基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置与流程

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置。


背景技术：

2.分布式光纤声波传感（das）系统具有测量距离长、抗电磁干扰、耐化学腐蚀以及良好的环境适用性等特点，其通过分析待测光纤中探测脉冲光的后向散射光信息，可以实现对外界声波的感知与定位，并且能够连续无间隔地测量沿光纤方向分布的空间温度、应变和振动信息，因此在结构健康监测、周界安防、水声探测、资源勘探以及地震灾害监测等领域得到了广泛关注和应用。
3.在各种das系统中，基于相干瑞利后向散射(rbs)的相位敏感光时域反射技术（φ-otdr）因其高灵敏度和快速响应而成为动态应变测量领域的热门技术，该技术通过解调相位信息得到声致光纤应变进而实现对待测声事件的波形重构，其解调出的相位信息和声波信号的幅值信息之间存在线性对应关系，可以很好的反映声波的变化情况。
4.在φ-otdr系统中，待测声振信号导致的散射光相位信息通常采用反三角函数（arctan(x)）来恢复，由于反三角函数的周期性，声振信号导致的相位信息会被包裹卷绕成[-π，π]内的相位变化，这严重限制了声振信号的测量动态范围，因此，相位解卷绕（phase unwrapping）算法被开发出来。相位解卷绕遵循π相位原则，即要求相邻采样点间的相位差的绝对值小于π。在该算法中，当相邻点相位差大于π时，要根据两采样点相位的变化量，进行加2π或减 2π的运算，以保持相邻两点间的相位差的绝对值小π，进而实现被包裹在[-π，π]内的相位的展开。
[0005]
相位解卷绕算法虽然实现了系统测量动态范围的提升，但π相位原则也限制了系统测量动态范围的进一步扩展，并且在实际应用中，相位解卷绕的正确性还会受到噪声与采样率的影响。当待测声振信号导致两个相邻采样点之间的相位变化大于π时，相位解卷绕算法的
±
2π运算会导致解调相位失真，在实际应用中常通过增加大相位变化之间的采样点数的方式来确保π相位原则，即提升采样速率，这要求系统必须采用比奈奎斯特速率大得多的采样速率。但在das系统中，采样速率是极其珍贵的“系统资源”，无法无限制的提升，并且高采样速率加重系统数据处理的负荷，这导致系统测量带宽和动态范围之间的矛盾，因此实际应用需要在测量带宽与动态范围之间进行权衡。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置，该方法和装置可以解决目前φ-otdr系统中由于相位解卷绕的π相位原则而导致的测量动态范围受限问题，解除系统中测量带宽和动态范围之间的相互制约问题。
[0007]
为实现上述发明目的，实施例提供的一种大动态范围分布式相位传感装置，包括：光程差测量模块，用于产生啁啾频率脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于
对啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光进行干涉得到测量光程差的第一干涉信号；相位测量模块，用于产生另一脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于对另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光进行干涉得到测量相位信息的第二干涉信号；复用模块，其一端与光程差测量模块和相位测量模块连接，另一端与散射增强传感光纤连接，用于实现对光程差测量模块、相位测量模块的工作通道复用与解复用；散射增强传感光纤，其包括具有间隔的散射增强点，用于对接收的啁啾频率脉冲光和另一脉冲光分别进行散射增强，并输出散射增强点的第一反射光和第二反射光；数据采集解调系统，用于对采集的第一干涉信号和第二干涉信号分别解调得到光程差数据和卷绕相位数据，然后利用光程差数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复相位信息。
[0008]
优选地，所述光程差测量模块包括啁啾频率脉冲光产生单元、第一光纤放大器、第一环形器、非平衡光纤干涉仪、探测单元，其中，啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光经过第一光纤放大器放大后经过第一环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光经过复用模块和第一环形器注入到非平衡光纤干涉仪，经过非平衡光纤干涉仪干涉后通过探测单元转换为电信号得到测量光程差的第一干涉信号。
[0009]
