CN116124271A - 一种光强信号的反正切相位解调方法及解调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光强信号的反正切相位解调方法及解调装置，方法包括：获取三端耦合器输出的三路初始光强信号；对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对振动区域内振动信号的振动探测。本申请通过提出一种基于反正切算法的三端口解调方案，使得通过动态比例调整，补偿了三路光强的不一致性；并且利用非振动段的参考相位信号作为基准值，消除数据累计带来的基线漂移。

Description

一种光强信号的反正切相位解调方法及解调装置
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光强信号的反正切相位解调方法及解调装置。
背景技术
相位敏感光时域反射(φ-OTDR)是一种分布式光纤振动传感技术，具有响应速度快、传输距离长和灵敏度高等特点，在周界入侵监测、油田管道泄露检测、以及地质灾害监控预警等领域显示出巨大的应用潜力。Φ-OTDR使用窄线宽激光器作为光源，当传感光纤受到外界扰动时，扰动位置处的局部折射率被调制，进而引起扰动位置的回波-后向瑞利散射光(RBS)发生相位变化。基于φ-OTDR的相位解调算法就是通过检测和解析这种变化，获取外界扰动的信号，实现振动探测。
现有技术中相位解调方法主要包括以下两种方式：第一种相位解调方法为通过光路处理直接得到两路交流光信号，然后两路光信号求和和求差获得两路正交信号，再通过正交解调解调出相位信号。但由于该方式未考虑3*3耦合器三路输出的不一致性，导致解调后相位信号容易引入相位误差；第二种相位解调方法为利用本征光与后向瑞利散射光干涉的相干探测结构，经光电转化、信号混频、滤波后，对两束正交光进行微分交叉相乘相减操作，得到传感光信号的相位信号。但由于微积分算法的精度依赖于采集频率的大小，且积分过程容易引入基线漂移，导致解调后的相位信号受噪声影响较大。
因此，需要提供一种能够保证三路光强的一致性并且有效消除数据累计带来的基线漂移并且算法运算简单的反正切相位解调方法来解决上述技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了光强信号的反正切相位解调方法。解决了现有技术中的相位解调方法未考虑3*3耦合器三路输出的不一致性，导致解调后相位信号易引入相位误差或采用微积分算法容易引入基线漂移，导致解调后的相位信号受噪声影响的技术问题。
本发明的技术效果通过如下实现的：
一种光强信号的反正切相位解调方法，包括：
获取三端耦合器输出的三路初始光强信号，三路所述初始光强信号包括振动区域内的待测相位信号；
对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；
基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；
根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；
获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；
根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对所述振动区域内振动信号的振动探测。
进一步地，对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号，包括：
从三路所述初始光强信号中选取一路作为校准光强信号；
基于所述校准光强信号计算三路所述初始光强信号分别对应的光强差异系数，以得到一致性调整后的三路目标光强信号。
进一步地，对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号，之前包括：
简化三路所述初始光强信号分别得到每一路所述初始光强信号对应的光强表达式，以更新所述初始光强信号。
进一步地，所述光强表达式为不同时刻下的光强信号，所述光强表达式的参数包括在所述振动区域内的不同探测位置上的输出光强的平均值和在所述振动区域内的不同探测位置上的输出光强的交流系数。通过从输出初始光强信号的三路中选取一路作为校准路，并基于校准路的初始光强信号对三路初始光强信号进行一致性调整，以保证一致性调整后的三路初始光强信号幅值均衡，频率相同，相位两两相差2π/3，实现了三路初始光强信号的实时对齐。
进一步地，基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号，包括：
根据三路所述目标光强信号构建具有正切关系的正弦项信号和余弦项信号；
基于反正切解调算法对所述正弦项信号和所述余弦项信号进行反正切计算得到初始相位信号。
进一步地，根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号，包括：
对所述初始相位信号进行一阶微分处理得到对应的一阶微分信号；
