基于全数字化移相的相位解调方法及系统

技术领域

本发明涉及一种相位敏感型光时域反射系统全数字化移相相位解调方法，用于相位敏感型光时域反射仪系统相干光电信号相位解调分析。可实现对相位敏感型光时域反射仪系统相位数字化解调，进而实现分布式光纤振动传感信号实时解析，以有效获取光纤受到的外界振动等信息。

背景技术

分布式光纤传感技术由于体积小、结构简单、灵敏度高、耐腐蚀耐高温、抗电磁干扰等优点，已成为目前光纤传感应用领域国内外的研究热点。其中，相位敏感光时域反射计即

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种相位敏感型光时域反射系统全数字化移相相位解调方法及系统，用于相位敏感型光时域反射仪系统相干光电信号相位解调分析。可实现对相位敏感型光时域反射仪系统相位数字化解调，进而实现分布式光纤振动传感信号实时解析，以有效获取光纤受到的外界振动等信息。本发明优点是能够通过数字算法实现对传感系统相位有效解调，无需多个光电探测器结合信号解析硬件进行相位解调，系统简单、成本低且不会引入额外系统噪声。此外，本发明解调方法能够精确产生三路120°相位差信号，消除系统偏差，且该方法在解调端无需额外光纤干涉结构，因此还能够有效改善信号强度和信噪比。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

基于全数字化移相的相位解调方法，包括：

获取拍频信号；

滤除拍频信号中的直流成分，留下包含相位信息的交流成分；

对拍频信号中的交流成分进行希尔伯特变换得到正交信号；去除正交信号中的基频并进行相移，得到三路具有相位差

本发明一种相位敏感型光时域反射系统全数字化移相相位解调方法，用于相位敏感型光时域反射仪系统相干光电信号相位解调分析，具体方法是：在对分布式光纤传感系统后向散射的外差相干信号进行希尔伯特正交变换基础上，采用三角交叉乘积变换算法，在消除信号基频的同时产生三路120°相位差信号，在此基础上通过微分交叉相乘及积分相位提取，得到外差相干信号相位，最终实现通过算法对相位敏感型光时域反射仪系统后向散射信号的相位实时解析，并有效获取光纤受到的外界振动等信息。

实现本发明的技术方案是利用从待测光纤返回的瑞利散射光和从光源分出本地光进行混合拍频。信号经过平衡探测器后会被滤除直流成分留下包含相位信息的交流成分。接着采集模块对信号进行模数转换并送入信号处理模块利用算法解调出待测信息。本算法先利用希尔伯特变换变换出探测器探测的信号的正交信号，再用三角变换去除拍频信号中Δω·t项(基频)并且进行了相移，从而变成了三路具有相位差

拍频信号的产生：

本地光：

式中，E

后向瑞利散射光：

式中，E

则平衡探测器探测到的拍频信号为：

经过三角函数变换得：

其中，

利用希尔伯特变换变换出探测器探测的信号的正交信号，其特征在于：对经数采卡所采集的光电探测器输出相干信号做希尔伯特变换，取其虚部，即得拍频信号的正交信号。

所述步骤中，获取正交信号的方法：希尔伯特变换定义为实信号的90°移相器，对信号x(t)做希尔伯特正交变换，数学定义为：

三角交叉乘积变换去除拍频信号中基频并且进行相移，其特征在于，步骤：利用三角函数关系，通过数字算法，在去除拍频信号中基频的同时，通过数字虚拟移相从而获取三路具有相位差

所述步骤中，获取三路具有相位差

在我们所用的

微分交叉相乘处理三路信号，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将三路交流信号P

步骤二、分别对a、b、c微分，记为d、e、f；

步骤三、将每一路信号a、b、c与另外两路微分后的差相乘，记为N1、N2、N3；

步骤四、将N1、N2、N3相加，记为NN；

步骤五、为了消除I

步骤六、用NN除以MM，消除I

步骤七、对dNM积分；

所述步骤二中，

所述步骤三中，

所述步骤四中，

所述步骤五中，

所述步骤六中，

所述步骤七中，

提取相位。即

本发明的目的在于利用从数据采集卡获取的数据，提出一种相位敏感型光时域反射系统全数字化移相相位解调方法，用于相位敏感型光时域反射仪系统相干光电信号相位解调分析。可实现对相位敏感型光时域反射仪系统相位数字化解调，进而实现分布式光纤振动传感信号实时解析，以有效获取光纤受到的外界振动等信息。本发明优点是能够通过数字算法实现对传感系统相位有效解调，无需多个光电探测器结合信号解析硬件进行相位解调，系统简单、成本低且不会引入额外系统噪声。此外，本发明解调方法能够精确产生三路120°相位差信号，消除系统偏差，且该方法在解调端无需额外光纤干涉结构，因此还能够有效改善信号强度和信噪比。

