CN115389007A - 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法，使用外差探测获得3路具有已知相位关系的干涉信号，利用各自通道的信号能量补偿通道间的损耗和增益的不均衡以降低信号解调的畸变，避免了常用外差检测中的混频、傅里叶积分变化和希尔伯特变换等比较消耗计算资源的做法，对散射增强点的间距一致性要求低，使用灵活。

Description

一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法。

背景技术

分布式光纤传感技术由于其大探测范围、低成本、抗电子干扰等优点在能源、电力、安防和轨道交通等领域都开始得到广泛的应用。其对声波的探测一般是通过将探测光输入传感光纤，并检测背向散射光的幅度、相位和偏振态等实现对光纤感受到的声波的位置、强度等信息进行检测。其中相位探测的方式由于其灵敏度高、可定量并且可靠性好，是当前最为广泛使用的信号检测方法。同时由于散射增强光纤的使用，分布式光纤传感***的性能得到了更近一步的提升。

在分立点式散射增强光纤的分布式声波传感***中相位探测方式可以大致分为两类：外差检测和零差检测。前者通过将背向散射光与有一定频率差的本地光进行干涉然后计算干涉信号的相位进而获得背向散射光的分布式相位信息，而后者一般是利用脉冲对、非平衡干涉仪等在背向散射光脉冲之间实现干涉进而获得散射光的相位信息。

在外差检测中，***一般使用干涉仪或者光桥将具有不同频率的散射信号光和本地信号光进行混频，探测产生多组具有特定载频和相位差的干涉信号用于解调。获得的单个或者多个的干涉信号可以通过模拟或者数字的方式转化为光相位的正切，再通过计算其反函数获得相位信息。或者可以采用混频、傅里叶积分变换、希尔伯特变换等再结合反正切、微分-交叉相乘-积分计算（DCM）相位。而在零差检测中，常用多端口光纤耦合器构建非平衡干涉仪，利用多路干涉信号幅度变化受返回信号相位的影响、并且不同路信号受影响后的变化有固定的相位差的这个特点，可以采用反正切或者DCM的方式获得光信号的相位。零差检测中由于本地干涉仪的存在，***对光纤中散射增强点的间距要求一般为均匀分布。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请实施例的目的是提供一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法，使用外差探测获得3路具有已知相位关系的干涉信号，利用各自通道的信号能量补偿通道间的损耗和增益的不均衡以降低信号解调的畸变，避免了常用外差检测中的混频、傅里叶积分变化和希尔伯特变换等比较消耗计算资源的做法，对散射增强点的间距一致性要求低，使用灵活。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法，包括：

通过光纤耦合器将相干光源分为两路，将所述光纤耦合器的一路输出连接声光调制器，将光调制为移频Δf、重复频率为f _AOM 、脉冲宽度为Δτ的光脉冲，其中所述重复频率的倒数不小于光在传感光纤中往返所需的时间；

将该光脉冲输入三端口光纤环形器的1号端口，从光纤环形器的2号端口注入散射增强光纤，并在光纤环形器的3号端口获取所述散射增强光纤产生的背向散射光脉冲序列；

将所述光纤耦合器另一路输出经偏振控制器和所述背向散射光脉冲序列输入3×3耦合器的2个输入端口，在所述3×3耦合器的输出端得到3路载频为Δf、具有固定相位关系的干涉信号，其中第k个输入脉冲产生的3路干涉信号为第k帧干涉信号，所述散射增强光纤中每一个散射增强点在每一路中都表现为一段带有脉冲包络的干涉信号；

将3路所述干涉信号经过光电探测和模数转换后变为数字信号，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

进一步地，所述散射增强光纤为对光纤的反射特性进行修改以实现离散式散射增强的光纤。

进一步地，所述散射增强光纤为刻写了分立散射增强点的光纤，其中最小的分立散射增强点间距大于v _g Δτ，v _g 为所述散射增强光纤的中探测光的群速度。

进一步地，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息，包括：

S11：将第k帧3个所述干涉信号分别取样、量化和带通滤波，取样率f _s 不低于5Δf，带通滤波器中心频率为Δf，得到3个取样序列，然后计算每一路序列的信号强度，根据所述光信号强度将对应的干涉信号进行归一化；