对所述一阶微分信号进行解卷绕操作得到实际相位信号。
进一步地，对所述一阶微分信号进行解卷绕操作得到实际相位信号，包括：
判断所述一阶微分信号是否大于等于-π且小于等于π；
若是，则将所述一阶微分信号作为实际相位信号；
若否，则当所述一阶微分信号大于π时，将所述一阶微分信号与2π作差得到实际相位信号；当所述一阶微分信号小于-π时，将所述一阶微分信号与2π作和得到实际相位信号。由于传统的解卷绕方式当真实值实际变化在范围内时计算结果是准确的；然而当真实值的实际跳变大于时，会由于解缠绕将其误判为被缠绕值，而引入误差。因此，本申请提出了二次解卷绕方法，使得在通过反正切解调算法对所述正弦项信号和所述余弦项信号进行反正切计算得到初始相位信号后，再根据初始相位信号的一阶微分数据进行解卷绕操作以将二次解卷绕后的结果作为实际解卷绕的结果，从而扩大了相位变化的动态范围，还原得到实际相位信号。
进一步地，获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号，包括：
获取非振动区域内在振动探测过程中若干个连续的采集周期的相位信号；
根据所述非振动区域内的所述若干个连续的采集周期的相位信号得到对应的相位差分信号，以作为参考相位信号。
进一步地，根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，包括：
获取所述振动区域内所有探测位置在所述任意时刻下的实际相位信号；
将所有探测位置对应的所述实际相位信号均与所述参考相位信号作差得到最终相位信号以计算出所述待测相位信号。通过引入非振动区域的差分信号作为基准值，消除了周期性数据之间的固有漂移，提高了待测相位信号的还原程度。
另外，还提供一种光强信号的反正切相位解调装置，包括：
光强信号获取模块：用于获取三端耦合器输出的三路初始光强信号，三路所述初始光强信号包括振动区域内的待测相位信号；
一致性调整模块：用于对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；
反正切解调模块：用于基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；
二次解卷绕模块：用于根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；
参考相位得到模块：用于获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；
相位信号得到模块：用于根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对所述振动区域内振动信号的振动探测。
如上所述，本发明具有如下有益效果：
1)通过从输出初始光强信号的三路中选取一路作为校准路，并基于校准路的初始光强信号对三路初始光强信号进行一致性调整，以保证一致性调整后的三路初始光强信号幅值均衡，频率相同，相位两两相差2π/3，实现了三路初始光强信号的实时对齐。
2)提出了二次解卷绕方法，使得在通过反正切解调算法对所述正弦项信号和所述余弦项信号进行反正切计算得到初始相位信号后，再根据初始相位信号的一阶微分数据进行解卷绕操作以将二次解卷绕后的结果作为实际解卷绕的结果，从而扩大了相位变化的动态范围，还原得到实际相位信号。
3)通过引入非振动区域的差分信号作为基准值，消除了周期性数据之间的固有漂移，提高了待测相位信号的还原程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其它附图。
图1为本说明书实施例提供的一种光强信号的反正切相位解调方法的流程图；
图2为本说明书实施例提供的一段包含振动信息的光纤示意图；
图3为本说明书实施例提供的一种光强信号的反正切相位解调装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1：
如图1所示，本说明书实施例提供了一种光强信号的反正切相位解调方法，包括：
S100：获取三端耦合器输出的三路初始光强信号，三路所述初始光强信号包括振动区域内的待测相位信号；
S200：对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；
一种具体的实施方式中，步骤S200对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号，之前包括：
简化三路所述初始光强信号分别得到每一路所述初始光强信号对应的光强表达式，以更新所述初始光强信号。
其中，所述光强表达式为特定位置处不同时刻t下的光强信号，其中，不同时刻t指的是针对同一位置的周期性采集时刻。所述光强表达式的参数包括在所述振动区域内的不同探测位置上的输出光强的平均值和在所述振动区域内的不同探测位置上的输出光强的交流系数。
一种具体的实施方式中，步骤S200对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号，包括：
从三路所述初始光强信号中选取一路作为校准光强信号；
