CN115333913B - 相位敏感光时域反射计相位解调方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相位敏感光时域反射计相位解调方法和装置，该方法包括：获取从相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，中频信号包括待解调信号的相位信息，中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3；对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，预设频率为中心频率的4倍；将倍频采样信号转换为信号序列；对信号序列进行修正，得到目标信号序列；利用目标信号序列解调待解调信号的相位。该方法简化了对信号序列进行处理的过程，降低了对信号序列进行处理的成本和为处理信号序列而进行软硬件设计的难度，提高了相位解调实时性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术应用领域，尤其涉及一种相位敏感光时域反射计相位解调方法和装置。
背景技术
在分布式光纤传感技术领域，由于相位敏感的光时域反射计（Φ-OTDR）具有灵敏度高、探测距离长等特点，同时具有耐腐蚀、分布式、抗电磁干扰等优势，已经在周界入侵安防监测，如铁路和管道等入侵，以及结构健康安全监测，如山体滑坡监测预警等领域得到广泛应用。
Φ-OTDR通过向传感光纤中发射光脉冲，然后接收和分析被传感光纤反射的光脉冲中的背向瑞利散射信号，实现对传感光纤沿线的振动进行监测。在多种Φ-OTDR结构中，利用本振光与具有固定频差的信号光进行相干后再进行外差探测获取相干信号的Φ-OTDR结构，可以提高探测信号的信噪比，延长测量距离。相干解调是对此Φ-OTDR结构输出的包括背向瑞利散射信号的相位信息的相干信号进行相位解调的常用方法。
在相关技术中，在利用I/Q解调模块对相干信号进行解调的过程中，为从包括背向瑞利散射信号的相位信息的相干信号中得到最终可以用于解调背向瑞利散射信号的相位的I/Q信号，需要将相干信号分为两路分别处理，同时需要较为复杂的光学以及电路设计，而且会影响后续解调相位的正确性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种相位敏感光时域反射计相位解调方法和装置，以期至少部分地解决上述技术问题。
本发明提供了一种相位敏感光时域反射计相位解调方法，上述方法包括：
获取从上述相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，上述中频信号包括待解调信号的相位信息，上述中频信号的带宽小于上述中频信号的中心频率的1/3；对上述中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，上述预设频率为上述中心频率的4倍；将上述倍频采样信号转换为信号序列，其中，上述信号序列包括交替的I信号和Q信号，其中，上述I信号具有表征上述I信号正负变化的系数，上述Q信号具有表征上述Q信号正负变化的系数；对上述信号序列进行修正，得到目标信号序列，其中，上述目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，上述目标I信号的系数和上述目标Q信号的系数一致；利用上述目标信号序列解调上述待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，上述对上述信号序列进行修正，得到目标信号序列包括：针对上述目标信号序列中的每个目标I信号和每个目标Q信号，根据采样周期内的相邻两个上述I信号的差值，得到上述目标I信号；根据上述采样周期内的相邻两个上述Q信号的差值，得到上述目标Q信号。
根据本发明的实施例，上述利用上述目标信号序列解调上述待解调信号的相位包括：根据上述目标信号序列，利用反三角函数算法解调上述待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，上述利用上述目标信号序列解调上述待解调信号的相位包括：根据上述目标信号序列，利用坐标旋转数字计算算法解调上述待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，上述信号序列是根据如下公式对上述倍频采样信号进行转换得到的：
其中，V beat （nT s ）表示上述倍频采样信号，n表示采样次数，T s 表示采样周期，
表
示上述中频信号的中心频率，
，V（nT s ）表示第n次采样的上述中频信号的幅度，
表示上述第n次采样的中频信号位置处上述待解调信号的相位，I（n）表示上述I信
号，Q（n）表示上述Q信号，
表示上述信号序列。
根据本发明的实施例，上述对上述中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号包括：对上述中频信号进行抗混叠滤波，得到抗混叠滤波后的中频信号；对上述抗混叠滤波后的中频信号进行模数转换，得到上述倍频采样信号。