S12：将第k帧归一化后的3个干涉信号相加、低通滤波并进行M帧平均，再经过低通滤波并进行M帧平均，计算反射信号的包络信息，其中低通滤波器的截止频率在Δτ倒数的四分之一到五分之一之间，其中M不小于50；

S13：根据所述反射信号的包络信息，寻找脉冲所在位置，并针对每一个脉冲以其 峰值为中心向前向后各取C个取样点作为该脉冲对应的信号片段，其中，对于通过有N个散 射增强点的散射增强光纤产生的脉冲，截取N段信号片段，

；

S14：将第k帧内来自每一个脉冲的2C+1个数据点采用微分-交叉相乘-积分或者反切计算进行相位解调，在该信号片段内进行解卷绕得到2C+1个相位值ϕ _knm ，其中m = 1,2,…，2C+1，k为帧数，并将解调得到的2C+1个相位值参照下列公式依次减去所述取样点相关的固定相位，得到2C+1个相位差值ϕ _knm ^’ ；

S15：对所述相位差值进行平均，得到所述干涉信号片段的相位；

S16：对相邻的干涉信号片段的相位计算差分，得到两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn ；

S17：对经过光电探测的每一帧数据重复S11-S16，得到整段散射增强光纤中任意两个散射点之间的光纤段上光脉冲往返产生的相位差，进而得到施加应力的光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

进一步地，步骤S12中，所述反射信号的包络信息还可以通过将步骤S11中带通滤波后的3个干涉信号求平方相加。

进一步地，步骤S13中，根据所述包络信息，寻找脉冲所在位置，包括：

对于每一个脉冲包络，记第n个脉冲包络的峰值取样点在取样序列中的序号为L _n0 ，在脉冲包络中以其峰值取样点为中心向前向后各取C个取样点，取样点序号为1, 2, 3,…,2C-1, 2C, 2C+1，每一个取样点对应的脉冲包络幅度为a ₁ , a ₂ ,a ₃ ,…,a _2C-1 , a _2C ,a _2C+1 ，以每一个取样点对应的脉冲包络幅度为权值，计算脉冲包络重心，得到脉冲中心在取样序列中的精确位置L _n ：

。

进一步地，步骤S15中，所述干涉信号片段的相位还可以通过将步骤S14中得到的脉冲包络幅度为权值，对所述相位差值进行加权平均得到。

进一步地，步骤S16中的差分为相邻的脉冲对之间脉冲的相位差，差分的计算方式包括每隔固定个脉冲计算一次差分、隔可变个脉冲计算差分以及根据实际信号特征选取若干脉冲对计算差分。

进一步地，所述步骤S17包括：

对经过光电探测的每一帧数据重复S11-S16，得到整段散射增强光纤中N-1个相邻脉冲的位置差分值ΔL，将其转换为脉冲对在光纤上散射增强点之间的实际距离ΔD：

利用所述脉冲对在光纤上散射增强点之间的实际距离ΔD，将两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn 换算为应变，从而得到施加应力的光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请使用均匀或非均匀分布的点式散射增强光纤作为分布式声波传感光纤，基于外差探测进行相位解调，可以实现不同路信号的增益和损耗灵活补偿，避免探测信号不均衡造成的解调结果畸变，可动态获得散射增强点位置，实现应变的自适应解调。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的光信号的探测方式的示意图，其中的(a)为探测端加隔直模块；(b)为信号处理端加高通滤波器。

图3是根据一示例性实施例示出的对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调的框图。

图4是根据一示例性实施例示出的信号解调过程示意图，其中图4的(a)为探测器输出的原始干涉信号示意图；图4的(b)为功率归一化后的干涉信号示意图；图4的(c)为提取的信号包络示意图；图4的(d)为带通滤波后的干涉信号示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的空间分辨率自由调节方法示意图，其中图5的(a)为相邻散射增强点配对示意图；图5的(b)为间隔散射增强点配对示意图；图5的(c)为相邻和间隔散射增强点配对混合示意图；图5的(d)为散射增强点间隔和嵌套配对示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本申请实施例提供一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法，该方法可以包括以下步骤：

步骤S1：通过光纤耦合器将相干光源分为两路，将所述光纤耦合器的一路输出连接声光调制器，将光调制为移频Δf、重复频率为f _AOM 、脉冲宽度为Δτ的光脉冲，其中所述重复频率的倒数不小于光在传感光纤中往返所需的时间；

