本發(fā)明屬于分布式光纖振動傳感技術領域，涉及一種提高分布式光纖振動傳感靈敏度的互相關解調(diào)方法。

背景技術：

基于相位敏感光時域反射技術的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)，用光纖作為傳感單元實現(xiàn)全分布式振動實時監(jiān)測，其基本原理是：利用高相干激光器作為傳感光源(一般要求激光源線寬<10kHz)，從光纖一端注入高相干激光脈沖，脈沖光在光纖沿線激發(fā)高相干后向瑞利散射光，根據(jù)散射光相對于注入光脈沖的時間差，即可實現(xiàn)空間定位，由于注入的脈沖光有一定的時間脈寬(幾十ns量級)，光纖中保持時空同步的后向瑞利散射光將發(fā)生多光束干涉現(xiàn)象，當光纖線路由于振動、沖擊、入侵或者聲波等發(fā)生擾動時，相應位置處光纖的折射率及長度將會發(fā)生動態(tài)變化，導致該位置處瑞利散射光的干涉譜發(fā)生相應變化，通過對瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進行解調(diào)，即可獲得振動擾動的全部信息。

分布式光纖振動傳感其單通道監(jiān)測距離可以達到50公里以上，振動監(jiān)測頻率范圍可實現(xiàn)1kHz以上，空間定位精度可以達到5米以內(nèi)，目前已有的長距離分布式光纖振動傳感系統(tǒng)技術實現(xiàn)的振動探測靈敏度基本可達到100nε量級，但針對一些高靈敏度振動監(jiān)測的場合，如微弱振動、聲波偵聽等領域，傳統(tǒng)分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的靈敏度仍遠遠不夠，從而造成振動信號識別方面容易出現(xiàn)誤報和漏報，針對這一方面的問題，在保持傳統(tǒng)分布式光纖振動傳感系統(tǒng)基本架構基礎上，進一步發(fā)展一種提高分布式光纖振動傳感靈敏度的互相關解調(diào)方法，實現(xiàn)振動傳感靈敏度和準確度的大大提升。

在目前已有的基于相位敏感光時域反射的分布式光纖振動傳感技術中，實現(xiàn)振動信號解調(diào)的方法，有如下三種方式，一是直接強度解調(diào)法(Proc.SPIE 75031O,1(2009))，直接探測并采集后向瑞利散射光干涉強度信號，通過對時間采樣得到的散射光干涉強度信號序列進行相鄰差分來實現(xiàn)振動信號的判別，此方案的缺點是僅可初步判斷出來振動的位置，而很難準確收集振動相關的幅度和頻率信息；二是外差相干幅度解調(diào)探測法(J.Lightwave Technol.28,3243-3249(2010))，先將后向瑞利散射光干涉強度信號與光頻略有差別的本地相干光進行拍頻后，再探測采集拍頻信號，從中提取出幅度信號序列進行相鄰差分來實現(xiàn)振動信號的判別，此解調(diào)方案中的光學相干拍頻可實現(xiàn)振動傳感靈敏度的較大提高，可較準確收集振動相關的位置和頻率信息，但卻很難收集振動相關的幅度信息，從而在應用中會出現(xiàn)誤判和漏判；三是外差相干相位解調(diào)探測法(Proc.SPIE 8311,83110S,(2011))，先將后向瑞利散射光干涉強度信號與光頻略有差別的本地相干光進行拍頻后，再探測采集拍頻信號，從中提取出相位信號序列進行相鄰差分來實現(xiàn)振動信號的判別，此解調(diào)方案理論上可較準確收集振動的幅度、頻率和位置完整相關信息，但由于光相位的累積效應和相位解卷繞中存在的奇點問題，使得此方案在實際應用中極容易出現(xiàn)誤差錯誤，雖然靈敏度稍微有所提高，但振動誤判的概率卻提高了很多?；谙辔幻舾泄鈺r域反射的分布式光纖振動傳感技術基本均是采用這三種解調(diào)方案中間的某一種，雖可實現(xiàn)部分振動信息的獲取，但都存在獲取的振動信息不完整、振動傳感準確度不高以及靈敏度不夠等問題，不適合用于高靈敏度高準確度振動監(jiān)測的場合，如微弱振動、聲波偵聽等領域。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服在先基于相位敏感光時域反射的分布式光纖振動傳感技術解調(diào)方法的缺點，更好地滿足在保持傳統(tǒng)分布式光纖振動傳感系統(tǒng)基本架構基礎上，實現(xiàn)振動傳感靈敏度和準確度的大大提升，本發(fā)明提供一種提高分布式光纖振動傳感靈敏度的互相關解調(diào)方法。

一種提高分布式光纖振動傳感靈敏度的互相關解調(diào)方法，其包括如下步驟：

(1)首先，對探測器輸出的與振動相關的交流電流A(t)采集量化為數(shù)據(jù)序列，將離散信號A(t)分別乘以一個頻率與A(t)同頻的正弦和余弦離散信號序列，經(jīng)過低通濾波后，可分別得到去載頻的I(t)和Q(t)兩路信號；

(2)然后，根據(jù)得到的I(t)和Q(t)信號進一步運算：和Δφ(t)＝arctan(Q(t)/I(t))+kπ(k為自然數(shù))，得到幅度解調(diào)信號Δr(t)和相位解調(diào)信號Δφ(t)兩路信號；

