本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是指一种分布式相位敏感光时域反射仪传感系统及相位提取方法。
背景技术：
随着科学技术及工程建设的蓬勃发展，电网中的电缆与通信网中的光缆遍布在各个角落，例如，跨海大桥。这些工程往往横跨几十甚至上百公里，单单依靠人力对这些大型工程的安防及扰动监测是远远不够的，相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)技术可以代替人力实现长距离的安防及扰动监测。通过分析φ-otdr传感系统接收的瑞利散射光，可以实现探测距离内的扰动信号定位以及其相位提取。目前，φ-otdr传感系统中使用的调制器多种多样，如光纤声光调制器(aom)、电光调制器(electro-opticmodulator，eom)等将连续的激光调制成脉冲光。eom采用同相/正交(iq)调制，调制方式复杂，并且eom的消光比较小，很容易造成φ-otdr传感系统扰动的误判，影响扰动信号的定位结果，更进一步影响扰动信号的相位提取及分析；因此，现有技术中，常用aom与平衡光电探测器(bpd)结合，利用外差相干检测来实现扰动信号相位的提取，但是bpd在使信号功率增大一倍的同时，噪声功率同样会增加一倍，导致扰动位置定位和扰动相位提取的准确性下降。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种分布式相位敏感光时域反射仪传感系统及相位提取方法，以解决现有技术所存在的由于噪声功率增加，导致扰动位置定位和扰动相位提取的准确性下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种分布式相位敏感光时域反射仪传感系统，包括：窄线宽激光器、第一耦合器、声光调制器、环形器、第二耦合器、光电探测器和数字信号处理器；其中，
窄线宽激光器，用于发射激光并将发射的激光通过第一耦合器分成两路，其中，一路作为信号光被声光调制器调制成脉冲光并在声光调制器频移的作用下成为单边带信号，作为单边带信号的脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；另一路作为本振光发送至第二耦合器；
第二耦合器，用于对本振光和环形器输出的瑞利散射光进行混频，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换；其中，混频之后的光信号为单边带信号；
数字信号处理器，用于对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位。
进一步的，所述系统还包括：第一掺铒光纤放大器和第一带通滤波器；
所述第一掺铒光纤放大器，用于对作为单边带信号的脉冲光进行功率放大；
所述第一带通滤波器，用于对放大后的脉冲光进行滤波处理，滤波后的脉冲光经过环形器注入传感光纤。
进一步的，所述系统还包括：第二掺铒光纤放大器和第二带通滤波器；
所述第二掺铒光纤放大器，用于对环形器输出的瑞利散射光进行功率放大；
所述第二带通滤波器，用于对放大后的瑞利散射光进行滤波处理，滤波后的瑞利散射光输入至第二耦合器。
本发明实施例还提供一种应用于权利要求1所述传感系统的相位提取方法，包括：
在发送端，通过声光调制器将信号光调制成脉冲光，脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；其中，脉冲光在声光调制器频移的作用下成为单边带信号；
在接收端，将本振光和环形器输出的瑞利散射光在第二耦合器中进行混频，其中，混频之后的光信号为单边带信号，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换，对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位。
进一步的，所述脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出包括：
将调制后的脉冲光通过放大、带通滤波之后经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光srbs(t)的时域表达式为：
其中，t为时间，as(t)为瑞利散射光的幅值，f0为窄线宽激光器的频率，fb为声光调制器的频移量，
进一步的，本振光为载波，本振光slo(t)的时域表达式为：
其中，al为本振光的幅值，
进一步的，本振光和环形器输出的经过放大、带通滤波之后的瑞利散射光在第二耦合器中混频后，输出的光信号smix(t)的时域表达式为：
进一步的，光电转换后得到的电信号i(t)的时域表达式为：
其中，as2(t)为信号自拍频干扰项。
进一步的，所述对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位包括：
对光电转换后得到的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，得到瑞利散射光功率ipf(t)表达式：
其中，时间t＝t0 nt，n为提取的信号ipf(t)中有完整瑞利散射光周期的个数，t为瑞利散射光的周期，t0为提取的信号ipf(t)中第一个不完整周期瑞利散射光持续时间；
去除t0时间内的信号，得到t’＝nt时间内的信号，将t’时间内的信号转换为n×t的数据矩阵，其中，每行数据与传感光纤中随距离变化的瑞利散射光相对应；
以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的功率差，通过功率差实现扰动位置定位；其中，无扰动的位置功率差为0，有扰动的位置功率差不为0，以此来实现扰动信号的定位；
以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的相位差，将扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位。
进一步的，所述将扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位包括：