本发明的另一方面提供了一种相位敏感光时域反射计相位解调装置，上述装置包括：获取模块，用于获取从上述相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，上述中频信号包括待解调信号的相位信息，上述中频信号的带宽小于上述中频信号的中心频率的1/3；信号采集模块，用于对上述中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，上述预设频率为上述中心频率的4倍；相位解调模块，用于将上述倍频采样信号转换为信号序列，对上述信号序列进行修正，得到目标信号序列，利用上述目标信号序列解调上述待解调信号的相位，其中，上述信号序列包括交替的I信号和Q信号，上述I信号具有表征上述I信号正负变化的系数，上述Q信号具有表征上述Q信号正负变化的系数，上述目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，上述目标I信号的系数和上述目标Q信号的系数一致。
根据本发明的实施例，上述信号采集模块包括：抗混叠滤波器，用于对上述中频信号进行抗混叠滤波，得到抗混叠滤波后的中频信号；模数转换器，用于对上述抗混叠滤波后的中频信号进行模数转换，得到上述倍频采样信号。
根据本发明的实施例，上述相位解调模块包括：可编程逻辑器。
根据本发明的实施例，上述装置还包括：时钟控制模块，用于向上述相位敏感光时域反射计、上述信号采集模块及上述相位解调模块提供同源时钟。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计相位解调方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施例的对中频信号进行4倍采样的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计相位解调装置；
图4示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计相位解调装置与具体相位敏感光时域反射计相结合解调相位的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计输出的中频信号示意图；
图6示出了利用本发明实施例提供的相位敏感光时域反射计相位解调装置解调出的相位恢复出的差分相位。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包括”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
为解决在使用I/Q解调模块对Φ-OTDR测得的包括背向瑞利散射信号的相位信息的相干信号进行解调的过程中存在的问题，例如为从包括背向瑞利散射信号的相干信号中得到最终可以用于解调背向瑞利散射信号的相位的I/Q信号，需要将相干信号分为两路分别处理，同时需要较为复杂的光学以及电路设计。而且，相干信号被分为两路信号后，对两路信号进行后续处理的I/Q解调器和90°移相器并不是理想的，两路的器件存在不一致性，两路信号会出现相位不平衡和幅度不平衡，进而影响后续解调相位的正确性。
为此，本发明提出一种相位敏感光时域反射计相位解调方法。例如，获取从相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，中频信号包括待解调信号的相位信息，中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3。对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，预设频率为中心频率的4倍。将倍频采样信号转换为信号序列，其中，信号序列包括交替的I信号和Q信号，其中，I信号具有表征I信号正负变化的系数，Q信号具有表征Q信号正负变化的系数。对信号序列进行修正，得到目标信号序列，其中，目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，目标I信号的系数和目标Q信号的系数一致。利用目标信号序列解调待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，通过获取从相位敏感光时域反射计输出的中频信号，得到带宽小于中心频率1/3的中频信号，通过对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，预设频率为中心频率的4倍，因此，倍频采样信号的相位可以表示为采样数个90度相位和与倍频采样信号采样位置处对应的中频信号位置处待解调信号的相位的和，基于此，可以直接将倍频采样信号转换为信号序列，信号序列包括交替的I信号和Q信号，I信号具有表征I信号正负变化的系数，Q信号具有表征Q信号正负变化的系数，I信号与Q信号的相位分别为与I信号对应的中频信号位置处待解调信号的相位和与Q信号对应的中频信号位置处待解调信号的相位。