(3)其后，基于Δr(t)和Δφ(t)兩路信號進行互相關運算，得到互相關函數(shù)信號(T為積分周期時間，τ為Δφ(t)信號提前時間量，Δφ(t+τ)為Δφ(t)提前時間τ后的信號)，此互相關函數(shù)信號實現(xiàn)了噪聲和誤差的抑制，以及振動信號的加強；

(4)最后，對進行頻譜分析，提取出與振動相關的頻譜信息，實現(xiàn)振動傳感靈敏度和準確度的提高。

進一步地，探測器輸出的與振動相關的交流電流A(t)為：

A(t)∝c|r₀+Δr(t)|E_SE_L cos(2πΔft+Δφ(t))

其中，c是光電探測器響應系數(shù)，r₀為未擾動情況下光纖瑞利散射系數(shù)，Δr(t)為振動造成瑞利散射系數(shù)的變化，Δφ(t)為振動造成光纖中傳輸光的相位變化，E_S為注入脈沖光場幅度，E_L為本地光場幅度，Δf為外差頻率差。

進一步地，探測器輸出的與振動相關的交流電流A(t)的通過如下系統(tǒng)獲得：采用高相干窄線寬激光器作為光源，經(jīng)耦合器分光為兩路，其中一路經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為光脈沖序列，使用光放大器放大后經(jīng)環(huán)形器注入到振動傳感光纖中，傳感光纖中的后向瑞利散射光經(jīng)過環(huán)形器傳輸回來，與另一路經(jīng)移頻器移頻Δf的本振光進行外差拍頻，拍頻光信號經(jīng)過探測器轉(zhuǎn)換為電信號。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的特點和優(yōu)點是：綜合利用分布式光纖振動傳感解調(diào)方案中的幅度解調(diào)法和相位解調(diào)法的優(yōu)勢，基于幅度和相位信息互相關運算的算法，進一步提取出與振動信號相關的特定頻率成分信息，在一定程度上降低了現(xiàn)有解調(diào)法的誤差，提高了振動傳感靈敏度和準確度。

附圖說明

圖1基于相位敏感光時域反射的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)結構示意圖；

圖2本發(fā)明的算法流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實例對本發(fā)明的具體實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施和保護不限于此。

本實例采用的基于相位敏感光時域反射的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)采用高相干窄線寬激光器作為光源，經(jīng)耦合器分光為兩路，其中一路經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為光脈沖序列，使用光放大器放大后經(jīng)環(huán)形器注入到振動傳感光纖中，傳感光纖中的后向瑞利散射光經(jīng)過環(huán)形器傳輸回來，與另一路經(jīng)移頻器移頻Δf的本振光進行外差拍頻，拍頻光信號經(jīng)過探測器轉(zhuǎn)換為電信號，隨后進行數(shù)據(jù)的采集和處理。

探測器輸出的與振動相關的交流電流A(t)為：

A(t)∝c|r₀+Δr(t)|E_SE_L cos(2πΔft+Δφ(t))

其中，c是光電探測器響應系數(shù)，r₀為未擾動情況下光纖瑞利散射系數(shù)，Δr(t)為振動造成瑞利散射系數(shù)的變化，Δφ(t)為振動造成光纖中傳輸光的相位變化，E_S為注入脈沖光場幅度，E_L為本地光場幅度，Δf為外差頻率差。

如圖2所示，將探測器輸出的與振動相關交流電流A(t)分別乘以一個頻率為Δf的正弦和余弦信號，經(jīng)過低通濾波后，可分別得到I(t)和Q(t)兩路信號：

I(t)∝Δr(t)cosΔφ(t)

Q(t)∝Δr(t)sinΔφ(t)

進一步解調(diào)可以得到：

Δφ(t)∝arctan(Q(t)/I(t))+kπ

其中k為自然數(shù)，Δr(t)為幅度解調(diào)法得到的振動相關信息，Δφ(t)為相位解調(diào)法得到的振動相關信息，從解調(diào)公式中可以看出，當I(t)趨近于零時，Δφ(t)存在奇點，同時算出主值后還需要判斷Δφ(t)處于哪一個象限進而進行解卷繞獲取相位信息，在實際信號處理中極容易出現(xiàn)誤差錯誤，因此實際解調(diào)信號為：

上式中n_r(t)為幅度解調(diào)信號噪聲，為相位解調(diào)信號噪聲。

為了綜合利用幅度解調(diào)法和相位解調(diào)法的優(yōu)勢，同時盡可能的抑制相位解調(diào)法存在的缺陷，本發(fā)明采用基于幅度和相位互相關運算的算法，對解調(diào)得到的Δr(t)和Δφ(t)進行進一步的處理，通過互相關運算得到互相關函數(shù)信號

其中R_s(τ)信號相關的互相關函數(shù)，R_n(τ)為噪聲相關的互相關函數(shù)，在實際應用中，由于n_r(t)和均包含有系統(tǒng)激光源和探測器等引入的噪聲，但對影響最大的是解卷繞誤差部分，此噪聲成分n_r(t)中并不存在，因此n_r(t)和只存在較小系統(tǒng)噪聲相關性。并且積分運算時間2T不會無限長，故實際信號處理中R_n(τ)是一個接近于零的隨機變量，表現(xiàn)為剩余的噪聲，其噪聲頻譜基本與振動信號頻譜分別開來。即對進行頻譜分析，就可以提取出其中與振動相關的頻譜信息。