来计算相位，则不需要执行第二阶段，进一步地缩短了计算时间。
此外，在本实施方式的情况下，可能出现以下问题。
已经说明了在图16的相位测量方法中，仅在被测光纤的特定点A的特定时刻T进行相位计算。在那种情况下，作为图17中的第二检测步骤S01b的结果，获得的第一矢量旋转步骤S13中的旋转角度，仅适用于特定点A的特定时刻T。其旋转角度不同于图12和14中的第一矢量旋转步骤S13中的旋转角度。因此，在特定点A，图16的第一矢量旋转步骤S13中的旋转角度(特定时刻T)与图12和14的第一矢量旋转步骤S13中的旋转角度(特定时刻T以外)是不同的。这种差异成为使特定点A的相位变化失真的重要因素。当该影响较大时，可以用图16的相位测量方法，对被测光纤的特定点A的所有时刻进行相位计算。
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技术特征进行变更而具体化。
[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。
产业上的应用领域
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
41：选取电路
42：第一检测电路
43：第二检测电路

Claims (8)

1.相位测量方法，包括：
测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
选取步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤中选取的p个波长中的每个波长，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，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
选取步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述选取步骤中选取的p个波长中的每个波长，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.根据权利要求1或2所述的相位测量方法，其特征在于，
测量任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的波长i的所述散射光的强度Pi的分布D(Pi)，以及，测量在获取所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量时的噪声电平Noise；
在计算机上随机产生X(X是任意正整数)个所述长度|r(x，i)|(x＝1，…，X)，使得波长i的散射光的二维矢量的长度|r(x，i)|的平方值遵循分布D(Pi)；
将所述长度|r(x，i)|按降序排列，计算最大的前p’个所述长度|r(x，i)|的平均值|r’(x，p’)|，并通过数学式B2计算满足数学式B1的各个所述平均值|r’(x，p’)I的相位检测灵敏度；
将所述相位检测灵敏度的平均值ε(p’)与任意的基准灵敏度ε进行比较，将满足ε≥ε(p’)的最小值p’定义为所述预定数p；
[数学式B1]
Figure FDA0003359813730000021
[数学式B2]
Figure FDA0003359813730000022
4.相位测量方法，包括：
测量步骤，将复用N(N为2以上的整数)个波长的光脉冲入射至被测光纤，测量所述光脉冲产生的散射光的同相分量和正交分量；
第一检测步骤，将所述测量步骤中测量的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；
矢量获取步骤，在所述散射光的同相分量和正交分量中，对于所述第一检测步骤中检出的n个波长中的每个波长，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；
第二检测步骤，对于所述第一检测步骤中检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的所述M；
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M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M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；
[数学式C1]
Figure FDA0003359813730000031
其中，|r(n)|为：将所述测量步骤中测量出的所述散射光对于波长按光照强度降序排列，关于所述光照强度最大的前n个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值；
Noise为所述测量步骤测量所述散射光时的噪声水平；
[数学式C2]
Figure FDA0003359813730000041
其中，Pk为波长k的散射光的光照强度，P1为波长1的散射光的光照强度；
[数学式C3]
Figure FDA0003359813730000042
其中，|r(M)|为：在所述第二检测步骤中，按照所述值H的升序排列的所述散射光中，关于前M个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值。
5.信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
选取电路，用于将输入至所述输入单元的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
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，对于所述选取电路选取的p个波长中的每个波长，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。
6.信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
选取电路，用于将输入至所述输入单元的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，并选取所述光照强度最大的预定数量p(p为1以上N以下的整数)个所述散射光；
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，对于所述选取电路选取的p个波长中的每个波长，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。
7.根据权利要求5或6所述的信号处理装置，其特征在于，还包括预处理电路，用于：
测量任意时刻且在所述被测光纤的任意位置处的波长i的所述散射光的强度Pi的分布D(Pi)，以及，测量通过所述测量仪器测量所述散射光时的噪声电平Noise；
在计算机上随机产生X(X是任意正整数)个所述长度|r(x，i)|(x＝1，…，X)，使得波长i的散射光的二维矢量的长度|r(x，i)|的平方值遵循分布D(Pi)；
将所述长度|r(x，i)|按降序排列，计算最大的前p’个所述长度|r(x，i)|的平均值|r’(x，p’)|，并通过数学式B2计算满足数学式B1的各个所述平均值|r’(x，p’)|的相位检测灵敏度；
将所述相位检测灵敏度的平均值ε(p’)与任意的基准灵敏度ε进行比较，将满足ε≥ε(p’)的最小值p’定义为所述预定数p；
[数学式B1]
Figure FDA0003359813730000061
[数学式B2]
Figure FDA0003359813730000062
8.信号处理装置，包括：
输入单元，用于输入由测量仪器测量的、复用N(N为2以上的整数)个波长且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；
第一检测电路，用于将输入至所述输入单元的所述散射光，对于波长按光照强度的降序排列，取所述光照强度最大的前n(n为1以上N以下的整数)个所述散射光，计算数学式C1的相位的不确定度D(n)，检测出使所述相位的不确定度D(n)最小的n；
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，对于所述第一检测电路检出的n个波长中的每个波长，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；
第二检测电路，用于对于所述第一检测电路检测出的n个波长中的每个波长，计算数学式C2的值H，将所述散射光对于时刻按所述值H的升序排列，取所述值H最小的前M个时刻的所述散射光，计算数学式C3的相位的不确定度Dt(M)，检测出使所述相位的不确定度Dt(M)最小的M；
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M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M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；
[数学式C1]
Figure FDA0003359813730000071
其中，|r(n)|为：将输入至所述输入单元的所述散射光对于波长按光照强度降序排列，关于所述光照强度最大的前n个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值；
Noise为所述测量仪器测量所述散射光时的噪声水平；
[数学式C2]
Figure FDA0003359813730000072
其中，Pk为波长k的散射光的光照强度，P1为波长1的散射光的光照强度；
[数学式C3]
Figure FDA0003359813730000073
其中，|r(M)|为：在所述第二检测电路中，按照所述值H的升序排列的所述散射光中，关于前M个所述散射光的、所述散射光的由同相分量和正交分量构成的二维矢量长度平均值。
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