相位敏感型光时域反射系统中非硬件实现相位锁定的方法与流程

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种相位敏感型光时域反射系统中非硬件实现相位锁定的方法。


背景技术：

2.相位敏感型光时域反射计(phase
‑
sensitive optical time domain reflectometry,φ
‑
otdr)技术因其能够实现对光纤沿线动态扰动带来的应变的长距离、分布式、实时定量监测，在诸如大型设施的结构健康监测、周界安防、地震波探测、输电线路监测和水下线缆监测等诸多领域得到应用。φ
‑
otdr系统为了获得光纤沿线动态扰动信息，利用窄线宽脉冲激光器在光纤内部产生背向瑞利散射信号(rayleigh backscattering light,rbs)与参考光干涉来实现，但rbs信号的强度和相位均具有一定的随机性，对rbs信号直接进行叠加来提高信噪比时会不可避免的产生相干衰落噪声，反而导致系统的信噪比受到相干衰落噪声的影响急剧恶化，进而使得重构得到的外部扰动信号严重失真。
3.但由于声光调制器(aom)驱动源内部的载波信号、声光调制器(aom)驱动源的脉冲调制信号以及数据采集卡的触发信号三个信号时钟源相互独立，由于数据采集卡采集到的原始中频信号的初始相位连续不断地变化，使得随时间连续的中频信号相邻条曲线之间的相关性随时间逐渐减小，通过滑动平均的方式抑制相干衰落噪声时，会使得相位解调出现错误产生虚假的中高频信号干扰，对rbs信号进行iq解调后在其频谱图上能观察到在实际环境中并不存在的周期性固有频率。
4.为了能够通过滑动平均的方式抑制相干衰落噪声的影响，一般只能对φ
‑
otdr系统的结构进行硬件上的改造升级，使得三个信号的时钟来自同一时钟源，然而现有的方法需要借助系统以外的函数发生器产生同步时钟信号。由于现有φ
‑
otdr系统中一般均未安装硬件相位锁定的结构，且安装过程复杂、成本高、需占用一定的空间体积，对于该类系统可以通过对中频信号数据抽取的形式来达到近似硬件相位锁定的效果。


技术实现要素：

5.发明目的：针对以上问题，本发明提供一种相位敏感型光时域反射系统中非硬件实现相位锁定的方法，可以通过数据抽取的形式实现近似硬件相位锁定的效果，提高φ
‑
otdr系统中频信号信噪比，获得较高的灵敏度。
6.技术方案：本发明所述的一种相位敏感型光时域反射系统中非硬件实现相位锁定的方法，具体包括以下步骤：
7.(1)通过基于相干探测的φ
‑
otdr系统得到的探测光脉冲在传感光纤中所产生的瑞利背向散射光与参考光的拍频信号；
8.(2)将拍频信号通过带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声得到中频信号被数据采集卡采集输入计算机中；
9.(3)选取连续的、安静状态下的中频信号数据作为样本，以任一采样时刻的时域波
形图作为模板，连续绘制该样本的时域波形图与模板进行对比，观察时域波形相位漂移，统计每次时域波形与模板相位近乎重合时的周期m
t
，多次观察并统计m
t
值；
10.(4)求取m
t
的均值，并以均值的正整数倍取整后的k值作为抽样间隔，在抽样间隔内同时抽取出m组抽样间隔一致的中频信号数据；
11.(5)对抽取出的每组中频信号数据分别进行iq解调：将中频信号分为两路与正弦和余弦数字信号进行混频，再分别通过低通滤波器去除高频部分得到i\q两路输出，进而得到中频信号的相位信息；
12.(6)对得到的相位数据进行相位解缠绕处理，得到含有待测信号的m组相位锁定的鉴相数据。
13.进一步地，步骤(2)所述的中频信号为：
[0014][0015]
其中，e
r
(n)为散射光的振幅强度，e
l
(n)为参考光的振幅强度，f
m
为声光调制器引入的定量光移频量，为散射光的初始相位，参为考光的初始相位，n为任一采样点，n为采样总数。
[0016]
进一步地，所述步骤(3)所述观察并统计m
t
值的次数至少要100次。
[0017]
进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
[0018]
为避免产生定量光移频量与数据采集卡采样率之间出现频率差f
n
，应规避中频信号的相位漂移，在未进行硬件相位锁定的情况下，当以均值m
t
的正整数倍取整后的k值作为抽样间隔时，k为：
[0019]
k＝n1m
t (14)
[0020]
其中，n1实际上应为优选值，以k值进行抽样时，相位结果为：
[0021][0022]
由于均值m
t
为观测值，与真实值存在误差
△
m
t
，且其正整数倍通常无法取到一个正整数k，而是一个小数k1，经四舍五入舍去
△
k1后得到k，其实际为：
[0023]
k＝n1(m
t