由于中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3，因此，在一个采样周期内的I信号与Q信号的幅度大小可以认为相等，与I信号及Q信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等，通过对信号序列进行修正，即对I信号的系数及Q信号的系数进行修正，即可得到交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号，无需依赖对信号序列进行处理的过程，降低了对信号序列进行处理的成本和为处理信号序列而进行软硬件设计的难度，进而可以直接利用目标信号序列中的交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号解调待解调信号的相位，提高相位解调实时性。
图1示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计相位解调方法的流程图。
如图1所示，该相位敏感光时域反射计相位解调方法包括操作S110~S150。
在操作S110，获取从相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，中频信号包括待解调信号的相位信息，中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3。
根据本发明的实施例，待解调信号包括背向瑞利散射信号。根据本发明的实施例，可以通过对相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）测得的相干光进行光电转换得到中频信号。中频信号的中心频率与相干光的中心频率相等。
根据本发明的实施例，公式（1）可以用于表示中频信号。
其中，V beat （t）表示中频信号，t表示时间，V（t）表示第t时刻的中频信号的幅度，
表示中频信号的中心频率，也可以理解为中频信号中存在的信号的频差，
表示与
第t时刻的中频信号位置处待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，例如中频信号的中心频率可以为200MHz，则中频信号的带宽可以为60 MHz。中频信号的中心频率可以为240MHz，则中频信号的带宽可以为70 MHz。
在操作S120，对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，预设频率为中心频率的4倍。
根据本发明的实施例，倍频采样信号的预设频率为中频信号的中心频率的4倍，根
据公式（1）可知，
，其中f s 为倍频采样信号的预设频率。例如中频信号的中心频率
可以为200MHz，则预设频率可以为800 MHz。中频信号的中心频率可以为250MHz，则预设频
率可以为1000 MHz。
在操作S130，将倍频采样信号转换为信号序列，其中，信号序列包括交替的I信号和Q信号，其中，I信号具有表征I信号正负变化的系数，Q信号具有表征Q信号正负变化的系数。
根据本发明的实施例，对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，预设频率为中心频率的4倍，因此，倍频采样信号的相位可以表示为采样数个90度相位和与倍频采样信号采样位置处对应的中频信号位置处待解调信号的相位的和，基于此，在用余弦公式表示倍频采样信号的情况下，可以利用两角和余弦公式将倍频采样信号转换为信号序列，信号序列包括交替的I信号和Q信号，I信号为采样数为偶数的情况下的倍频采样信号，Q信号为采样数为奇数的情况下的倍频采样信号，I信号具有表征I信号正负变化的系数，Q信号具有表征Q信号正负变化的系数，I信号与Q信号的相位分别为与I信号对应的中频信号位置处待解调信号的相位与与Q信号对应的中频信号位置处待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，I信号与Q信号在时间上相差一个采样周期，因此，一个采样周期中同一采样次数下只能得到I信号及Q信号中的一个，要想得到一个采样周期中同一采样次数下的I信号与Q信号，一般需要通过对一个采样周期中得到的四次采样信号进行插值得到。而对于Φ-OTDR而言，在中频信号的带宽小于中频信号中心频率的1/3的情况下，在一个采样周期中，四次采样中的中频信号的幅度和中频信号包括的瑞利散射信号的相位可以视为常数，即在一个采样周期中，I信号与Q信号在采样时间上的区别可忽略。
根据本发明的实施例，由于中频信号的带宽小于中频信号中心频率的1/3，因此，在用余弦公式表示倍频采样信号的情况下，在一个采样周期内采样得到的多个倍频采样信号的幅度的大小可以认为相等，与多个倍频采样信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等。由于I信号为采样数为偶数的情况下的倍频采样信号，Q信号为采样数为奇数的情况下的倍频采样信号，因此在一个采样周期内的I信号与Q信号的幅度大小可以认为相等，与I信号及Q信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等，两个I信号可以认为大小相等系数相反，两个Q信号可以认为大小相等系数相反。