步骤S2：将该光脉冲输入三端口光纤环形器的1号端口，从光纤环形器的2号端口注入散射增强光纤，并在光纤环形器的3号端口获取所述散射增强光纤产生的背向散射光脉冲序列；

步骤S3：将所述光纤耦合器另一路输出经偏振控制器和所述背向散射光脉冲序列输入3×3耦合器的2个输入端口，在所述3×3耦合器的输出端得到3路载频为Δf、具有固定相位关系的干涉信号，其中第k个输入脉冲产生的3路干涉信号为第k帧干涉信号，所述散射增强光纤中每一个散射增强点在每一路中都表现为一段带有脉冲包络的干涉信号；

步骤S4：将3路所述干涉信号经过光电探测和模数转换后变为数字信号，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

由上述实施例可知，本申请使用均匀或非均匀分布的点式散射增强光纤作为分布式声波传感光纤，基于外差探测进行相位解调，可以实现不同路信号的增益和损耗灵活补偿，避免探测信号不均衡造成的解调结果畸变，可动态获得散射增强点位置，实现应变的自适应解调。

图1为本申请一实施例中使用的一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的示意图，如图1所示，在步骤S1-S3的具体实施中，窄线宽激光器的输出经耦合器分为两路，其中一路通过偏振控制器后作为探测端3×3光纤耦合器的一路输入。另一路经过声光调制器被调制。声光调制器在其驱动的控制下将输入的连续光调制为重复频率为f _AOM ，宽度为Δ τ的光脉冲，并且引入移频Δf。声光调制器输出的光脉冲经掺饵光纤放大器放大、带通滤波器抑制噪声后进入光纤环形器的1号端口，再经其2号端口注入有分立散射增强点的传感光纤。传感光纤中每一个散射增强点反射回部分输入脉冲，形成脉冲序列。散射增强光纤中增强点的间距可相同也可不同，因此形成的脉冲串中脉冲可均匀分布也可非均匀分布。反射脉冲串返回环形器后从3端口输出，再经第二个掺饵光纤放大器放大、第二个带通滤波器抑制噪声后进入其中控制声光调制的脉冲频率的时钟信号与控制探测3×3光纤耦合器的另一路输入。3×3光纤耦合器的两路输入光具有Δf的频率差，互相干涉后会产生频率为Δf的拍频信号，被三个探测器分别探测。由于3×3光纤耦合器的性质，3路输出的拍频信号会具有特定的相位差。特别地，当这个耦合器为功率等分耦合器时，三路拍频信号的相位差为120度。

具体地，所述散射增强光纤为对光纤的反射特性进行修改以实现离散式散射增强的光纤。更具体地，所述散射增强光纤为刻写了分立散射增强点的光纤，其中最小的分立散射增强点间距大于v _g Δτ，v _g 为所述散射增强光纤的中探测光的群速度。所述分立散射增强光纤的散射增强点的间距满足以上要求的前提下，其间距可等间隔分布，也可不等间隔分布。

在具体实施中，***所用的散射增强光纤，其散射增强的方式包括但不限于刻写光纤布拉格光栅、单个散射增强点或者使用特殊掺杂。该***所用光放大器的数量取决于待测光纤散射信号或反射信号的强弱，在输入光较强或者散射信号较强时可以减少放大器数量，若输入光较弱或者散射信号较弱时可以适当增加放大器。***中也可以植入拉曼光放大器用于增加传感距离。***中的光放大器可以是半导体光放大器或者其他可以放大***中窄线宽激光器波段光信号的放大器。***中的环形器也可以用光纤耦合器代替。

在步骤S4的具体实施中，三路电信号被数据采集***取样、量化、存储和处理，且该数据采集***的触发时钟与驱动声光调制器相同，以保证多帧数据之间的同步。由于三路信号均有周期性干涉信号，探测器的输出电信号的功率可以用于不同通道探测器的增益和光路中损耗差异的估计，然后自动补偿增益差，降低信号解调的畸变。将3路所述干涉信号经过光电探测和模数转换后变为数字信号，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

在此步骤中，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息，可以包括以下子步骤：

S11：将第k帧3个所述干涉信号分别取样、量化和带通滤波，取样率f _s 不低于5Δf，带通滤波器中心频率为Δf，得到3个取样序列，然后计算每一路序列的信号强度，根据所述光信号强度将对应的干涉信号进行归一化；