优选地，所述啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光通过对第一光源进行内调制或外调制产生，其中，当采用内调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制驱动器，调制驱动器对第一光源的电流或电压进行直接调制以输出啁啾频率脉冲光，当采用外调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制单元，调制单元对第一光源的输出光进行强度或相位调制以得到啁啾频率脉冲光，调制单元由包含第一声光调制器、电光调制器中的单个或者多个调制器件构成。
[0010]
优选地，所述非平衡光纤干涉仪与探测单元的组合由n
×
n光纤耦合器与若干个单端探测器结构的组合实现，其中，n
×
n光纤耦合器用于实现干涉，单端探测器用于将干涉的光信号转换为电信号。
[0011]
优选地，所述相位测量模块包括第二光源、第一耦合器、第二耦合器、第二声光调制器、第二光纤放大器、第二环形器、平衡探测器，其中，第二光源输出的光源光经过第一耦合器分成两路，其中，一路光源光经过第二声光调制器调制成另一脉冲光，该另一脉冲光经过第二光纤放大器放大后再经过第二环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光经过复用模块和第二环形器注入到第二耦合器，在第二耦合器中，第二反射光与第一耦合器输出的另一路光源光发生干涉后通过平衡探测器转换为电信号得到第二环形器和第二干涉信号。
[0012]
优选地，所述啁啾频率脉冲光产生单元中的第一光源的线宽应满足，其中，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射点散射光干涉路径的物理长度差。
[0013]
优选地，所述光程差测量模块中产生的啁啾频率脉冲光与相位测量模块产生的另一脉冲光的脉冲宽度相等，且啁啾频率脉冲光与另一脉冲光的重频相等。
[0014]
优选地，脉冲宽度满足，其中，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射增强点的光纤长度。
[0015]
优选地，所述数据采集解调系统实现的解调过程为：步骤1，对光程差测量模块获得的第一干涉信号进行光程差解调得到opd数据，并对opd数据进行降噪处理使得噪声方差小于；步骤2，对相位测量模块获得的第二干涉信号进行解调得到卷绕相位数据φw，同时选择卷绕相位数据φw的第二个采样点为起始点；步骤3，对于第i个采样点的光程差数据opd(i)和相位数据φw(i)，同时计算第i个采样点与第i-1个点之间的光程差变化与相位变化；步骤4，当
││
《λ/2时，判断相对于π的大小，若 》+π，则第i个采样点及其之后的采样点减2π；若 《-π，则第i个采样点及其之后的采样点加2π；其他情况不进行操作；步骤5，当
││
≥λ/2时，判断φw(i)相对于0的大小，若φw(i)》0，则第i个采样点及其之后的采样点加2π*[opd(i)/λ-1]；若φw(i)《0，则第i个采样点及其之后的采样点加2π*[opd(i)/λ]，其他情况不进行操作；步骤6，依据i是否等于相位数据的长度length(φw)，判断是否所有采样点都被处理，如果没有，返回步骤3；如果是，则结束。
[0016]
为实现上述发明目的， 实施例还提供了一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法，该方法采用上述基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，包括以下步骤：利用光程差测量模块、复用模块以及散射增强传感光纤探测得到测量光程差的第一干涉信号；利用相位测量模块、复用模块以及散射增强传感光纤探测得到测量相位信息的第一干涉信号；利用数据采集解调系统对第一干涉信号和第二干涉信号进行解调得到光程差数据和卷绕相位数据，然后利用光程差数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复相位信息。
[0017]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：本发明将具有高噪声、大动态范围特性的光程差（opd）解调与具有低噪声、高精度的相位解调相结合，并在数据处理时，利用大动态范围的opd数据辅助完成低噪声相位数据的解卷绕，校正由于π相位原则导致的相位解卷绕错误，实现大信号的相位解卷绕，在保持系统解调精度的同提升测量动态范围；本发明在实现大动态范围信号解调的同时，能够解除系统测量带宽和动态范围之间的矛盾，降低系统对采样速率的要求，减轻系统数据处理的负荷。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0019]