在操作S140，对信号序列进行修正，得到目标信号序列，其中，目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，目标I信号的系数和目标Q信号的系数一致。
根据本发明的实施例，对信号序列进行修正可以表征对信号序列中的I信号的系数及Q信号的系数进行修正，即将有正负变化的I信号的系数及有正负变化的Q信号的系数进行修正，得到系数一致的目标I信号和目标Q信号，将包括交替的目标I信号和目标Q信号的序列称为目标信号序列。
根据本发明的实施例，由于在一个采样周期内的I信号与Q信号的幅度大小可以认为相等，与I信号及Q信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等，因此，在对信号序列进行修正后，得到的交替的系数一致的目标I信号和目标Q信号序列中，在一个采样周期内的目标I信号与目标Q信号的幅度大小可以认为相等，与目标I信号及目标Q信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等。
根据本发明的实施例，通过对信号序列进行修正，即对I信号的系数及Q信号的系数进行修正，即可得到交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号，无需依赖对信号序列进行处理的过程，降低了对信号序列进行处理的成本和为处理信号序列而进行软硬件设计的难度。
在操作S150，利用目标信号序列解调待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，利用目标信号序列解调待解调信号的相位，可以理解为利用目标信号序列解调与目标信号序列对应的中频信号位置处待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，可以利用目标信号序列中的一个采样周期内的相邻两个目标I信号及目标Q信号解调待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，通过获取中频信号，得到带宽小于中心频率1/3的中频信号，通过对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，预设频率为中心频率的4倍，因此，倍频采样信号的相位可以表示为采样数个90度相位和与倍频采样信号采样位置处对应的中频信号位置处待解调信号的相位的和，基于此，可以直接将倍频采样信号转换为信号序列，信号序列包括交替的I信号和Q信号，I信号具有表征I信号正负变化的系数，Q信号具有表征Q信号正负变化的系数，I信号与Q信号的相位分别为与I信号对应的中频信号位置处待解调信号的相位和与Q信号对应的中频信号位置处的相位。
由于中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3，因此，在一个采样周期内的I信号与Q信号的幅度大小可以认为相等，与I信号及Q信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等，通过对信号序列进行修正，即对I信号的系数及Q信号的系数进行修正，即可得到交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号，无需依赖对信号序列进行处理的过程，降低了对信号序列进行处理的成本和为处理信号序列而进行软硬件设计的难度，进而可以直接利用目标信号序列中的交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号解调待解调信号的相位，提高相位解调实时性。
根据本发明的实施例，操作S140包括：针对目标信号序列中的每个目标I信号和每个目标Q信号，根据采样周期内的相邻两个I信号的差值，得到目标I信号。根据采样周期内的相邻两个Q信号的差值，得到目标Q信号。
根据本发明的实施例，由于在采样周期内的两个I信号可以认为大小相等系数相反，因此可以对采样周期内的相邻两个I信号做差后除以2，求得采样周期内的相邻两个I信号的平均值，将此平均值作为目标I信号，进而得到目标I信号。
根据本发明的实施例，由于后续利用目标I信号及目标Q信号解算相位的过程中，可以利用目标I信号及目标Q信号相除来解算相位，因此，可以省略对周期内的I信号求平均值的步骤，可以对采样周期内的相邻两个I信号做差，得到目标I信号，减少求解目标I信号的过程中的软硬件资源的消耗。同理，可以得到目标Q信号，减少求解目标Q信号的过程中的软硬件资源的消耗。
根据本发明的实施例，在求解目标I信号及目标Q信号的过程中，同一个采样周期内做差的相邻两个I信号的采样时间的前后关系与做差的相邻两个Q信号的采样时间的前后关系要保持一致。
例如，第一个采样周期中的信号序列可以为
、
、
及
，其
中，1、2、3及4代表采样次数。则第一个采样周期中的目标I信号可以为
，目
标Q信号可以为
。第一个采样周期中的目标I信号还可以为
，目标Q信号还可以为
。第一个采样周期中的目标I信号
还可以为