基于所述校准光强信号计算三路所述初始光强信号分别对应的光强差异系数，以得到一致性调整后的三路目标光强信号。
需要说明的是，三端耦合的直接探测型φ-OTDR架构的相位解调算法的原理如下：
在基于三端耦合的直接探测型φ-OTDR架构中，三端耦合指的是以3×3耦合器为核心的光学结构。该结构能够保证光强信号经过三端口后，由于耦合器本身的光学特性，可以输出三路频率相同、相位两两相差2π/3的初始光强信号。
这三路输出的初始光强信号经过光电探测器后，可以将其光强表达式简化为如下形式：
Figure BDA0003839013980000061
其中，k为三路光信号序号；p为光纤上不同的位置点，代表从光纤头部到光纤尾部的各个位置；
Figure BDA0003839013980000071
为在位置p处第k路输出的初始光强信号；
Figure BDA0003839013980000072
为在位置p处第k路输出光强的平均值；
Figure BDA0003839013980000073
为在位置p处第k路输出光强的交流系数；
Figure BDA0003839013980000074
为待测相位信号，采用相位解调算法对该信号进行提取。
理论上，
Figure BDA0003839013980000075
然而由于光电探测器的差异性及三路光路传输时的独立性，导致三路初始光强信号之间存在波动。因此，在获取三路初始光强信号以后，需要对其信号进行一致性调整以更新初始光强信号，保证数据是实时对齐的。
因此，本实施例中，一致性调整的具体操作如下：
1)选定第一路初始光强信号作为校准路，依次分别计算三路初始光强信号与第一路初始光强信号的光强差异系数，分别记为ρ1,ρ2,ρ3，其计算方式为：
Figure BDA0003839013980000076
2)分别计算
Figure BDA0003839013980000077
得到一致性调整后的三路初始光强信号，其表达形式为：
Figure BDA0003839013980000078
其中，
Figure BDA0003839013980000079
表示一致性调整后的三路初始光强信号，
Figure BDA00038390139800000710
分别表示位置p处第k路输出光强平均值和交流系数。
S300：基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；
一种具体的实施方式中，步骤S300基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号，包括：
根据三路所述目标光强信号构建具有正切关系的正弦项信号和余弦项信号；
基于反正切解调算法对所述正弦项信号和所述余弦项信号进行反正切计算得到初始相位信号。
具体地，通过一致性调整后的三路光强数据，即三路初始光强信号可利用正余弦公式之间的关系进行解调，解算出初始相位信号。本申请采用反正切解调算法进行解调，该算法运算简单，不需要复杂的微积分电路即可求解出初始相位信号，其计算过程如下：
1)构建正弦项
Figure BDA0003839013980000081
2)构建余弦项
Figure BDA0003839013980000082
3)正、余弦项次构建完毕后，利用二者正切关系，求解初始相位信息如下：
Figure BDA0003839013980000083
S400：根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；
一种具体的实施方式中，步骤S400根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号，包括：
对所述初始相位信号进行一阶微分处理得到对应的一阶微分信号；
对所述一阶微分信号进行解卷绕操作得到实际相位信号。
一种具体的实施方式中，对所述一阶微分信号进行解卷绕操作得到实际相位信号，包括：
判断所述一阶微分信号是否大于等于-π且小于等于π；
若是，则将所述一阶微分信号作为实际相位信号；
若否，则当所述一阶微分信号大于π时，将所述一阶微分信号与2π作差得到实际相位信号；当所述一阶微分信号小于-π时，将所述一阶微分信号与2π作和得到实际相位信号。
需要说明的是，经过反正切计算后，初始相位信号
Figure BDA0003839013980000084
落在(-π,π)之间。反正切的计算原理为：当实际相位数值超出这个区间时，会出现相位缠绕现象，即实际相位数值会被加上或减去若干个2π，以保证计算值始终落(-π,π)之间，使得得到的初始相位信号可能与实际相位数值存在不一致性。因此，反正切算法的结果需要通过解缠绕操作来还原实际相位。
经典的解缠绕方法为：当相位数据连续元素之间的差值绝对值大于π时，将±2π作为其真实值。其中，相位数据连续元素指的当前时刻的相位和后一时刻的相位。即当后一时刻的相位减去当前时刻的相位小于-π时，则将后一时刻的相位加上2π作为后一时刻的实际相位数值；当后一时刻的相位减去当前时刻的相位大于π时，则将后一时刻的相位减去2π作为后一时刻的实际相位数值。