△
m
t
)
△
k
1 (16)
[0024]
在以k值为抽样间隔进行抽样时存在误差，其近似误差为：
[0025][0026]
其中，n1作为优选值，在保证采样率符合要求的前提下，应使k1尽可能趋近于k。
[0027]
进一步地，步骤(6)所述的m组相位锁定的鉴相数据可通过功率谱密度的叠加，提高信噪比，获得较高的灵敏度。
[0028]
进一步地，所述数据采集卡采样率比待测信号的频率高k倍以上。
[0029]
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、在未进行硬件相位锁定的情况下，不改变传统φ
‑
otdr系统结构的前提下，通过对中频信号以一定的抽样间隔进行数据抽取，使得采集到的背向瑞利散射光初始相位锁定；2、通过对采集到的中频信号进行临近点间滑动滤波，得到的数据具有高度的相似性，滤波得到的中频信号信噪比明显变好，可以将未进行硬件相位锁定带来的干扰频率规避或搬离待观测区域，避免对待观测信号的干扰；
3、得到的m组相位锁定的鉴相数据可直接进行功率谱密度的叠加，从而获得较高的灵敏度。
附图说明
[0030]
图1是本发明的流程图；
[0031]
图2是传统φ
‑
otdr系统未进行硬件结构相位锁定时，某一安静时刻100条连续时域波形图叠加图；
[0032]
图3是传统φ
‑
otdr系统未进行硬件结构相位锁定时，某一安静时刻进行中频信号数据抽取后100条连续时域波形图叠加图；
[0033]
图4是传统φ
‑
otdr系统未进行硬件结构相位锁定时，外部施加720hz干扰信号时平衡探测器探测到的中频信号频谱图；
[0034]
图5是传统φ
‑
otdr系统未进行硬件结构相位锁定时，外部施加720hz干扰信号时平衡探测器探测到的中频信号进行中频信号数据抽取后的频谱图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0036]
本发明提出一种相位敏感型光时域反射系统中非硬件实现相位锁定的方法，对于声光调制器(aom)驱动源内部的载波信号、声光调制器(aom)驱动源的脉冲调制信号以及数据采集卡的触发信号三个信号时钟未加锁定的φ
‑
otdr系统，在不改变硬件结构的前提下，通过对中频信号以一定的抽样间隔进行数据抽取，可以实现对采集到的中频信号初始相位锁定；通过对采集到的中频信号进行临近点间滑动滤波，得到的数据具有高度的相似性，滤波得到的中频信号信噪比明显变好，同时将未进行硬件相位锁定带来的干扰频率规避或搬离待观测区域，避免对待观测信号的干扰；最后得到的m组相位锁定的鉴相数据还可直接进行功率谱密度的叠加，从而获得较高的灵敏度；如图1所示，具体包括以下步骤：
[0037]
步骤1：通过基于相干探测的φ
‑
otdr系统得到的探测光脉冲在传感光纤中所产生的瑞利背向散射光(rbs)与参考光的拍频信号。
[0038]
步骤2：将拍频信号通过带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声得到中频信号被数据采集卡(daq)采集输入计算机中。
[0039]
假设传统相干探测型φ