，目标Q信号还可以为
。第一个采样周期中的
目标I信号还可以为
，目标Q信号还可以为
。上述四种求
解方式均适用于求解本发明中的第一个采样周期中的目标I信号及目标Q信号，同理，可以
求解本发明中的其它采样周期中的目标I信号及目标Q信号。而具体选择哪种求解方式对采
样周期中的目标I信号及目标Q信号进行求解可以根据实际需求进行确定，本发明对具体求
解采样周期中的目标I信号及目标Q信号的方式不做限定。
图2示出了根据本发明实施例的对中频信号进行4倍采样的示意图。
为便于理解，图2中使用正弦波代表中频信号，而实际的中频信号的幅度与相位也是随时间变化的。
由图2可以看出，一个正弦波内的采样信号I及-I大小相等，方向相反，一个正弦波内的采样信号Q及-Q大小相等，方向相反。因此，可以对一个正弦波内的采样信号I及-I做差，得到目标I信号，对一个正弦波内的采样信号Q及-Q做差，得到目标Q信号，简化对信号序列即交替的I信号和Q信号进行处理的过程，降低对信号序列进行处理的成本和为处理信号序列而进行软硬件设计的难度。
根据本发明的实施例，操作S150包括：根据目标信号序列，利用反三角函数算法解调待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，例如，第一个采样周期中的目标I信号可以为
，目标Q信号可以为
。则利用反三角函数算法计算得到的
与第一次采样的位置处的目标信号序列对应的中频信号位置处待解调信号的相位可以为：
。
根据本发明的实施例，操作S150包括：根据目标信号序列，利用坐标旋转数字计算算法解调待解调信号的相位。
根据本发明的实施例，利用坐标旋转数字计算算法（Coordinate RotationDigital Computer，CORDIC）解调待解调信号的相位，可以避免在用于解调相位的硬件中使用除法，减少硬件资源消耗。本实施例在利用坐标旋转数字计算算法解调相位的过程中，迭代次数选择10次，在保证相位精度的同时提高了解调速度。而实际在利用CORDIC解调相位的过程中，迭代次数应该根据Φ-OTDR系统的相位噪声进行选取。
根据本发明的实施例，信号序列是根据公式（2）对倍频采样信号进行转换得到的：
其中，V beat （nT s ）表示倍频采样信号，n表示采样次数，T s 表示采样周期，
表示中
频信号的中心频率，
，V（nT s ）表示第n次采样的中频信号的幅度，
表示第n次采样的中频信号位置处待解调信号的相位，I（n）表示I信号，Q（n）表示Q信号，
表示信号序列。
根据本发明的实施例，由公式（2）可知，在采样数为偶数的情况下，倍频采样信号
的表达式为：
。在采样数为奇数的情况下，倍频采样信号的表达式为：
。
根据本发明的实施例，操作S120包括：对中频信号进行抗混叠滤波，得到抗混叠滤波后的中频信号。对抗混叠滤波后的中频信号进行模数转换，得到倍频采样信号。
根据本发明的实施例，抗混叠滤波器的截止频率为250MHz~400MHz。在中频信号的中心频率为200MHz的情况下，中频信号的带宽可以为60 MHz，预设频率可以为800 MHz，抗混叠滤波器的截止频率可以为300M Hz。
图3示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计相位解调装置。
如图3所示，该实施例的相位敏感光时域反射计相位解调装置300包括：获取模块，信号采集模块310及相位解调模块。
获取模块，用于获取从相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，中频信号包括待解调信号的相位信息，中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3。
信号采集模块310，用于对中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，预设频率为中心频率的4倍。
相位解调模块，用于将倍频采样信号转换为信号序列，对信号序列进行修正，得到目标信号序列，利用目标信号序列解调待解调信号的相位，其中，信号序列包括交替的I信号和Q信号，I信号具有表征I信号正负变化的系数，Q信号具有表征Q信号正负变化的系数，目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，目标I信号的系数和目标Q信号的系数一致。
根据本发明的实施例，信号采集模块310包括：抗混叠滤波器311及模数转换器312。抗混叠滤波器311，用于对中频信号进行抗混叠滤波，得到中频信号。模数转换器，用于对抗混叠滤波后的中频信号进行模数转换，得到倍频采样信号。
根据本发明的实施例，相位解调模块包括：可编程逻辑器320。可编程逻辑器例如可以为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），还可以为复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD），本发明的实施例对具体的可编程逻辑器不做限定，可根据实际需求进行选择。