图1是实施例提供的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置的简易结构示意图；图2是实施例提供的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置的详细结构示意图；图3是实施例提供的啁啾频率脉冲光产生单元的内调制结构与外调制结构；图4是实施例提供的基于同步opd数据的相位解卷绕方法的流程图；图5是实施例提供的光程差测量模块得到的大信号opd数据；图6是实施例提供的相位测量模块得到的大信号的卷绕相位数据；图7是实施例提供的基于同步opd数据的相位解卷绕方法与传统解卷绕方法对大信号卷绕相位数据的解卷绕效果对比图。
具体实施方式
[0020]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
[0021]
如图1所示，实施例提供的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置包括光程差测量模块1、相位测量模块2、复用模块3、散射增强传感光纤4以及数据采集解调系统5，其中，复用模块3的输入端分别与光程差测量模块1和相位测量模块2的一输出端连接，复用模块3的输出端与散射增强传感光纤4连接，数据采集解调系统5分别与光程差测量模块1和相位测量模块2的另一输出端连接。
[0022]
光程差测量模块1用于产生啁啾频率脉冲光并输入至散射增强传感光纤4，还用于对啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤4中的第一反射光进行干涉得到测量光程差的第一干涉信号；相位测量模块2用于产生另一脉冲光并输入至散射增强传感光纤4，还用于对另一脉冲光在散射增强传感光纤4中的第二反射光进行干涉得到测量相位信息的第二干涉信号；复用模块3用于实现对光程差测量模块1、相位测量模块2的工作通道复用与解复用；散射增强传感光纤4包括具有间隔的散射增强点，用于对接收的啁啾频率脉冲光和另一脉冲光分别进行散射增强，并输出散射增强点的第一反射光和第二反射光；数据采集解调系统5用于对采集的第一干涉信号和第二干涉信号分别解调得到opd数据和卷绕相位数据，然后利用opd数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复高精度、大动态范围的相位信息。下面针对每部分进行详细说明。
[0023]
如图2所示，光程差测量模块1包括依次连接的啁啾频率脉冲光产生单元11、第一光纤放大器12、第一环形器13、非平衡光纤干涉仪14、探测单元15，第一环形器13的另一端与复用模块3连接。
[0024]
啁啾频率脉冲光产生单元11用于实现脉冲宽度为，移频为，重频为的啁啾频率脉冲光的产生和输出，啁啾频率脉冲光的重频对应的周期应该大于脉冲在待测散射增强传感光纤中往返传播所需的时间。啁啾频率脉冲光可以通过对光源进行内调制
（直接调制）或外调制产生。其中，内调制是通过外界驱动对光源电流或者电压进行直接调制以使光源输出即为所需的啁啾频率脉冲光，如图3中（a）所示，这种情况下啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源31与调制驱动器32，此时调制驱动器32对第一光源31的电流或电压进行直接调制以输出啁啾频率脉冲光。外调制是指采用调制器件对光源输出光进行强度或者相位调制的方式产生所需的啁啾频率脉冲光，如图3中（b）所示，这种情况下啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源31与调制单元33，此时调制单元33对第一光源31的输出光进行强度或相位调制以得到啁啾频率脉冲光，优选地，调制单元33可以由第一声光调制器、电光调制器等中的单个或者多个调制器件构成。
[0025]
第一光纤放大器12用于将啁啾频率脉冲光进行放大并输出至第一环形器13，第一环形器13用于将第一光纤放大器12输出的啁啾频率脉冲光注入到复用模块3，并将复用模块3输出的在散射增强传感光纤中形成的第一反射光注入到非平衡光纤干涉仪14中。
[0026]
非平衡光纤干涉仪14以及探测单元15用于将第一反射光进行干涉后转换为电信号得到第一干涉信号；其中，非平衡光纤干涉仪14用于接收散射增强点的第一反射光，并利用干涉仪两臂延时使得相邻两个散射增强点的第一反射光进行干涉。非平衡光纤干涉仪14与探测单元15的组合可以由包含2
×
2光纤耦合器与平衡探测器等结构的组合实现，也可以是由包含3
×
3光纤耦合器与2~3个单端探测器等结构的组合实现，以及可以拓展到由包含n
×
