[发明专利]一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法

说明书

本发明公开了一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法。在距离轴上将拍频信号滤波得到的中频信号等分成首尾相接的等宽区间，选取中点位置为区间索引；迭代进行“索引矩阵两端元素鉴相判断‑索引矩阵长度判断‑索引矩阵中点分割”直至满足条件退出；扰动区域相邻区间求相位差，非扰动区域相邻区间相位差记为零，回溯前一中频信号进行同样处理；对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差进行差分运算，获得两个相邻区间相位差变化量，还原出振动信号。本发明仅使用单模传感光纤且不改变传统系统结构，通过忽略大量无效传感信息，降低系统运算负担，有效解决信号数据量大和系统运算量大造成的系统实时性差的难题。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法。

背景技术

相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点，能够实现对微弱扰动的分布式检测，在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康检测等领域具有广阔应用前景。目前，国内外关于Φ-OTDR的研究中，大部分检测的是瑞利散射信号的强度信息，对外界扰动引起的光相位变化的定量测量较少。上海光机所的PanZhengqing等人使用检测相位的方法处理Φ-OTDR数据。这种基于相位解调的Φ-OTDR能够获得比幅度解调更高的信噪比(大于10dB)。

通过鉴相，可以获得高保真的振动信号重构质量。然而，Φ-OTDR作为一种分布式传感的技术，其传感光纤当中的每一点均可以看作是独立的传感器。传感光纤越长，产生的传感数据越多，增加了解调的计算量，影响了系统的响应速度。同时，外界扰动一般只是稀疏分散在传感范围中，大部分传感器实际处于闲置的工作状态，因此系统无需对每一个传感器进行相同的解调，适当忽略这些闲置的传感器能够大幅加快Φ-OTDR系统在后续信号处理过程中的速度。因此，研究提升Φ-OTDR系统运算效率的信号处理方法是十分必要的。

为了解决相干探测Φ-OTDR系统中信号数据量大的问题，成都电子科技大学的饶云江等(WangZ,Zhang L,Wang S,et al.CoherentΦ-OTDRbased on I/Q demodulationandhomodyne detection[J].Optics express,2016,24(2):853-858.)提出利用90°光混频器和零外差检测的方法，直接在光频上进行光信号正交解调得到同相分量和正交分量，降低了系统对数据采集卡采样率的要求，减少了数据量，然而过低的采样率会造成系统空间分辨率的劣化，影响定位精度。西南交通大学的邵理阳等(He H,Shao LY,Li Z,etal.Self-Mixing Demodulation for CoherentPhase-Sensitive OTDR System[J].Sensors,2016,16(5):681；一种基于自混频技术的相位敏感光时域反射系统，中国发明专利，发明人：邵理阳，何海军，张志勇，闫连山，潘炜，罗斌，申请公告号：CN105606196A)提出了利用信号自混频的方法，将信号变频到基带上，可降低所需的数据采样率，以提升系统的实时性能。然而这种方案的解调信号受到光幅度影响，无法将外界扰动大小与其解调信号与建立精确的线性关系，限制了Φ-OTDR光纤传感系统的应用范围。同时，以上两种方案均增加了光路和器件的复杂度。

发明内容

为解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在仅使用普通单模传感光纤且不改变传统Φ-OTDR系统结构的前提下，提出一种相位敏感型光时域反射系统中提高运算效率的信号处理方法，在保证系统稳定性和空间分辨率的同时，减少系统运算量，提高系统响应速度，解决由于Φ-OTDR系统传感数据量大造成系统响应速度慢的难题，弥补现有技术在相位解调方面的不足，且本方案适用于各种相干探测解调的Φ-OTDR系统。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：