具体地，图2为光电探测端的两种工作方式示例。由于采用单端探测，本地光会产生直流分量，且该直流分量需要在信号解调前去除。直流分量的去除可以在对电信号的取样量化之前也可以在电信号的取样量化之后。图2中的(a)所示的方式为取样量化前的直流移除方式，具体为在探测器的输出端与数据采集模块的输入端***隔直模块，滤除电信号中的直流分量。图2中的(b)为在取样量化后，使用高通滤波器滤除直流分量的方式。两者均适用于后续的信号处理。

在具体实施中，对于信号强度计算和归一化，可以在测量中对每一帧数据里3路信号的强度进行计算实时更新、实时归一化，也可以在测量开始时计算一次并存储然后用于每一帧数据中3路信号的归一化。

S12：将第k帧归一化后的3个干涉信号相加、低通滤波并进行M帧平均，再经过低通滤波并进行M帧平均，计算反射信号的包络信息，其中低通滤波器的截止频率在Δτ倒数的四分之一到五分之一之间，其中M不小于50；

具体地，图3为使用分立散射增强光纤时的信号解调步骤示例。图中输入信号S _1n ,S _2n , S _3n 为已经去除直流分量的第n帧信号量化后的信号序列，如图4中的 (a)所示。首先对每个通道信号的绝对值计算平均，获得该通道的电信号强度的估计值g ₁ ,g ₂ 和g ₃ 。然后归一化各自通道的电信号强度的估计值，消除通道间增益和损耗的不均衡，结果如图4中的(b)所示。然后将归一化的三通道数据进行求和或者求平均，再经过低通滤波器滤除残余的Δf分量，即可获得反射光的幅值包络，由于光纤中存在分立的散射点，包络中会包含来自每一个反射点的脉冲，见图4中的(c)。同时，将归一化的各通道信号进行带通滤波，保留频率为Δf的信号成分，结果如图4中的(d)所示。

图4为当光纤中存在两个相距5米的散射增强点时，图3描述的相位解调过程中的数据示例。图4中的（a）中实线PD1、虚线PD2和点画线PD3为增益不同的三个光电探测器输出的时域信号，此时三路信号强度不一致是因为探测器增益不同、光纤链路损耗不同。图4中的（b）为使用幅值绝对值的平均将信号归一化后的三路数据，可见信号幅度已经一致。信号上下不对称是因为其中还包含时变的脉冲的包络。图4中的（c）为提取出的包络信号，可以看到来自两个反射点的脉冲包络。图4中的（d）为图4中的（b）中三路信号进行带通滤波彻底滤除直流分量以及脉冲包络后的三路信号，此时幅度一致、上下对称，可以用于后续的相位解调。

在一实施例中，还可以通过将步骤S11中带通滤波后的3个干涉信号求平方相加，得到反射信号的包络信息。

S13：根据所述反射信号的包络信息，寻找脉冲所在位置，并针对每一个脉冲以其 峰值为中心向前向后各取C个取样点作为该脉冲对应的信号片段，其中

；

具体地，在获得的包络信号中找到每一个脉冲所在中心位置并向前向后取

个采样点，共

个采样点。同时在每一路滤波的信号中也截取相 同位置、相同数目的取样点，以每一路滤波的信号片段中分别的2C+1个数据点进行相位解 调，同时保留此段数据对应的脉冲包络用于后续的加权平均。

在步骤S13的具体实施中，根据所述包络信息，寻找脉冲所在位置，包括：

对于每一个脉冲包络，记第n个脉冲包络的峰值取样点在取样序列中的序号为L _n0 ，在脉冲包络中以其峰值取样点为中心向前向后各取C个取样点，取样点序号为1, 2, 3,…,2C-1, 2C, 2C+1，每一个取样点对应的脉冲包络幅度为a ₁ , a ₂ ,a ₃ ,…,a _2C-1 , a _2C ,a _2C+1 ，以每一个取样点对应的脉冲包络幅度为权值，计算脉冲包络重心，得到脉冲中心在取样序列中的精确位置L _n ：

S14：将第k帧内来自每一个脉冲的2C+1个数据点采用微分-交叉相乘-积分或者反切计算进行相位解调，在该信号片段内进行解卷绕得到2C+1个相位值ϕ _knm ，其中m = 1,2, …，2C+1，k为帧数，并将解调得到的2C+1个相位值参照下列公式依次减去所述取样点相关的固定相位，得到2C+1个相位差值ϕ _knm ^’ ；

