本發(fā)明涉及一種相位敏感光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)精確定位方法，屬于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

相位敏感光時域反射計(jì)（phase-sensitiveopticaltimedomainreflectometry，縮寫為ф-otdr或phase-sensitiveotdr）是一種全分布式光纖傳感系統(tǒng)，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、體積小、高安全性、空間分辨率高、設(shè)備鋪設(shè)簡單、無盲區(qū)、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢。光相干解調(diào)探測的引入，使得ф-otdr具備了更高的靈敏度和相位解調(diào)能力，近年來，相干式ф-otdr引起了廣泛關(guān)注并投入實(shí)用。目前，ф-otdr已在諸多應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)其巨大的價(jià)值，如在安防領(lǐng)域中，ф-otdr可作為大型重要邊界線和設(shè)施（如國境線、油田油井、油氣管道）的監(jiān)控設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對各種入侵、破壞和偷盜事件進(jìn)行實(shí)時無人監(jiān)測；在交通系統(tǒng)中，ф-otdr可用于監(jiān)控列車運(yùn)行位置和速度，監(jiān)測路口車輛流量等；在電力系統(tǒng)中，ф-otdr可用于電纜和連接頭的局部放電檢測和電纜周界安全監(jiān)控；在地質(zhì)監(jiān)測中，ф-otdr可以實(shí)現(xiàn)對山體滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警；在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控中，ф-otdr可以實(shí)現(xiàn)對橋梁等大型關(guān)鍵建筑的結(jié)構(gòu)健康實(shí)時分布式測量。

ф-otdr作為一種主動式探測技術(shù)，利用光纖的瑞利散射光進(jìn)行分布式傳感，外界環(huán)境變化信息可由背向瑞利散射光的幅度和相位來獲取和恢復(fù)。在相干型ф-otdr系統(tǒng)擾動源定位中，目前普遍利用的是幅度差分方案（tug,zhangx,zhangy,etal.thedevelopmentofan-otdrsystemforquantitativevibrationmeasurement[j].ieeephotonicstechnologyletters,2015,27(12):1349-1352.；分布式光纖傳感器及信息解調(diào)方法，中國發(fā)明專利，發(fā)明人：梁可楨，潘政清，蔡海文，葉青，周俊，授權(quán)公告號：cn10262869b），而實(shí)際上，利用相位定位能夠獲得更高的定位信噪比（pangf,hem,liuh,etal.afading-discriminationmethodfordistributedvibrationsensorusingcoherentdetectionof?-otdr[j].ieeephotonicstechnologyletters,2016,28(23).）。然而，ф-otdr作為一種分布式傳感器，其傳感光纖的每一點(diǎn)均可作為獨(dú)立的傳感器，傳感光纖越長，產(chǎn)生的傳感數(shù)據(jù)越多，增加了解調(diào)的計(jì)算量，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。而擾動一般稀疏分散在傳感范圍中，大部分傳感器實(shí)際處于閑置的工作狀態(tài)，因此系統(tǒng)無需對每一個傳感器進(jìn)行相同的解調(diào)，適當(dāng)忽略這些閑置的傳感器能夠大幅加快系統(tǒng)定位速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種相位敏感光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)精確定位方法，結(jié)合相位解調(diào)帶來的定位優(yōu)勢和“二分法”的思想，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和空間分辨率的同時，減少系統(tǒng)運(yùn)算量，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，解決了由于ф-otdr系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)量大造成系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的難題，且本方案適用于各種相干探測解調(diào)的ф-otdr系統(tǒng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種相位敏感光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)精確定位方法，其應(yīng)用的相位敏感光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)包括窄線寬激光器，1×2光纖耦合器，聲光調(diào)制器，摻鉺光纖放大器，光纖環(huán)形器，傳感光纖，任意波形發(fā)生器，2×2光纖耦合器，平衡光探測器，數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)；所述的窄線寬激光器經(jīng)過1×2光纖耦合器分成兩路，一路為傳感探針光信號經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制為光脈沖，并經(jīng)過摻鉺光纖放大器進(jìn)行光功率放大，輸入光纖環(huán)形器的一號端口并由二號端口輸出到傳感光纖，產(chǎn)生的瑞利背向散射光由二號端口輸入并由三號端口輸出；1×2光纖耦合器輸出的另一路為本地參考光信號與光纖環(huán)形器的三號端口輸出的傳感信號進(jìn)入2×2光纖耦合器中合波，2×2光纖耦合器兩個輸出端口與平衡光探測器連接，平衡光探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞至計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理。

