[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

摘要

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。

主权项

1.一种相位敏感型光时域反射系统提高效率的信号处理方法，其特征在于：包括窄线宽激光器(1)、1×2光纤耦合器(2)、声光调制器(3)、掺铒光纤放大器(4)、光纤环形器(5)、传感光纤(6)、波形发生器(7)、2×2光纤耦合器(8)、平衡光探测器(9)、数据采集卡(10)、计算机(11)；其中，所述窄线宽激光器(1)经过1×2光纤耦合器(2)分成两路，一路为传感探针光信号经过声光调制器(3)调制为光脉冲，并经过掺铒光纤放大器(4)进行光功率放大，输入光纤环形器(5)的一号端口并由二号端口输出到传感光纤(6)，产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出；1×2光纤耦合器(2)输出的另一路为本地参考光信号与光纤环形器(5)的三号端口输出的传感信号进入2×2光纤耦合器(8)中合波，2×2光纤耦合器(8)两个输出端口与平衡光探测器(9)连接，平衡光探测器(9)进行光电转换并由数据采集卡(10)进行模数转换传递至计算机(11)进行信号处理；具体包括以下步骤：步骤1：通过相干探测的相位敏感型光时域反射系统，得到探测光脉冲所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号，拍频信号通过指定参数的带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声，得到中频信号；步骤2：对于步骤1中得到的任一探测光脉冲所形成的瑞利背向散射中频信号，选定窗口宽度，在距离轴上将中频信号划分成首尾相接且等宽度的区间D，按照距离轴正向的顺序表示为D0，D1，…，Di；步骤3：对于步骤2中得到的首尾相接且等宽度的中频信号区间，设各区间内所包含的中频信号数据点数为K，且K∈N*：当K为奇数时，各区间内第(K+1)/2个数据点所对应的位置为中点位置；当K为偶数时，各区间内第K/2个数据点所对应的位置为中点位置，选取各区间的中点位置为区间索引(Index)，使用I0，I1，…，Ii来进行表示，并将其记为区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)；步骤4：将区间索引矩阵I的左右两端元素分别记为ILeft和IRight，则其涵盖的原始中频信号区间为[DLeft，DRight]，选取以中频信号区间左右两端索引位置为中心，宽度等同于探测光脉冲的一段中频信号作为目标数据进行相位解调并解卷绕，得到区间D0和Di中点位置所对应的相位即ΦLeft和ΦRight，若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值小于判别阈值，则判定区间[DLeft，DRight]内无扰动；若ΦLeft和ΦRight之差的绝对值大于判别阈值，则判定区间[DLeft，DRight]内存在扰动，进行步骤5；步骤5：检查所述的区间索引矩阵I是否只存在2个元素，若是，则分别在这两个元素索引的原始中频信号位置处进行相位解调并解卷绕，以此表示发生外界扰动处的信号估计相位，重复步骤；若否，则进行步骤6；步骤6：提取所述的区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)的中心位置元素IMiddle，当i为奇数时，IMiddle＝I(i+1)/2；当i为偶数时，IMiddle＝Ii/2，将区间索引矩阵I＝[Ii]1×(i+1)从中心位置处分割为两个新的索引矩阵[ILeft，…，IMiddle]和[IMiddle，…，IRight]，重复步骤4，最终得到中频信号所有受到扰动区间的估计相位；步骤7：对于步骤6中得到的中频信号所有扰动区间的估计相位，对扰动区间内涵盖的等宽区间D作相邻区间相位差；对于非扰动区间，其涵盖的等宽区间相邻区间相位差记为零，回溯步骤1中得到的前一个探测光脉冲形成的瑞利背向散射中频信号，同样进行步骤2～步骤7的处理；步骤8：对于任意两个相邻区间，对当前时刻与前一时刻的相位差再次进行差分运算，获得这两个相邻区间的相位差的变化量，还原由外部振动信号引起的该相邻区间之间的光纤伸缩情况，实现对外部振动信号的感测。