根据本发明的实施例，相位敏感光时域反射计相位解调装置300，还包括：时钟控制模块330，用于向相位敏感光时域反射计、信号采集模块310及相位解调模块提供同源时钟。
根据本发明的实施例，时钟控制模块330包括：时钟源331及锁相环332。时钟源331用于为整个相位敏感光时域反射计相位解调装置300提供相同的基础时钟源。锁相环332用于接收时钟源331提供的基础时钟，并为信号采集模块310提供采样时钟，为相位敏感光时域反射计光提供外差时钟以及为相位解调模块提供数据计算时钟。
根据本发明的实施例，时钟源331为高精度时钟源。
根据本发明的实施例，锁相环332接收来自时钟源331的基础时钟，并为信号采集模块310提供采样时钟，为相位敏感光时域反射计光提供外差时钟以及为相位解调模块提供数据计算时钟，保证三者同源，满足特定倍数关系，提高整个相位敏感光时域反射计相位解调装置的抗干扰能力，进一步保证了相位解调的精度。
根据本发明的实施例，相位敏感光时域反射计相位解调装置300，还包括：计算机340。计算机340用于接收可编程逻辑器件输出的相位数据，并对相位数据进行成像显示和存储。
根据本发明的实施例，计算机接收到可编程逻辑器件输出的相位信号后，还需要对相位信号进行相位解卷绕，以解决相位信号周期性跳变的问题，进而得到连续变化的相位信号。
根据本发明的实施例，在利用计算机得到连续变化的相位信号后，还可以对连续变化的相位信号进行采样处理，减少连续变化的相位信号的数据量，以便于后续操作中对连续变化的相位信号作进一步处理后可以得到其它相关信息。
根据本发明的实施例，对连续变化的相位信号进行采样处理的采样频率，可以根据后续需要对采样后的连续变化的相位信号进行处理的仪器的空间分辨率进行确定。例如仪器的空间分辨率为1m，则可以对连续变化的相位信号进行二倍频采样。
图4示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计相位解调装置与具体相位敏感光时域反射计相结合解调相位的示意图。
图4中的相位敏感光时域反射计相位解调装置410与图3中的相位敏感光时域反射计相位解调装置300的具体结构与功能相同。
图4中的相位敏感光时域反射计420包括：窄线宽激光器（Laser）421、第一光纤耦合器（Couple1）422、声光调制器（Acousto-optical Modulators ，AOM）423、掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier ，EDFA）424、光线环形器425、传感光纤426、压电陶瓷427及第二光纤耦合器（Couple2）428，光电探测器429。
利用图4中相位敏感光时域反射计420测中频信号的过程可以为：窄线宽激光器421发出的激光经第一光纤耦合器422后被分为两路。其中一路激光经过声光调制器423调制后，得到经过频移的激光，频移时的频差例如可以为200MHz，再经过掺铒光纤放大器424放大后，通过光纤环形器425输入到传感光纤426中。
将压电陶瓷427作为光纤附近的扰动源，压电陶瓷427的振动对缠绕其上的传感光纤426施加应变，为传感光纤426提供扰动信号。例如压电陶瓷可以产生10kHz，100mVpp的正弦扰动信号。
传感光纤426中的经过频移的激光在经过压电陶瓷427后，传感光纤426中的经过频移的激光在传感光纤426中产生背向瑞利散射光，传感光纤426将背向瑞利散射光返回光线环形器425中并经过光线环形器425传送送至光纤耦合器422，与到达第二光纤耦合器428的另一路激光进行相干，产生相干光，相干光经过光电探测器429后产生中频信号。
中频信号被相位敏感光时域反射计相位解调装置410采集及处理，得到压电陶瓷427产生的扰动信号的相位。
图5示出了根据本发明实施例的相位敏感光时域反射计输出的中频信号示意图。
对图4中测得的相干光经光电转换器转换后得到中频信号，其中，中频信号的带宽与中频信号中的信号频差分别与相干光的带宽与相干光中的信号频差相等，中频信号如图5所示。由图5可知，中频信号的带宽为60MHz，小于频差200MHz的1/3。因此，相干光与中频信号的带宽均为60MHz，小于频差200MHz的1/3。相干光与中频信号符合本发明实施例的要求。
图6示出了利用本发明实施例提供的相位敏感光时域反射计相位解调装置解调出的相位恢复出的差分相位。
利用图4提供的相位敏感光时域反射计相位解调装置对图4中测得的中频信号进行采集及处理，得到相位信号，然后对相位信号进行相位解卷绕后再进行相位位置差分，即将相位信号减去一参考相位（如初始相位值），得到差分相位。
由于差分相位与压电陶瓷产生的扰动信号是线性关系，因此可以通过差分相位来实现对压电陶瓷产生的扰动信号进行检测，进一步可以实现对压电陶瓷产生扰动信号的时长进行监测。
差分相位如图6所示，其中图6中的点表示采样位置处的差分相位，正弦曲线表示采样位置处的差分相位随时间变化的曲线。由图6可知，差分相位很好的还原了图4中的压电陶瓷产生的正弦振动信号，说明本发明实施例提供的相位解调方法具有可行性。