后續(xù)信號處理包括以下步驟：

步驟1：構(gòu)建信號的數(shù)據(jù)矩陣：以單個光脈沖對應(yīng)的數(shù)字信號為行向量，多個連續(xù)的光脈沖對應(yīng)的數(shù)字信號按光脈沖發(fā)射的時間順序依次作為第1行，第2行，……，第m行，其中m表示光脈沖個數(shù)，構(gòu)建數(shù)字信號矩陣d=[di，j]m×k，其中，di，j表示所述數(shù)據(jù)采集卡采集到的第i個光脈沖對應(yīng)傳感光纖第j個數(shù)據(jù)點(diǎn)上的瑞利散射光數(shù)字信號值，k表示單個光脈沖對應(yīng)的數(shù)字信號總長度；將數(shù)字信號矩陣d上分為多段k列，其中k≤k，長度為l的信號矩陣s=[si，j]m×k作為待測數(shù)據(jù)矩陣。

步驟2：確定系統(tǒng)空間分辨率：以光脈沖定義系統(tǒng)空間分辨率l＝c×t/(2×n)，其中，c表示真空中的光速，t表示光脈沖持續(xù)時間，n表示光纖折射率。

步驟3：利用相位解調(diào)算法提取所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s兩端列相位φleft和φright，其位置分別用jleft和jright表示。若φleft和φright相同，則判定其所在區(qū)間(jleft,jright)內(nèi)無擾動，尋找其他未經(jīng)檢測的待測數(shù)據(jù)矩陣，重復(fù)進(jìn)行步驟3，直至所有待測區(qū)間均檢測完成；若φleft和φright不同，則判定其所在區(qū)間(jleft,jright)內(nèi)存在擾動，進(jìn)行步驟4。

步驟4：檢查所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s長度l是否小于所述的系統(tǒng)空間分辨率l，若是，則可利用s中任意一個位置表示擾動源位置，重復(fù)步驟3，否則進(jìn)行步驟5。

步驟5：提取所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s中間位置附近某列相位φmiddle，其位置用說jmiddle表示，則將待測數(shù)據(jù)矩陣s分割成兩段區(qū)間(jleft,jmiddle)和(jmiddle,jright)，分別以這兩個區(qū)間作為新的待測數(shù)據(jù)矩陣s，重復(fù)步驟3。

本發(fā)明的原理如下：

當(dāng)所述的傳感光纖上的某一點(diǎn)發(fā)生擾動，由光的彈光效應(yīng)可知，光脈沖在經(jīng)過該擾動點(diǎn)時將引入一個附加相移??，且附加相移量受外界擾動調(diào)制。光脈沖將攜帶該附加相移??繼續(xù)在光纖中傳播，傳播過程中產(chǎn)生相位和光脈沖相位相同的瑞利散射光，因此，在擾動點(diǎn)后所產(chǎn)生的瑞利散射光相位均將附加??，且該附加相移僅僅由擾動造成，信號衰落噪聲和無擾動的情況則不會引入該附加相移。基于這一原理，僅僅根據(jù)某區(qū)間兩端點(diǎn)相位的相似程度以及這兩點(diǎn)相位發(fā)生的能量變化即可確定該區(qū)段是否發(fā)生了擾動，即：若該區(qū)間無擾動，區(qū)間兩端點(diǎn)相位相同，能量不發(fā)生變化；若該區(qū)間存在擾動，區(qū)間兩端點(diǎn)相位不同，且能量發(fā)生變化?；谶@一特性，又因?yàn)閿_動在ф-otdr在傳感范圍中稀疏存在，則系統(tǒng)在某段區(qū)間上尋找擾動源位置，可類比于求解方程的根，利用二分法思想，進(jìn)行區(qū)間折半和迭代逼近即可實(shí)現(xiàn)擾動源的精確定位。在實(shí)現(xiàn)二分法定位的過程中，由于傳感光纖上大量閑置傳感點(diǎn)被忽略，僅僅解調(diào)和判定少量關(guān)鍵位置的傳感數(shù)據(jù)，因此可大幅加快系統(tǒng)定位速度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明結(jié)合相位定位的優(yōu)勢和二分法迭代查找的思想，用極少的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了滿足要求的ф-otdr光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率，提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度。同時，本發(fā)明通過分析瑞利散射光相位進(jìn)行擾動源定位，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明基于常規(guī)的相干ф-otdr光纖傳感系統(tǒng)，但本方案能夠適用于各種相干探測解調(diào)的ф-otdr光纖傳感系統(tǒng)，具有一定通用性和適應(yīng)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中相位敏感光時域反射光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例子進(jìn)行詳細(xì)描述。由于本方案可以進(jìn)行多種拓展或變形，涉及器件均可替換成相似功能不同型號的器件，不應(yīng)以此限制該專利的保護(hù)范圍。

