相位敏感光時域反射光纖分布式傳感系統相位計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖分布式振動傳感系統相位計算方法，尤其是一種相位敏感光時域反射光纖分布式振動傳感系統相位計算方法，本發明屬于光纖傳感技術應用領域。
【背景技術】
[0002]相位敏感光時域反射(Phase-sensitiveOptical Time Domain Reflectometry,縮寫為Φ-OTDR或Phase-sensitive 0TDR)光纖分布式傳感系統用于對外界振動擾動事件進行監測，可以實現對外界振動擾動事件位置的精確定位，具有線形分布式測量、遠程測量、高靈敏度、抗電磁干擾能力強、絕緣性好、本質安全、重量輕體積小等優點，應用非常廣泛。在石油化工領域，Φ -OTDR可以實現輸油、氣管道防破壞挖掘事件監測，還可以用于油氣開采中超聲波測井;在軌道交通領域，Φ-OTDR可以實現鐵軌振動狀態監測；在電力系統領域，Φ -OTDR可以實現電纜隧道的安全監測，高壓電纜防盜割監測等;在安防領域，Φ -OTDR可以作為分布式光纖圍欄，對各種入侵事件進行監測報警。
[0003]在實際測量外界振動應用中，Φ-OTDR向傳感光纖中發射光脈沖，通過光纖背向散射光到達探測終端的時間進行外界擾動事件位置的定位，同時，需要重復發射多個光脈沖來獲取擾動位置相位的變化信息，目前，中科院上海光機所Zhengqing Pan等提出了正交相位角軍調方法(Zhengqing Pan, Kezhen Liang, Qing Ye, Haiwen Cai , Ronghui Qu, andZujie Fang，Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detect1n,Proc.0f SPIE, 2011，8311，83110S)，用于對Φ-OTDR系統所采集到拍頻信號的相位進行解調，可以獲得事件點背向瑞利散射信號的相位信息;此外，南京大學Guojie Tu等還提出了相位解卷繞的算法對相位解調數據進行處理(Guo jie Tu, Xuping Zhang , YixinZhang, Fan Zhu, Lan Xia, Nakarmi, B., Development of an Φ-OTDR System forQuantitative Vibrat1n Measurement, IEEE Photonics Technology Letters, 2015,27(12): 1349-1352)，實現了事件點背向瑞利散射信號相位的拓展。然而，利用一維散射模型對Φ-OTDR系統分析可以知道，光脈沖傳輸通過外界擾動區域的過程中，每個位置的背向瑞利散射光相位是光脈沖內所有瑞利散射單元相干疊加的結果，是一個累加過程，因此，采用振動區域某點的相位變化值不能準確描述外界實際振動所引起的光纖相位變化過程。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種相位敏感光時域反射光纖分布式振動傳感系統相位計算方法，以解決準確獲取實際外界振動引入相位變化值的問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
一種相位敏感光時域反射光纖分布式振動傳感系統相位計算方法，
所述相位敏感光時域反射光纖分布式振動傳感系統，包括窄線寬激光器I2光纖耦合器2，聲光調制器3，摻鉺光纖放大器4，光纖環形器5，傳感光纖6，2 '2光纖耦合器7，平衡光探測器8，數據采集卡9，計算機10; 窄線寬激光器I經過f 2光纖耦合器2分成兩路，其中一路光信號經過聲光調制器3調制為移頻的光脈沖，再經過摻鉺光纖放大器4進行光功率放大后通過光纖環形器5輸入到傳感光纖6中傳輸，光脈沖在傳感光纖6中傳輸激發的背向散射光沿傳感光纖6進行背向傳輸到達光纖環形器5; 1/2光纖親合器2的另一路光信號與光纖環形器5返回的背向散射光分別由兩個端口注入到2 '2光纖親合器7中傳輸并相干，2 '2光纖親合器7的兩個輸出端口與平衡光探測器8連接，進行光電轉換獲得背向散射光拍頻電信號，經數據采集卡9采集得到數字拍頻信號輸出至計算機10計算拍頻信號的幅度和相位信息；
包括以下步驟:
步驟1:所述數據采集卡9采集I次以上次光脈沖對應的拍頻數字信號，基于光時域反射原理，構建拍頻數字信號二維矩陣IHUmxn，其中，表示所述采集卡9采集到的第i次光脈沖對應的在傳感光纖第j位置上的背向散射光拍頻數字信號值；
步驟2:采用數字正交解調信號處理方法，由所述拍頻數字信號二維矩陣R獲得背向散射光相位矩陣Φ;
步驟3:確定外界振動擾動位置Y:將背向散射光相位矩陣Φ中相隔k列的兩列Φω,j和fIVj相減，其中，k可取I?500，獲得拍頻信號相隔k個采樣點的相位差二維矩陣S，其中，Sm, j=Φη, j_Φn, j，以傳感光纖位置為橫坐標參量，畫出矩陣S各行曲線，找出外界振動引入的相位擾動位置Y;
步驟4:在所述外界振動擾動位置Y之前和之后分別選取一個無相位擾動的位置X和Z，對X和Z在所述背向散射光相位矩陣Φ中對應列相位ΦX和Φz進行相位解卷繞，將相位變化拓展到?+°°范圍；
步驟5:將振動之后位置Z的相位曲線減去振動之前位置X的相位曲線，再除以2，得到外界振動在Y處所引入的相位變化值。
[0006]本發明的有益效果在于:
(I)本發明可以準確獲得Φ-OTDR光纖分布式傳感系統中外界振動事件對光脈沖引入的相位變化值；
(2 )本發明基于常規的Φ -OTDR光纖分布式傳感系統，無需復雜的算法。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明中相位敏感光時域反射光纖分布式振動傳感系統結構示意圖；
圖2是本發明的流程圖；
圖3是本發明中通過相位正交解調得到的振動定位信息圖；
圖4是本發明中振動位置前后相位變化曲線圖；
其中:
1-窄線寬激光器，2-1 2光纖親合器，3-聲光調制器，4-摻鉺光纖放大器，5-光纖環形器，6-傳感光纖，7- 2'2光纖耦合器，8-平衡光探測器，9-數據采集卡，10-計算機，11_壓電陶瓷。
【具體實施方式】
[0008]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清晰，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0009]實施例1:
參見圖1，相位敏感光時域反射光纖分布式振動傳感系統，包括窄線寬激光器I，1'2光纖耦合器2，聲光調制器3，摻鉺光纖放大器4，光纖環形器5，傳感光纖6，2 '2光纖耦合器7，平衡光探測器8，數據采集卡9，計算機1。
[0010]系統各部分器件說明如下:
窄線寬激光器I，用于產生長相干長度激光；
f 2光纖耦合器2，用于將激光分成兩路，一路用于傳感光路，另一路用于參考光路，傳感光路光功率遠大于參考光路，耦合分光比可以選擇為90:10;
聲光調制器3，用于將激光調制為脈沖激光，同時，讓激光脈沖獲得固定頻率的移頻；
摻鉺光纖放大器4，用于放大激光脈沖，以提升在傳感光纖中所激發的背向散射光強； 光纖環形器5，為一個三端口光纖環形器；
傳感光纖6，為標準通信用單模石英光纖；
2'2光纖耦合器7，用于傳感光纖背向散射光與本地參考光的合波干涉，耦合分光比為50:50；