n光纤耦合器与若干个单端探测器等结构的组合实现，但其覆盖范围并不限于上述这些结构。
[0027]
如图2所示，相位测量模块2包括第二光源21、第一耦合器22、第二声光调制器23、第二光纤放大器24、第二环形器25、第二耦合器26、平衡探测器27，其中，第二光源21与第一耦合器22的输入端连接，第一耦合器22的一输出端与第二声光调制器23、第二光纤放大器24、第二环形器25、第二耦合器26以及平衡探测器27依次连接，第一耦合器22的另一输出端直接与第二耦合器26连接。
[0028]
第二光源21输出的光源光在第一耦合器22被分成两路后，其中一路光源光经过第二声光调制器23调制成为脉冲宽度为，移频为，重频为的另一脉冲光。该另一脉冲光的重频对应的周期应该大于脉冲在待测散射增强传感光纤中往返传播所需的时间，该另一脉冲光接入到第二光纤放大器24中进行放大并输出。其中，重频与重频一致，脉冲宽度为、脉冲宽度为以及相邻两个散射增强点的光纤长度满足、，n为光纤折射率，c为真空光速。
[0029]
第二环形器25用于将第二光纤放大器24输出的另一脉冲光注入到复用模块3，并将复用模块3输出的在散射增强传感光纤中形成的第二反射光注入到第二耦合器26中，第二反射光与第一耦合器22的另一路输出的光源光发生干涉，平衡探测器27将干涉结果转换为相应的电信号得到第二干涉信号。
[0030]
复用模块3用于实现光程差测量模块1、相位测量模块2的工作通道复用与解复用，其复用方式可以采用波分复用，也可以采用偏振复用等其他复用方式；波分复用方式即光程差测量模块1与相位测量模块2分别具有不同的工作波段，两者输出脉冲光的光波长范围不重合，这种情况下，复用模块3可为工作波段覆盖两者输出脉冲光的波长范围的波分复用
器。而偏振复用方式则是指光程差测量模块1与相位测量模块2注入到散射增强传感光纤4中作为探测光的脉冲光分别工作在不同的偏振态上，这种情况下，复用模块3可为偏振复用器，散射增强传感光纤4为保偏光纤。
[0031]
上述装置中，光程差测量模块1用于实现对opd数据的探测，在光程差测量模块1中，啁啾频率脉冲光产生单元11产生的啁啾频率脉冲光注入散射增强传感光纤4，当啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤4传输时，其产生的背向瑞利散射光作为第一反射光被非平衡光纤干涉仪14接收，通过控制非平衡光纤干涉仪14的臂长差，使得散射增强传感光纤4中相邻两个散射增强点的背向瑞利散射光在非平衡光纤干涉仪14中实现具有较小光程差的干涉光谱，最后通过探测单元15将不同波长下的干涉光信号转化为电信号作为第一干涉信号，并对第一干涉信号进行处理实现光程差的解调。
[0032]
在散射增强传感光纤4中，相邻两个散射增强点的光纤长度为，非平衡光纤干涉仪的臂长差为。则非平衡光纤干涉仪14输出的干涉光i可表示为： （1）其中，a表示干涉光谱的直流分量，b表示干涉光谱的衬比度，λ表示输入散射增强传感光纤作为探测光的啁啾频率脉冲光波长，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射点散射光干涉路径的物理长度差，。
[0033]
当λ变化时，干涉光信号强度也会随之变化。对于在足够范围内变化的光波长，相邻两个散射增强点之间的光程差opd可表示为： （2）其中λm为第m级干涉条纹的峰值波长。
[0034]
因此，通过对光波长在一定范围内进行扫描，获得干涉光强随光波长余弦变化的信号，利用数据处理查找波长扫描范围内干涉条纹的峰值波长λm以及光强随波长的变化情况可以反推得到干涉光谱的光程差。如此采用光程差作为分布式声波传感系统的解调量，建立光程差与声波幅值的一一对应关系，并通过查找干涉条纹数来直接获得opd数据，其解调过程不存在卷绕情况，因此可以实现大动态范围信号的直接解调。但是，基于干涉条纹查找的opd参量解调相对于可以对干涉条纹进行再细分的相位解调来说，其在解调精度和噪声上具有劣势，无法实现高精度、低噪声的信号解调。
[0035]
上述装置中，相位测量模块2用于实现对相位数据的探测，在相位测量模块2中，由第二光源输出的连续光信号经过第一耦合器22被分为两路，其中一路作为探测光，另一路作为本振光，其中，探测光在经过第二声光调制器23被调制为用作探测的另一脉冲光后注入到散射增强传感光纤4，当另一脉冲光在散射增强传感光纤4传输时，其产生的背向瑞利散射光作为第二反射光返回后与另一路本振光发生干涉，最后通过平衡光电探测器27将干涉光信号转化为电信号作为第二干涉信号，并对第二干涉信号进行处理实现具有高精度、低噪声的相位解调。
[0036]
在基于相位解调的分布式传感系统中，通常采用反正切函数（arctan(x)）来解调相位信息，由于反正切函数是[-π，π]内的周期函数，当连续的相位信息φu(i)超过[-π，π]