通过大量类似图5至图6的实验证明，在中频信号的带宽小于中频信号的中心频率的1/3的情况下，在一个采样周期内的I信号与Q信号的幅度大小可以认为相等，与I信号及Q信号分别对应的中频信号位置处待解调信号的相位大小可以认为相等，通过对信号序列进行修正，即对I信号的系数及Q信号的系数进行修正，即可得到交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号，进而可以直接利用目标信号序列中的交替的且系数一致的目标I信号和目标Q信号解调待解调信号的相位，说明本发明实施例提供的相位解调方法具有可行性，同时提高了相位解调实时性。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种相位敏感光时域反射计相位解调方法，其特征在于，所述方法包括：
获取从所述相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，所述中频信号包括待解调信号的相位信息，所述中频信号的带宽小于所述中频信号的中心频率的1/3；
对所述中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，所述预设频率为所述中心频率的4倍；
将所述倍频采样信号转换为信号序列，其中，所述信号序列包括交替的I信号和Q信号，其中，所述I信号具有表征所述I信号正负变化的系数，所述Q信号具有表征所述Q信号正负变化的系数；
对所述信号序列进行修正，得到目标信号序列，其中，所述目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，所述目标I信号的系数和所述目标Q信号的系数一致；
利用所述目标信号序列解调所述待解调信号的相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述信号序列进行修正，得到目标信号序列包括：
针对所述目标信号序列中的每个目标I信号和每个目标Q信号，
根据采样周期内的相邻两个所述I信号的差值，得到所述目标I信号；
根据所述采样周期内的相邻两个所述Q信号的差值，得到所述目标Q信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述目标信号序列解调所述待解调信号的相位包括：
根据所述目标信号序列，利用反三角函数算法解调所述待解调信号的相位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述目标信号序列解调所述待解调信号的相位包括：
根据所述目标信号序列，利用坐标旋转数字计算算法解调所述待解调信号的相位。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号序列是根据如下公式对所述倍频采样信号进行转换得到的：
其中，V beat （nT s ）表示所述倍频采样信号，n表示采样次数，T s 表示采样周期，
表示所
述中频信号的中心频率，
，V（nT s ）表示第n次采样的所述中频信号的幅度，
表示所述第n次采样的中频信号位置处所述待解调信号的相位，I（n）表示所述I信
号，Q（n）表示所述Q信号，
表示所述信号序列。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号包括：
对所述中频信号进行抗混叠滤波，得到抗混叠滤波后的中频信号；
对所述抗混叠滤波后的中频信号进行模数转换，得到所述倍频采样信号。
7.一种相位敏感光时域反射计相位解调装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取从所述相位敏感光时域反射计输出的中频信号，其中，所述中频信号包括待解调信号的相位信息，所述中频信号的带宽小于所述中频信号的中心频率的1/3；
信号采集模块，用于对所述中频信号进行预设频率采样，得到倍频采样信号，其中，所述预设频率为所述中心频率的4倍；
相位解调模块，用于将所述倍频采样信号转换为信号序列，对所述信号序列进行修正，得到目标信号序列，利用所述目标信号序列解调所述待解调信号的相位，其中，所述信号序列包括交替的I信号和Q信号，所述I信号具有表征所述I信号正负变化的系数，所述Q信号具有表征所述Q信号正负变化的系数，所述目标信号序列包括交替的目标I信号和目标Q信号，所述目标I信号的系数和所述目标Q信号的系数一致。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：
抗混叠滤波器，用于对所述中频信号进行抗混叠滤波，得到抗混叠滤波后的中频信号；
模数转换器，用于对所述抗混叠滤波后的中频信号进行模数转换，得到所述倍频采样信号。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述相位解调模块包括：可编程逻辑器。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
时钟控制模块，用于向所述相位敏感光时域反射计、所述信号采集模块及所述相位解调模块提供同源时钟。
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