S15：对所述相位差值进行平均，得到所述干涉信号片段的相位；

S16：对相邻的干涉信号片段的相位计算差分，得到两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn ；

在步骤S14-S16的具体实施中，相位解调时可以使用一路或者多路信号，解调方法 包括但不限于希尔伯特变换加求反正切、通道间组合后相除计算反正切和差分-交叉相乘- 积分等方法。获得相位后减去Δf引入的线性增长相位，得到由声波作用于光纤引入的相位 变化。对这

个相位数值，直接平均可获得该段信号的相位ϕ _kn ，对相邻脉冲的 相位ϕ _kn 计算差分，即可获得两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲 往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn 。

对整帧数据处理可获得所有光纤段上的相位变化。逐帧计算，可获得光纤上任意位置的相位随时间的变化，对应于声波作用于光纤时引入的应变。

在一实施例中，步骤S15可以替换为：

将步骤S14中得到的脉冲包络幅度为权值，对所述相位差值进行加权平均，得到所述干涉信号片段的相位，使用该方法可以减弱干涉相消点对解调相位的影响。

在一实施例中，步骤S16中的差分为相邻的脉冲对之间脉冲的相位差，差分的计算方式包括每隔固定个脉冲计算一次差分、隔可变个脉冲计算差分以及根据实际信号特征仅选取若干脉冲对计算差分。

具体地，差分计算为相邻脉冲对之间的相位差可以消去所有脉冲具有的相同初始相位；隔固定个脉冲计算一次差分、隔可变个脉冲计算差分以及仅对根据实际信号特征选取的部分脉冲对计算差分均是为了避开某些坏点（相干衰弱点）对相位作差时造成的错误影响，适用于光纤衰弱点多的情形。

S17：对经过光电探测的每一帧数据重复S11-S16，得到整段散射增强光纤中任意两个散射点之间的光纤段上光脉冲往返产生的相位差，进而得到施加应力的光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

在步骤S17的具体实施中，对经过光电探测的每一帧数据重复S11-S16，得到整段散射增强光纤中N-1个相邻脉冲的位置差分值ΔL，将其转换为脉冲对在光纤上散射增强点之间的实际距离ΔD：

利用所述脉冲对在光纤上散射增强点之间的实际距离ΔD，将两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn 换算为应变，从而得到施加应力的光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

具体地，相位变化通过下式将其转换为时变应变信息。

其中ε为光纤感知到的应力，

为解调出的相位，l为施加应力的光纤长度，l=Δ D，β为传播系数。

具体地，在保持所述分立散射增强点间距计算中的差分脉冲选取与步骤S16中的差分脉冲选取一致的情况下，可以用计算得到的散射增强点间距将步骤S16计算得到的相位差分换算为应变。

图5为调节空间分辨率时，散射增强点配对计算差分和应变的不同方式。需注意到，图中所示的散射增强点间距可以一致也可以不相同，只要满足最小的间距大于光纤中光的群速度乘以脉宽。图5中的（a）为将相邻的散射增强点配对，并将配对增强点间的光纤作为一个传感单元计算相位差，并利用其间距D _1,2 , D _2,3 ，…， D _n,n+1 计算应变的方式。图5中的（b）为采用间隔1个散射增强点的方式配对的方式，这种情况下散射增强点间距调整为D _1,3 ，…， D _n,n+2 ，可增大空间分辨率、降低传感单元个数和减少数据量。采用此方法时间隔跳过的散射增强点可以为大于1的整数。图5中的（c）为相邻、间隔配对方式混合的相位差分、应变计算方式，用此方法可以获得更为灵活的空间分辨率。图5中的（d）为间隔、嵌套配对计算相位差和应变的方式，可以在获得更大空间分辨率的同时不降低传感单元个数。算法实施时可以根据需要选取以上方法或者进行组合，以满足实际需求。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法，其特征在于，包括：

通过光纤耦合器将相干光源分为两路，将所述光纤耦合器的一路输出连接声光调制器，将光调制为移频Δf、重复频率为f _AOM 、脉冲宽度为Δτ的光脉冲，其中所述重复频率的倒数不小于光在传感光纤中往返所需的时间；

