[发明专利]分布式相位敏感光时域反射仪传感系统及相位提取方法

权利要求书

1.一种应用于分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的相位提取方法，其特征在于，所述系统包括：窄线宽激光器、第一耦合器、声光调制器、环形器、第二耦合器、光电探测器和数字信号处理器；其中，

窄线宽激光器，用于发射激光并将发射的激光通过第一耦合器分成两路，其中，一路作为信号光被声光调制器调制成脉冲光并在声光调制器频移的作用下成为单边带信号，作为单边带信号的脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；另一路作为本振光发送至第二耦合器；

第二耦合器，用于对本振光和环形器输出的瑞利散射光进行混频，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换；其中，混频之后的光信号为单边带信号；

数字信号处理器，用于对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位；

所述方法包括：

在发送端，通过声光调制器将信号光调制成脉冲光，脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；其中，脉冲光在声光调制器频移的作用下成为单边带信号；

在接收端，将本振光和环形器输出的瑞利散射光在第二耦合器中进行混频，其中，混频之后的光信号为单边带信号，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换，对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位；

其中，所述脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出包括：

将调制后的脉冲光通过放大、带通滤波之后经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光s_RBS(t)的时域表达式为：

其中，t为时间，A_s(t)为瑞利散射光的幅值，f₀为窄线宽激光器的频率，f_b为声光调制器的频移量，为瑞利散射光的瞬时相位偏移；

其中，本振光为载波，本振光s_LO(t)的时域表达式为：

其中，A_L为本振光的幅值，为本振光的瞬时相位偏移；

其中，本振光和环形器输出的经过放大、带通滤波之后的瑞利散射光在第二耦合器中混频后，输出的光信号s_mix(t)的时域表达式为：

其中，光电转换后得到的电信号I(t)的时域表达式为：

其中，A_S²(t)为信号自拍频干扰项；

其中，所述对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位包括：

对光电转换后得到的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，得到瑞利散射光功率I_PF(t)表达式：

其中，时间t＝t₀+NT，N为提取的信号I_PF(t)中有完整瑞利散射光周期的个数，T为瑞利散射光的周期，t₀为提取的信号I_PF(t)中第一个不完整周期瑞利散射光持续时间；

去除t₀时间内的信号，得到t’＝NT时间内的信号，将t’时间内的信号转换为N×T的数据矩阵，其中，每行数据与传感光纤中随距离变化的瑞利散射光相对应；

以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的功率差，通过功率差实现扰动位置定位；其中，无扰动的位置功率差为0，有扰动的位置功率差不为0，以此来实现扰动信号的定位；

以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的相位差，将扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位。

2.根据权利要求1所述的相位提取方法，其特征在于，所述将扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位包括：

设无扰动位置对应的时间为t_a+nT，扰动位置对应的时间为t_b+nT，根据相位差公式：分别确定扰动位置和无扰动位置的瑞利散射光相位差，并将扰动位置和无扰动位置的瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位

其中，t₁为第一个瑞利散射光周期中扰动位置对应的时间，I_PF^*(t₁)为瑞利散射光功率I_PF(t)表达式的共轭，t_a为第一个瑞利散射光周期内无扰动位置对应的时间，t_b为第一个瑞利散射光周期内扰动位置对应的时间，n＝2…N,0t₁≤T，为扰动信号引起的瑞利散射光的相位变化，为本振光的瞬时相位变化。