‑
otdr系统声光调制器(aom)引入的定量光移频量为f
m
，散射光的振幅强度为e
r
(n)，参考光的振幅强度为e
l
(n)，散射光的初始相位为参考光的初始相位为任一采样点位置为n，采样总数为n。数据采集卡采集到的中频信号可以表示为：
[0040][0041]
对于传统相干探测型φ
‑
otdr系统由于未进行硬件上的相位锁定，得到中频信号后一般便直接进行iq解调，假设iq解调中正余弦信号幅值强度表示为a
t
，频率为f
t
，初始相位为则函数表达式可表示为：
[0042][0043]
[0044]
将中频信号i0(n)分别与正余弦信号t1、t2混频：
[0045][0046][0047]
其中：a(n)＝e
r
(n)e
l
(n)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0048][0049]
理想状态下f
m
＝f
t
，对两路信号再分别通过低通滤波器去除高频部分得到i\q两路输出：
[0050][0051][0052]
但是由于声光调制器(aom)驱动源内部的载波信号、声光调制器(aom)驱动源的脉冲调制信号以及数据采集卡的触发信号三个时钟来自不同时钟源，相互独立，相位关系没有锁定，由于外界温度变化和环境的影响，从而导致f
m
与f
t
之间出现频率差f
n
和相应的相位误差使得中频信号存在相位漂移，此时的i、q信号实际可以表示为：
[0053][0054][0055][0056]
其中，f
s
为数据采集卡采样率，数据采集卡采样率比待测信号的频率高k倍以上。这将导致系统最终得到的相位解调结果出现误差，存在一定误差的相位解调结果可以表示为：
[0057][0058]
其中，m为正整数，由于f
n
的存在，最终得到的相位结果将不能正确的表征外界入侵扰动引起的rbs信号相位变化的实际情况，造成探测结果失真，信噪比下降。
[0059]
步骤3：选取10s连续的、安静状态下的中频信号数据作为样本，以任一采样时刻的时域波形图作为模板，连续绘制该样本的时域波形图与模板进行对比，观察时域波形相位漂移，统计每次时域波形与模板相位近乎重合时的周期m
t
，多次观察并统计m
t
值。观察并统计m
t
值的次数至少要100次。
[0060]
步骤4：求取m
t
的均值，并以均值的正整数倍取整后的k值作为抽样间隔，在抽样间隔内同时抽取出m组抽样间隔一致的中频信号数据。
[0061]
为避免产生f
n
，必须尽量规避中频信号的相位漂移，在未进行硬件相位锁定的情况下，当以均值m
t
的正整数倍取整后的k值作为抽样间隔时，k可表示为：
[0062]
k＝n1m
t (14)
[0063]
需要注意的是，这里的n1实际上应为优选值，以k值进行抽样时，可以一定程度上有效避免f
n
的产生，此时解调出的相位值经过解缠绕后可得到实际正确的相位结果为：
[0064]
[0065]
但一般情况下，由于均值m
t
为观测值，与真实值存在误差
△
m
t
，且其正整数倍通常无法取到一个整数k，而是一个小数k1，经四舍五入舍去
△
k1后得到k，其实际为：
[0066]
k＝n1(m
t