參見圖1，本方法應(yīng)用的相位敏感光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括窄線寬激光器1，1×2光纖耦合器2，聲光調(diào)制器3，摻鉺光纖放大器4，光纖環(huán)形器5，傳感光纖6，任意波形發(fā)生器7，2×2光纖耦合器8，平衡光探測器9，數(shù)據(jù)采集卡10，計(jì)算機(jī)11，壓電陶瓷管12。

系統(tǒng)各部分器件說明如下：

窄線寬激光器1，用于產(chǎn)生高相干度的激光。

1×2光纖耦合器2，用于將激光分成兩路，一路作為傳感探針光，另一路作為本地參考光，傳感探針光瞬時光功率遠(yuǎn)大于本地參考光，耦合分光比可以選擇為90:10；

聲光調(diào)制器3，用于將激光調(diào)制為脈沖光，同時，讓激光脈沖獲得固定頻率的移頻。本實(shí)例中，使用聲光調(diào)制器對光的頻移量為200mhz；

摻鉺光纖放大器4，用于放大激光脈沖功率，提升傳感光纖6中所激發(fā)的瑞利散射光強(qiáng)以提升本系統(tǒng)傳感范圍。本實(shí)例中，使用的摻鉺光纖放大器最大增益為20dbm；

光纖環(huán)形器5，為一個三端口光纖環(huán)形器，其光學(xué)特征是從一號端口輸入的光只能從二號端口輸出，從二號端口輸入的光只能從三號端口出。在本方案中，傳感探針光從光纖環(huán)形器一號端口輸入并從二號端口輸出，從二號端口接收的瑞利背向散射光從三號端口輸出。

傳感光纖6，為標(biāo)準(zhǔn)通信用單模光纖。

任意波形發(fā)生器7，產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖序列，對聲光調(diào)制器3進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)光脈沖輸出，該脈沖信號同時作為數(shù)據(jù)采集卡10的采集觸發(fā)源。本實(shí)例中，任意波形發(fā)生器型號輸出重復(fù)頻率為2khz，光脈寬即光脈沖的持續(xù)時間為50ns的脈沖序列。

2×2光纖耦合器8，用于傳感光纖背向散射光與本地參考光的合波，耦合分光比為50：50。

平衡光探測器9，用于光電轉(zhuǎn)換，探測光相干信號，其輸出為聲光調(diào)制器3移頻頻率的電信號。

數(shù)據(jù)采集卡10，用于實(shí)現(xiàn)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集平衡光探測器9輸出電信號并轉(zhuǎn)換將其為數(shù)字信號傳遞給計(jì)算機(jī)11。

計(jì)算機(jī)11，用于對數(shù)據(jù)采集卡10所采集的數(shù)字信號進(jìn)行處理。

壓電陶瓷管12，用于引入擾動。為了模擬外界擾動事件，在傳感光纖6上設(shè)置一個壓電陶瓷管12作為擾動源，并將光纖纏繞其上，利用一個信號發(fā)生器在壓電陶瓷管12上施加變化的電壓，壓電陶瓷管膨脹和收縮形成擾動并直接傳遞給傳感光纖6。在本實(shí)例中，傳感光纖6全長約40km，壓電陶瓷管12距離光纖環(huán)形器5的位置約為20km，壓電陶瓷的振動頻率為100hz，光纖纏繞長度約2m。在該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，壓電陶瓷12所模擬的外界振動事件可以發(fā)生在整條傳感光纖的任意位置。