而采用这种处理方式，只有当真实值的实际变化，即相位数据连续元素之间的差值的变化在(-π,π)范围内时计算结果是准确的，而当真实值的实际变化的绝对值大于等于π时，会由于将其误判为被缠绕值，对其解缠绕而引入误差。
因此，本申请提出了一种使用初始相位信号
Figure BDA0003839013980000091
的一阶微分数据
Figure BDA0003839013980000092
进行解卷绕操作，
Figure BDA0003839013980000093
解卷绕后的结果即为
Figure BDA0003839013980000094
的实际解卷绕的结果，将其记为
Figure BDA0003839013980000095
具体操作如下：
求解
Figure BDA0003839013980000096
后对其进行一阶微分，即一次差分，得到一阶微分信号
Figure BDA0003839013980000097
对一阶微分信号
Figure BDA0003839013980000098
进行解卷绕操作：当其连续元素之间的差值大于π(或小于-π)时，将其+2π(或-2π)作为其真实值，将其记为实际相位信号
Figure BDA0003839013980000099
以完成解卷绕得到准确的实际相位信号。
通过提出本申请中的二次解卷绕方法，使得在通过反正切解调算法对所述正弦项信号和所述余弦项信号进行反正切计算得到初始相位信号后，再根据初始相位信号的一阶微分数据进行解卷绕操作以将二次解卷绕后的结果作为实际解卷绕的结果，从而扩大了相位变化的动态范围，还原得到实际相位信号。
S500：获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；
一种具体的实施方式中，步骤S500获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号，包括：
获取非振动区域内在振动探测过程中若干个连续的采集周期的相位信号；
根据所述非振动区域内的所述若干个连续的采集周期的相位信号得到对应的相位差分信号，以作为参考相位信号。
S600：根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对所述振动区域内振动信号的振动探测。
一种具体的实施方式中，根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，包括：
获取所述振动区域内所有探测位置在所述任意时刻下的实际相位信号；
将所有探测位置对应的所述实际相位信号均与所述参考相位信号作差得到最终相位信号以计算出所述待测相位信号。
需要说明的是，由于Φ-OTDR使用窄线宽激光器作为光源，而激光器存在固有漂移，导致计算过程中，解调的相位结果容易随时间漂移，相当于额外引入了一个时变误差量。基于此考虑，本申请利用非振动区域的差分信号作为基准值，消除周期间数据的固有漂移，其具体操作方式如下。
如图2所示，本实施例将振动区域和非振动区域简化为振动段和非振动段，以一段包含振动信息的光纤示意图为例进行说明。其中，位置AB之间为振动段，位置CD之间为非振动段。
分别将位置AB段、CD段之间的解调后的相位数据记为
Figure BDA0003839013980000101
记一段时间内任意时刻的相位数据为
Figure BDA0003839013980000102
其中，ti表示第i时刻。
则从t1时刻到tT时刻之间的相位数据向量，即非振动区域内的若干个连续的采集周期的相位信号可表述为：
Figure BDA0003839013980000103
计算非振动段CD在一段时间内的相位差得到相位差分信号如下：
Figure BDA0003839013980000104
其含义为：计算非振动段CD内，后一时刻的相位数据与前一刻相位数据的差分结果。
将相位差分信号
Figure BDA0003839013980000105
作为参考相位信号，在光纤上其他任意位置的相位信号，都减去该参考相位信号，即为最终结果。以振动段AB区为例，记AB段最终获得的相位数据为
Figure BDA0003839013980000106
其计算方式为
Figure BDA0003839013980000107
以此类推，得到全距离段上的解调结果ψ(t)，即为最终的待测相位信号。
如图3所示，本说明书实施例还提供了一种光强信号的反正切相位解调装置，包括：
光强信号获取模块301：用于获取三端耦合器输出的三路初始光强信号，三路所述初始光强信号包括振动区域内的待测相位信号；
一致性调整模块302：用于对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；
反正切解调模块303：用于基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；
二次解卷绕模块304：用于根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；