有益效果：与现有方法相比较，本发明具有的特点如下：

本算法借鉴3×3耦合器的结构特点与解调方法，实现了全数字化去基频与移相，最终实现相位解调。本发明相较于传统3×3耦合器解调方法，本发明优点是能够通过数字算法实现对传感系统相位有效解调，无需多个光电探测器结合信号解析硬件进行相位解调，系统简单、成本低且不会引入额外系统噪声。此外，本发明解调方法能够精确产生三路120°相位差信号，消除系统偏差，且该方法在解调端无需额外光纤干涉结构，因此还能够有效改善信号强度和信噪比。

附图说明

图1是本发明的一种具体结构示意图。

图2是本发明算法的流程示意图。

图3是本发明的模拟测试效果对比图。

图4是本发明的模拟测试效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

下面结合图1具体说明本实施例。

本发明

窄线宽半导体激光光源1发出的光进入第一耦合器2后分为两路(一路本地光，另一路探测光)，一路探测光直接进入声光调制器3进行脉冲调制并且产生移频Δf，依次经过第一掺铒光纤放大器4、第一滤波器5、环形器6后进入传感光纤7生成背向瑞利散射光并向回传输经环形器进入到第二掺铒光纤放大器8、第二滤波器9、第二光纤耦合器10，另一路连接第二耦合器10，第二光纤耦合器10连接光电探测器11，本地光、探测光拍频干涉，光电探测器11依次连接数据采集卡12、相位解调方单元13和电脑14。

本发明的具体实施过程：窄线宽激光器1所发射的工作波长1550nm光信号经过一个分光比为9:1的第一耦合器2后分成两路传输，其中90％的一路光进入声光调制器3被调制成移频200MHz的脉冲光经过第一掺铒光纤放大器4放大信号并产生ASE噪声，再经过1550nm、带宽1nm第一带通滤波器5滤除由放大器放大带来的ASE噪声，信号光再由环形器6进入到受到外界振动的传感光纤7中，在传感光纤7上传播时会在光纤上各点生成背向瑞利散射光并向回传输经环形器进入到第二掺铒光纤放大器8再次放大再次产生ASE噪声，再经过第二滤波器9再次滤波、然后再进入到一个1:1第二光纤耦合器10耦合器中。另一路10％的光作为本地光进入到1:1第二光纤耦合器10中与后向散射光发生干涉混频，拍频过后生成的含有差分相位

实施例2：

本发明还提供了一种基于全数字化移相的相位解调方法，参照图2，包括：

获取拍频信号；

滤除拍频信号中的直流成分，留下包含相位信息的交流成分；

对拍频信号中的交流成分进行希尔伯特变换得到正交信号；去除正交信号中的基频并进行相移，得到三路具有相位差

本实施例的具体实现步骤如下：

步骤一、提取探测器探测到的拍频信号I(t)的直流成分I

式中，I(t)为拍频信号的实时强度；E

对拍频信号进行三角函数变换得：

其中，

提取光强信号的交流成分：

式中，E

步骤二、利用希尔伯特正交变换变换出探测器探测的信号的正交信号，取其虚部，即得拍频信号的正交信号。获取正交信号的方法：MATLAB中y＝hilbert(I)；Q＝imag(y)；其中y＝hilbert(I)为对信号I进行希尔伯特变换；Q＝imag(y)为取希尔伯特变换结果对的虚部；Q即为拍频信号

步骤三、三角交叉乘积变换去除拍频信号中Δω·t项(基频)并且进行相移，即cos(α-β)＝cosα·sinβ+sinα·cosβ，去除拍频信号中基频并且进行相移从而获取三路具有相位差

在我们所用的

步骤四、微分交叉相乘处理三路信号：将三路信号P

进一步地分别对a、b、c微分，记为d、e、f：

进一步地将每一路信号a、b、c与另外两路微分后的差相乘，记为N1、N2、N3：

进一步地将N1、N2、N3相加，记为NN：

进一步地为了消除I

进一步地用NN除以MM，消除I

进一步地对dNM积分；

步骤五、提取相位

为说明本算法的可靠性，通过以下模拟测试及测试分析结果对本发明有效性进行对比说明：

1.模拟振动加载设置

模拟加载在光纤上的振动信号频率f1＝5000，数据采集卡采样率fs＝1GHz，一共采样N＝4*10

2.模拟结果

基于MATLAB平台，模拟加载在光纤上的振动信号φ＝10*cos(2π*f1*t)；拍频信号