时，反正切函数求得的相位将会发生卷绕，即出现了
±
2π的跳变，使得解调出的相位信息始终在被包裹在[-π，π]内。为了将卷绕的相位信息φw(i)恢复成连续相位信息φu(i)形式，必须将卷绕的相位信息φw(i)中出现的2π跳变移除，这个过程称为相位解卷。目前传统的相位解卷绕方法遵循π相位原则，即要求相邻采样点间的相位差的绝对值小于π，具体为：计算当前采样点与其直接相邻的前一采样点之间的差值，当两者之差大于+π，则该采样点及其之后的采样点减2π；当两者之差小于-π，则该采样点及其之后的采样点加2π，具体过程可表示为式（3）。
[0037] （3）其中，i表示采样点索引，表示从第i个采样点到末尾的数据。
[0038]
但当外界扰动导致相邻两个采样点之间的光纤长度变化δl在(
−
λ/4n，+λ/4n)之外时，两个相邻采样点之间的相位差可能达到
±
π或者更多，相位解卷算法将该采样点错误地判定为相位卷绕，错误不断累加，对该采样点及其之后的所有采样点都会产生影响，在这种情况下相位解卷绕算法将无法正确的恢复相位信息。因此，对于采样率为fs的系统，其在相位解卷绕算法下对频率为f0的正弦信号进行解卷绕处理时，其理论最大不失真信号幅值a
max
为： （4）由式（4）可知，系统测量频率与动态范围是相互制约关系，并且通过提升系统采样率可以提升动态范围，但是采样速率的提升会提高系统硬件要求并加重系统数据处理的负荷。
[0039]
在本发明实施例中，光程差测量模块1与相位测量模块2可以实现对散射增强传感光纤中相邻两个散射增强点的opd和相位变化的同步解调。理论上两者之间可以由式（5）进行转化，但是由于两者的解调精度不同以及解卷绕问题的存在，无法进行对两者数据进行直接转化。但两者之间的线性对应关系使得基于opd数据辅助完成高精度、大动态范围的相位解卷绕成为可能。
[0040] （5）基于opd数据的相位解卷绕方法的基本原理是通过opd数据来判断卷绕相位中相邻两点相位差产生的原因，并以opd数据为参考对卷绕相位进行恢复。在卷绕相位数据中，相邻两采样点的相位变动可分为以下三种情况，一是未卷绕的正常连续相位变动，二是出现单个2π周期的相位卷绕，三是出现多个2π周期的相位卷绕。在前两种情况下，其相应采样点opd数据变化小于λ/2，这种情况可采用正常的解卷绕流程进行相位恢复；对于第三种情况，其相应采样点opd数据变化要大于λ/2，这种情况下则需根据opd数据判断相位卷绕的2π周期数，并以此来恢复卷绕相位。
[0041]
因此，基于opd数据的相位解卷绕方法为：当相邻两个采样点间的opd变化小于λ/2时，相位解卷绕的方式与传统相位解卷绕方法一致；当相邻两个采样点间的opd变化超过λ/2时，则根据该点opd产生的2π相位延迟数取整，并以此对该点卷绕的相位进行恢复。具体过程可表示为式（6）。
[0042] （6）上式中符号[ ]代表向上取整数，由上述内容可以看出opd数据在该过程中的主要作用是辅助判断，信号的恢复是基于相位数据实现的，因此系统的解调精度也主要取决于相位解调精度。但是，在对信号进行恢复时，利用opd数据来判断相位解卷绕方式的选择以及相位卷绕周期数，opd数据噪声过大会影响相位卷绕周期数的计算结果以及相位解卷绕方式的判断，导致基于opd数据的相位解卷绕方法出现错误。这对opd数据的噪声水平提出了要求，理想情况下opd数据的噪声水平应小于。因此，在实际处理过程中需要提前对opd数据进行降噪声处理，以保证其噪声水平能够满足计算条件。
[0043]
综上所述，在数据采集解调系统中，主要是利用opd数据辅助完成卷绕相位数据的解卷绕工作，恢复完整相位信息，如图4所示，具体采用的基于同步opd数据的相位解卷绕方法，包括以下步骤：步骤1，对光程差测量模块获得的第一干涉信号进行光程差解调得到opd数据，并对opd数据进行降噪处理使得噪声方差小于；步骤2，对相位测量模块获得的第二干涉信号进行解调得到卷绕相位数据φw，同时选择卷绕相位数据φw的第二个采样点为起始点；步骤3，对于第i个采样点的光程差数据opd(i)和相位数据φw(i)，同时计算第i个采样点与第i-1个点之间的光程差变化与相位变化；步骤4，当
││
《λ/2时，判断相对于π的大小，若 》+π，则第i个采样点及其之后的采样点减2π；若 《-π，则第i个采样点及其之后的采样点加2π；其他情况不进行操作；步骤5，当
││
≥λ/2时，判断φw(i)相对于0的大小，若φw(i)》0，则第i个采样点及其之后的采样点加2π*[opd(i)/λ-1]；若φw(i)《0，则第i个采样点及其之后的采样点加2π*[opd(i)/λ]，其他情况不进行操作；步骤6，依据i是否等于相位数据的长度length(φw)，判断是否所有采样点都被处理，如果没有，返回步骤3；如果是，则结束。
[0044]