参考相位得到模块305：用于获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；
相位信号得到模块306：用于根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对所述振动区域内振动信号的振动探测。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征能够相互结合。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，包括：
获取三端耦合器输出的三路初始光强信号，三路所述初始光强信号包括振动区域内的待测相位信号；
对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；
基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；
根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；
获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；
根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对所述振动区域内振动信号的振动探测。
2.根据权利要求1所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号，包括：
从三路所述初始光强信号中选取一路作为校准光强信号；
基于所述校准光强信号计算三路所述初始光强信号分别对应的光强差异系数，以得到一致性调整后的三路目标光强信号。
3.根据权利要求2所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号，之前包括：
简化三路所述初始光强信号分别得到每一路所述初始光强信号对应的光强表达式，以更新所述初始光强信号。
4.根据权利要求3所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，所述光强表达式为不同时刻下的光强信号，所述光强表达式的参数包括在所述振动区域内的不同探测位置上的输出光强的平均值和在所述振动区域内的不同探测位置上的输出光强的交流系数。
5.根据权利要求4所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号，包括：
根据三路所述目标光强信号构建具有正切关系的正弦项信号和余弦项信号；
基于反正切解调算法对所述正弦项信号和所述余弦项信号进行反正切计算得到初始相位信号。
6.根据权利要求5所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号，包括：
对所述初始相位信号进行一阶微分处理得到对应的一阶微分信号；
对所述一阶微分信号进行解卷绕操作得到实际相位信号。
7.根据权利要求6所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，对所述一阶微分信号进行解卷绕操作得到实际相位信号，包括：
判断所述一阶微分信号是否大于等于-π且小于等于π；
若是，则将所述一阶微分信号作为实际相位信号；
若否，则当所述一阶微分信号大于π时，将所述一阶微分信号与2π作差得到实际相位信号；当所述一阶微分信号小于-π时，将所述一阶微分信号与2π作和得到实际相位信号。
8.根据权利要求7所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号，包括：
获取非振动区域内在振动探测过程中若干个连续的采集周期的相位信号；
根据所述非振动区域内的所述若干个连续的采集周期的相位信号得到对应的相位差分信号，以作为参考相位信号。
9.根据权利要求8所述的光强信号的反正切相位解调方法，其特征在于，根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，包括：
获取所述振动区域内所有探测位置在所述任意时刻下的实际相位信号；
将所有探测位置对应的所述实际相位信号均与所述参考相位信号作差得到最终相位信号以计算出所述待测相位信号。
10.一种光强信号的反正切相位解调装置，其特征在于，包括：
光强信号获取模块：用于获取三端耦合器输出的三路初始光强信号，三路所述初始光强信号包括振动区域内的待测相位信号；
一致性调整模块：用于对三路所述初始光强信号进行一致性调整后得到三路目标光强信号；
反正切解调模块：用于基于反正切解调算法对三路所述目标光强信号进行处理得到初始相位信号；
二次解卷绕模块：用于根据所述初始相位信号采用二次解卷绕方法得到实际相位信号；
参考相位得到模块：用于获取非振动区域内的相位信号，以得到参考相位信号；
相位信号得到模块：用于根据所述实际相位信号和所述参考相位信号得到所述待测相位信号，以完成对所述振动区域内振动信号的振动探测。
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