将该光脉冲输入三端口光纤环形器的1号端口，从光纤环形器的2号端口注入散射增强光纤，并在光纤环形器的3号端口获取所述散射增强光纤产生的背向散射光脉冲序列；

将所述光纤耦合器另一路输出经偏振控制器和所述背向散射光脉冲序列输入3×3耦合器的2个输入端口，在所述3×3耦合器的输出端得到3路载频为Δf、具有固定相位关系的干涉信号，其中第k个输入脉冲产生的3路干涉信号为第k帧干涉信号，所述散射增强光纤中每一个散射增强点在每一路中都表现为一段带有脉冲包络的干涉信号；

将3路所述干涉信号经过光电探测和模数转换后变为数字信号，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散射增强光纤为对光纤的反射特性进行修改以实现离散式散射增强的光纤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述散射增强光纤为刻写了分立散射增强点的光纤，其中最小的分立散射增强点间距大于v _g Δτ，v _g 为所述散射增强光纤的中探测光的群速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对每一个散射点对应的干涉信号的相位进行逐帧解调，并计算得到每一对散射点之间光纤段上干涉信号相位差随着帧数k的变化，进而得到所述光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息，包括：

S11：将第k帧3个所述干涉信号分别取样、量化和带通滤波，取样率f _s 不低于5Δf，带通滤波器中心频率为Δf，得到3个取样序列，然后计算每一路序列的信号强度，根据所述光信号强度将对应的干涉信号进行归一化；

S12：将第k帧归一化后的3个干涉信号相加、低通滤波并进行M帧平均，再经过低通滤波并进行M帧平均，计算反射信号的包络信息，其中低通滤波器的截止频率在Δτ倒数的四分之一到五分之一之间，其中M不小于50；

S13：根据所述反射信号的包络信息，寻找脉冲所在位置，并针对每一个脉冲以其峰值 为中心向前向后各取C个取样点作为该脉冲对应的信号片段，其中，对于通过有N个散射增 强点的散射增强光纤产生的脉冲，截取N段信号片段，

；

S14：将第k帧内来自每一个脉冲的2C+1个数据点采用微分-交叉相乘-积分或者反切计算进行相位解调，在该信号片段内进行解卷绕得到2C+1个相位值ϕ _knm ，其中m = 1, 2,…，2C+1，k为帧数，并将解调得到的2C+1个相位值参照下列公式依次减去所述取样点相关的固定相位，得到2C+1个相位差值ϕ _knm ^’ ；

S15：对所述相位差值进行平均，得到所述干涉信号片段的相位；

S16：对相邻的干涉信号片段的相位计算差分，得到两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn ；

S17：对经过光电探测的每一帧数据重复S11-S16，得到整段散射增强光纤中任意两个散射点之间的光纤段上光脉冲往返产生的相位差，进而得到施加应力的光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S12中，所述反射信号的包络信息还可以通过将步骤S11中带通滤波后的3个干涉信号求平方相加。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S13中，根据所述包络信息，寻找脉冲所在位置，包括：

对于每一个脉冲包络，记第n个脉冲包络的峰值取样点在取样序列中的序号为L _n0 ，在脉冲包络中以其峰值取样点为中心向前向后各取C个取样点，取样点序号为1, 2, 3,…, 2C- 1, 2C, 2C+1，每一个取样点对应的脉冲包络幅度为a ₁ , a ₂ ,a ₃ ,…,a _2C-1 , a _2C ,a _2C+1 ，以每一个取样点对应的脉冲包络幅度为权值，计算脉冲包络重心，得到脉冲中心在取样序列中的精确位置L _n ：

。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S15中，所述干涉信号片段的相位还可以通过将步骤S14中得到的脉冲包络幅度为权值，对所述相位差值进行加权平均得到。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S16中的差分为相邻的脉冲对之间的相位差，差分的计算方式包括每隔固定个脉冲计算一次差分、隔可变个脉冲计算差分以及根据实际信号特征选取若干脉冲对计算差分。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S17包括：

对经过光电探测的每一帧数据重复S11-S16，得到整段散射增强光纤中N-1个相邻脉冲的位置差分值ΔL，将其转换为脉冲对在光纤上散射增强点之间的实际距离ΔD：

利用所述脉冲对在光纤上散射增强点之间的实际距离ΔD，将两段干涉信号片段对应的散射增强点之间的光纤段上光脉冲往返一次产生的光相位的变化量Δϕ _kn 换算为应变，从而得到施加应力的光纤段上感受到的声波产生的时变应变信息。

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