通过上述步骤1-6，可以将卷绕的相位信息φw(i)恢复成连续相位信息φu(i)，并且其解调动态范围不受π相位原则的限制，可以实现任意幅度的大信号相位的完整解调与恢复。
[0045]
本发明实施例中，为了保证上述过程能够实现，需要对特定组件的特定参数进行
限制，包括：为保证光程差测量模块1中，相邻两个散射增强点的背向散射光能够在非平衡光纤干涉仪发生干涉，第一光源的线宽应满足： （7）其中，c表示光在真空中的传播速度。
[0046]
为保证分布式传感系统的空间分辨率小于相邻两个散射增强点的光纤长度，脉冲光的脉冲宽度应该满足： （8）同时，为保证光程差测量模块与相位测量模块能够实现散射增强传感光纤中相邻两个散射增强点的opd和相位变化的同步解调，两者光源输出光在经过调制后的调制脉冲光宽度、脉冲重复频率应保持一致。
[0047]
本发明实施例还将本发明方法（opd-unwrapping）与传统解卷绕方法（unwrapping）对大信号卷绕相位数据进行解卷绕，解卷绕效果对比如图7所示，分析图7可得，采用传统解卷绕方法对大信号卷绕相位数据进行解卷绕，解卷绕后相位数出现明显失真情况，这是由于传统解卷绕方法中π相位原则限制导致的，而采用本发明方法则很好的恢复了真实相位数据。
[0048]
本发明实施例针对目前das系统中解调动态范围受相位解卷绕限制问题提出解决方案，结合基于opd解调的分布式传感技术与基于相位解调的分布式传感技术，在同一套系统中实现opd与相位两个参量的同时解调，利用opd数据辅助完成相位数据解卷绕，实现高精度、大动态范围信号的解调。其中opd解调技术具有高噪声、大动态范围的特性，相位解调技术具有低噪声、高精度的特性。利用大动态范围的opd数据辅助完成对包裹在[-π，π]内低噪声相位数据的解卷绕，保持系统解调精度与测量噪声的同时可以实现大信号的相位恢复，提升系统测量动态范围。
[0049]
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，包括：光程差测量模块，用于产生啁啾频率脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于对啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光进行干涉得到测量光程差的第一干涉信号；相位测量模块，用于产生另一脉冲光并输入至散射增强传感光纤，还用于对另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光进行干涉得到测量相位信息的第二干涉信号；复用模块，其一端与光程差测量模块和相位测量模块连接，另一端与散射增强传感光纤连接，用于实现对光程差测量模块、相位测量模块的工作通道复用与解复用；散射增强传感光纤，其包括具有间隔的散射增强点，用于对接收的啁啾频率脉冲光和另一脉冲光分别进行散射增强，并输出散射增强点的第一反射光和第二反射光；数据采集解调系统，用于对采集的第一干涉信号和第二干涉信号分别解调得到光程差数据和卷绕相位数据，然后利用光程差数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复相位信息。2.根据权利要求1所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述光程差测量模块包括啁啾频率脉冲光产生单元、第一光纤放大器、第一环形器、非平衡光纤干涉仪、探测单元，其中，啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光经过第一光纤放大器放大后经过第一环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，啁啾频率脉冲光在散射增强传感光纤中的第一反射光经过复用模块和第一环形器注入到非平衡光纤干涉仪，经过非平衡光纤干涉仪干涉后通过探测单元转换为电信号得到测量光程差的第一干涉信号。3.根据权利要求2所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述啁啾频率脉冲光产生单元产生的啁啾频率脉冲光通过对第一光源进行内调制或外调制产生，其中，当采用内调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制驱动器，调制驱动器对第一光源的电流或电压进行直接调制以输出啁啾频率脉冲光，当采用外调制时，啁啾频率脉冲光产生单元包括第一光源和调制单元，调制单元对第一光源的输出光进行强度或相位调制以得到啁啾频率脉冲光，调制单元由第一声光调制器、电光调制器中的单个或者多个调制器件构成。4.根据权利要求2所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述非平衡光纤干涉仪与探测单元的组合由n