窄線寬激光器1經(jīng)過1×2光纖耦合器2分成兩路，一路為傳感探針光信號經(jīng)過聲光調(diào)制器3調(diào)制為光脈沖，并經(jīng)過摻鉺光纖放大器4進(jìn)行光功率放大，輸入光纖環(huán)形器5的一號端口并由二號端口輸出到傳感光纖6，產(chǎn)生的瑞利背向散射光由二號端口輸入并由三號端口輸出；1×2光纖耦合器2輸出的另一路為本地參考光信號與光纖環(huán)形器5的三號端口輸出的傳感信號進(jìn)入2×2光纖耦合器8中合波，2×2光纖耦合器8兩個輸出端口與平衡光探測器9連接，平衡光探測器9進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并由數(shù)據(jù)采集卡10進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞至計(jì)算機(jī)11進(jìn)行信號處理。

參見圖2，本發(fā)明所述的相位敏感光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)精確定位方法，其后續(xù)信號處理包括以下步驟：

步驟1：以單個光脈沖對應(yīng)的數(shù)字信號為行向量，多個連續(xù)的光脈沖對應(yīng)的數(shù)字信號按光脈沖發(fā)射的時間順序依次作為第1行，第2行，……，第m行，其中m為光脈沖個數(shù)，構(gòu)建數(shù)字信號矩陣d=[di，j]m×k，其中，di，j表示所述數(shù)據(jù)采集卡9采集到的第i個光脈沖對應(yīng)傳感光纖第j個數(shù)據(jù)點(diǎn)上的瑞利散射光數(shù)字信號值；本實(shí)例中，共采集50個連續(xù)光脈沖對應(yīng)的瑞利散射光信號，數(shù)字信號矩陣大小為50×599432。將該矩陣分割為長度l約為1km的50個待測區(qū)間矩陣，以區(qū)間(20.0446km,21.0479km)為例，從數(shù)字信號矩陣d中提取該區(qū)間的瑞利散射數(shù)字信號，作為所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s，其矩陣大小為50×14650。

步驟2：確定系統(tǒng)空間分辨率：以光脈沖定義的系統(tǒng)空間分辨率l=c×t/(2×n)≈5m，其中，c=3×10⁸m/s，t=50ns，n=1.47。

步驟3：利用相位解調(diào)算法提取所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s兩端列相位φleft和φright，其位置分別為jleft和jright。若φleft和φright相同，則判定其所在區(qū)間(jleft,jright)內(nèi)無擾動，尋找其他未經(jīng)檢測的待測數(shù)據(jù)矩陣，重復(fù)進(jìn)行步驟3，直至所有待測區(qū)間均檢測完成；若φleft和φright不同，則判定其所在區(qū)間(jleft,jright)內(nèi)存在擾動，進(jìn)行步驟4。

步驟4：檢查所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s長度l是否小于系統(tǒng)空間分辨率l，若是，則可利用s中任意一個位置j表示擾動源位置，重復(fù)步驟3，否則進(jìn)行步驟5。

步驟5：提取所述的待測數(shù)據(jù)矩陣s中間位置附近某列相位φmiddle，其位置為jmiddle，則將待測數(shù)據(jù)矩陣s分割成兩段區(qū)間(jleft,jmiddle)和(jmiddle,jright)，分別以這兩個區(qū)間作為新的待測數(shù)據(jù)矩陣s，重復(fù)步驟3。

通過步驟3-5的迭代計(jì)算，得到擾動源位置在s坐標(biāo)位置(7896,7965)中，即空間位置(20.5853km,20.5901km)中，空間分辨率約為5m。本實(shí)例以該區(qū)間中點(diǎn)作為所述的擾動源位置，即擾動源位置為20.5877km，誤差約為±2.5m。