[发明专利]一种基于整体最小二乘拟合的Φ-OTDR定量测量的方法

说明书

本发明提出一种基于整体最小二乘拟合的Φ‑OTDR定量测量的方法，涉及光纤传感技术领域。在基于数字相干探测方式的相位光时域反射仪中，测量光纤上动态事件的光相位沿光纤长度方向不断累加，又由于光纤折射率分布的不均匀性，累加后的相位沿光纤长度方向具有随机分布的特性，并且激光的频率漂移对测量结果也有影响。为了获取准确的定量解调结果，本发明经过获取数据、规定坐标、判断位置、原始解相、设新原点、相位作差、去除均值等一系列的数据采集、处理过程，在光纤长度方向得到了相对平滑的相位变化值，并且为了进一步精确求解，在经过数据拟合、适用判断的过程后得到了求解结果。该方法尽可能降低了激光频率漂移的影响，同时降低了偏振衰落等噪声的影响，使得测量结果具有高度的可靠性、精确性。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于整体最小二乘拟合的Φ-OTDR定量测 量的方法。

背景技术

分布式光纤传感技术是光纤传感技术中一个重要的分支，它利用光纤中的背向散射光携 带的信号对光纤沿途的事件进行定位、识别、测量等操作。在背向散射光中，根据物理机制 和参数特征的不同，依次划分为瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光。其中，瑞利散射 光是基于弹性效应的，光强度在三种背向散射光中相对较大，相对而言是最容易检测的。

基于背向瑞利散射光，人们发明了OTDR(optical time domain reflectometer，光时域反射 仪)，实现了光纤沿途断点等事件的监测，但是由于OTDR使用的是宽带光源，其测量距离有 限。为了提供更远的测量距离，提出了使用窄线宽、高相干度的激光器，并且采用具有近量 子极限探测能力的相干探测方法，形成了COTDR(coherent optical timedomain reflectometer， 相干光时域反射仪)，极大地提高了探测距离。但是，无论是OTDR，还是COTDR，其在实 际测量过程中，往往对测量数据进行数据平均的操作，导致其测量周期较长。这造成了使用 的不方便，还使得仪器无法对动态事件进行监测，更无法进行连续的定量测量。

通过对相干光时域反射仪的深入研究，研究者发现，相干光时域反射仪的衰落噪声在没 有外界干扰的情况下是相对稳定的，也就是说，衰落噪声所呈现的散斑状曲线图如果发生了 变化，则可以知道有外界事件对光纤产生了作用。更庆幸的是，通过对曲线图进行差分运算 可以找到事件作用的位置，因而就实现了对动态事件的监测。因而，这种效应被广泛应用于 电网舞冰监测、周界安防监控和建筑结构实时健康监测等领域。由于这种检测能力在本质上 是由于作用于光纤的事件导致了光相位的变化。因此，具备这种动态检测能力的仪器被称之 为Φ-OTDR(phase optical time domain reflectometer，相位光时域反射仪)。

根据光纤传感的基本原理，相位光时域反射仪的探测结果是作用于光纤的事件引起的应 变进一步引起的一系列的光学效应。很多时候，事件和应变之间存在线性关系，应变和光程 差或者说相位变化量存在线性关系，而幅度或者说强度是相位的非线性函数。针对曲线进行 差分运算的相位光时域反射仪实际上就是针对背向瑞利散射光的幅度或者说强度信息进行检 测的，也就是说没有办法对作用于光纤上的事件进行定量测量。