△
m
t
)
△
k
1 (16)
[0067]
因此，在以k值为抽样间隔进行抽样时存在误差，其近似误差为：
[0068]
δ
k
＝(k
‑
k1)/k1×
100％ (17)
[0069]
化简得：
[0070]
δ
k
＝
△
k1/n1(m
t

△
m
t
)
×
100％ (18)
[0071]
由于存在近似误差，并不能完全消除周期性固有频率的干扰，当以k值为抽样间隔对中频信号进行抽样时，周期性固有干扰信号频率会残留一个频率f
l
，当k1尽可能趋近于k时，f
l
会被搬离原来的频率点，从而可避免对待观测信号的干扰。同时由于对中频信号数据的抽取实际上为降采样过程，n1值不宜过大，否则会要求数据采集卡(daq)的采样率过高，因此n1作为优选值，必须在保证采样率符合要求的前提下，使k1尽可能趋近于k。
[0072]
步骤5：对抽取出的每组中频信号数据分别进行iq解调：将中频信号分为两路与正弦和余弦数字信号进行混频，再分别通过低通滤波器去除高频部分得到i\q两路输出，进而得到中频信号的相位信息。
[0073]
步骤6：对得到的相位数据进行相位解缠绕处理，得到m组相位锁定的鉴相数据。m组相位锁定的鉴相数据可直接进行功率谱密度的叠加，从而提高信噪比，获得较高的灵敏度。
[0074]
本实施方式根据拍频信号200mhz的频率和探测光脉冲100ns的脉宽，指定带通滤波器的中心频率为200mhz，带宽为20mhz。将拍频信号通过带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声得到中频信号，被数据采集卡(daq)采集输入计算机中，其中数据采集卡采样率设置为20khz。选取10s安静状态下的中频信号数据作为样本，以第一个采样时刻的时域波形图作为模板，连续绘制该样本的时域波形图与模板进行对比，观察时域波形相位漂移，统计每次时域波形与模板相位近乎重合时的周期m
t
，观察并统计m
t
值300次，大多数m
t
值为6，少数为5。求取m
t
的均值为5.929，优选值n1选择为1，则k＝6值作为抽样间隔，在抽样间隔内同时抽取出6组抽样间隔一致的中频信号数据，通过数据抽取的形式采样率降为3373hz。对抽取出的每组中频信号数据分别进行iq解调：将中频信号分为两路与正弦和余弦数字信号进行混频，再分别通过低通滤波器去除高频部分得到i\q两路输出，进而得到中频信号的相位信息。对得到的相位数据进行相位解缠绕处理，得到6组相位锁定的鉴相数据。
[0075]
实验测得在未对声光调制器驱动源内部的载波信号的时钟源、用于输入至aom驱动源的脉冲调制信号的时钟源和用于数据采集卡的触发信号的时钟源进行硬件上的相位锁定，待观测信号为720hz振动信号时，图2是对某一安静状态下平衡探测器探测到的中频信号样本100条连续时域波形图叠加，可以观察到，由于存在相位漂移，不同时刻的中频信号之间相位信息没有相关性；图3是对某一安静状态下平衡探测器探测到的中频信号样本进行数据抽取后，得到的100条连续时域波形图叠加后，可以观察到，通过数据抽取的形式，规避了相位漂移，不同时刻的中频信号之间相位信息有很强的相关性。通过图2和图3的对比，可以说明传统相干探测型φ
‑
otdr在未进行硬件相位锁定时，本发明方法可以使得采集到的背向瑞利散射光初始相位锁定。
[0076]
图4是传统φ
‑
otdr系统未进行硬件结构相位锁定时外部施加720hz干扰信号时平
衡探测器探测到的250s中频信号频谱图。在频谱图中存在720hz附近，存在622hz、780.7hz和880hz等固有频率的影响，信噪比为2.5db左右且噪声谱不平坦；图5是其进行数据抽取后，在软件上实现相位锁定时，外部施加720hz干扰信号时平衡探测器探测到的250s中频信号的频谱图,该图已经对6组抽样数据进行了功率谱密度叠加，可以看出720hz附近固有干扰频率被搬离该频带，信噪比为12.3842db,得到了极大地提升，同时噪声谱变得平坦。通过图4和图5的对比，可以看出传统相干探测型φ
‑
otdr在未进行硬件相位锁定时，本发明可以将未进行硬件相位锁定带来的干扰频率规避掉或搬离待观测区域，避免对待观测信号的干扰；同时对采集到的中频信号进行临近点间滑动滤波，得到的数据具有高度的相似性，滤波得到的中频信号信噪比明显变好，从而获得较高的灵敏度。
[0077]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。