×
n光纤耦合器与若干个单端探测器结构的组合实现，其中，n
×
n光纤耦合器用于实现干涉，单端探测器用于将干涉的光信号转换为电信号。5.根据权利要求1所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述相位测量模块包括第二光源、第一耦合器、第二耦合器、第二声光调制器、第二光纤放大器、第二环形器、平衡探测器，其中，第二光源输出的光源光经过第一耦合器分成两路，其中，一路光源光经过第二声光调制器调制成另一脉冲光，该另一脉冲光经过第二光纤放大器放大后再经过第二环形器和复用模块输入至散射增强传感光纤，另一脉冲光在散射增强传感光纤中的第二反射光经过复用模块和第二环形器注入到第二耦合器，在第二耦合器中，第二反射光与第一耦合器输出的另一路光源光发生干涉后通过平衡探测器转换为电信号得到测量相位信息的第二干涉信号。6.根据权利要求2所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征
在于，所述啁啾频率脉冲光产生单元中的第一光源的线宽应满足，其中，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射点散射光干涉路径的物理长度差。7.根据权利要求1所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述光程差测量模块中产生的啁啾频率脉冲光与相位测量模块产生的另一脉冲光的脉冲宽度相等，且啁啾频率脉冲光与另一脉冲光的重频相等。8.根据权利要求7所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，脉冲宽度满足，其中，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，表示相邻两个散射增强点的光纤长度。9.根据权利要求1所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，其特征在于，所述数据采集解调系统实现的解调过程为：步骤1，对光程差测量模块获得的第一干涉信号进行光程差解调得到opd数据，并对opd数据进行降噪处理使得噪声方差小于；步骤2，对相位测量模块获得的第二干涉信号进行解调得到卷绕相位数据φ
w
，同时选择卷绕相位数据φ
w
的第二个采样点为起始点；步骤3，对于第i个采样点的光程差数据opd(i)和相位数据φ
w
(i)，同时计算第i个采样点与第i-1个点之间的光程差变化与相位变化；步骤4，当
││
<λ/2时，判断相对于π的大小，若 >+π，则第i个采样点及其之后的采样点减2π；若<-π，则第i个采样点及其之后的采样点加2π；其他情况不进行操作；步骤5，当
││
≥λ/2时，判断φ
w
(i)相对于0的大小，若φ
w
(i)>0，则第i个采样点及其之后的采样点加2π*[opd(i)/λ-1]；若φ
w
(i)<0，则第i个采样点及其之后的采样点加2π*[opd(i)/λ]，其他情况不进行操作；步骤6，依据i是否等于相位数据的长度length(φ
w
)，判断是否所有采样点都被处理，如果没有，返回步骤3；如果是，则结束。10.一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-9任一项所述的基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感装置，包括以下步骤：利用光程差测量模块、复用模块以及散射增强传感光纤探测得到测量光程差的第一干涉信号；利用相位测量模块、复用模块以及散射增强传感光纤探测得到测量相位信息的第一干涉信号；利用数据采集解调系统对第一干涉信号和第二干涉信号进行解调得到光程差数据和卷绕相位数据，然后利用光程差数据辅助卷绕相位数据进行解卷绕，恢复相位信息。

技术总结
本发明公开了一种基于光程差辅助的大动态范围分布式相位传感方法和装置，包括光程差测量模块、相位测量模块、复用模块、散射增强传感光纤以及数据采集解调系统，将具有高噪声、大动态范围特性的光程差（OPD）解调与具有低噪声、高精度的相位解调相结合，并在数据处理时，利用大动态范围的OPD数据辅助完成低噪声相位数据的解卷绕，校正由于π相位原则导致的相位解卷绕错误，实现大信号的相位解卷绕，在保持系统解调精度的同提升测量动态范围。系统解调精度的同提升测量动态范围。系统解调精度的同提升测量动态范围。


技术研发人员：田帅飞 马玲梅 朱琛 郑洪坤 刘泽超
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.09.13
技术公布日：2023/10/20