设无扰动位置对应的时间为ta nt，扰动位置对应的时间为tb nt，根据相位差公式：
其中，t1为第一个瑞利散射光周期中扰动位置对应的时间，ipf*(t1)为瑞利散射光功率ipf(t)表达式的共轭，ta为第一个瑞利散射光周期内无扰动位置(参考位置)对应的时间，tb为第一个瑞利散射光周期内扰动位置对应的时间，n＝2…n,0<t1≤t，
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用声光调制器的频移功能，使得经过声光调制器频移的单边带信号在光电探测器接收之后，与光电转换过程中的信号自拍频干扰(ssbi)不发生重叠，具有隔离于ssbi的天然保护带，以便数字信号处理器通过带通滤波滤出不含ssbi的接收信号，从而排除ssbi对接收信号的干扰；采用单光电探测器进行光电转换，能够降低光电转换过程中引入的噪声，在长探测距离、高扰动频率的场景中发挥出更加明显的优势；在数字信号处理部分只取电信号的一个边带即可实现光纤扰动信号的定位及相位的检测，这样，在提高扰动位置定位和扰动相位提取的准确性的同时，还能实现光纤扰动信号的定位及相位的快速检测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的应用于分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的相位提取方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的信号频谱示意图，其中，图3中的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应图2中的①②③④；
图4为本发明实施例提供的数字信号处理流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的由于噪声功率增加，导致扰动位置定位和扰动相位提取的准确性下降的问题，提供一种分布式相位敏感光时域反射仪传感系统及相位提取方法。
实施例一
如图1所示，本发明实施例还提供一种分布式相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)传感系统，包括：窄线宽激光器、第一耦合器、声光调制器、环形器、第二耦合器、光电探测器和数字信号处理器；其中，
窄线宽激光器，用于发射激光并将发射的激光通过第一耦合器分成两路，其中，一路作为信号光被声光调制器调制成脉冲光并在声光调制器频移的作用下成为单边带信号，作为单边带信号的脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；另一路作为本振光发送至第二耦合器；
第二耦合器，用于对本振光和环形器输出的瑞利散射光进行混频，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换；其中，混频之后的光信号为单边带信号；
数字信号处理器，用于对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位。
本发明实施例所述的分布式相位敏感光时域反射仪传感系统，利用声光调制器的频移功能，使得经过声光调制器频移的单边带信号在光电探测器接收之后，与光电转换过程中的信号自拍频干扰(ssbi)不发生重叠，具有隔离于ssbi的天然保护带，以便数字信号处理器通过带通滤波滤出不含ssbi的接收信号，从而排除ssbi对接收信号的干扰；采用单光电探测器进行光电转换，能够降低光电转换过程中引入的噪声，在长探测距离、高扰动频率的场景中发挥出更加明显的优势；在数字信号处理部分只取电信号的一个边带即可实现光纤扰动信号的定位及相位的检测，这样，在提高扰动位置定位和扰动相位提取的准确性的同时，还能实现光纤扰动信号的定位及相位的快速检测。
在前述分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：第一掺铒光纤放大器和第一带通滤波器；
所述第一掺铒光纤放大器，用于对作为单边带信号的脉冲光进行功率放大；
所述第一带通滤波器，用于对放大后的脉冲光进行滤波处理，滤波后的脉冲光经过环形器注入传感光纤。
本实施例中，如图1所示，在发送端，将窄线宽激光器(laser)(1550.12nm，线宽<100hz)发出的光通过99：1的第一耦合器(coupler)分成两路，99％作为信号光被声光调制器(aom)调制成脉冲光，1％作为本振光发送至第二耦合器；在aom频移(例如，上频移)的作用下脉冲光成为单边带(ssb)信号，作为单边带信号的脉冲光经过第一掺铒光纤放大器(edfa)进行功率放大，但是脉冲光功率不宜放大太多，以避免发生受激布里渊和受激拉曼散射；此时，edfa由于放大引入的自发辐射噪声(ase)不可忽视，需要1550.12nm波段的第一带通滤波器(bpf)进行滤波处理滤除带外噪声；之后，脉冲光从环形器1端口进入，从环形器2端口输出到传感光纤中，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器3端口输出；其中，由于是在实验，还需要在传感光纤某一位置放置压电陶瓷扰动器(pzt)来模拟扰动。
本实施例中，例如，可以选择单模裸光纤作为传感光纤。
在前述分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：第二掺铒光纤放大器和第二带通滤波器；
所述第二掺铒光纤放大器，用于对环形器输出的瑞利散射光进行功率放大；
所述第二带通滤波器，用于对放大后的瑞利散射光进行滤波处理，滤波后的瑞利散射光输入至第二耦合器。
本实施例中，如图1所示，在接收端，环形器输出的瑞利散射光通过第二掺铒光纤放大器(edfa)进行功率放大和第二带通滤波器(bpf)进行滤波处理，滤波处理后的瑞利散射光与1％的本振光在一个50：50的2×1的第二耦合器中进行混频，混频之后的光信号经过单个光电探测器(pd)进行光电转换，然后，通过数字信号处理器对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位差。
实施例二
如图2所示，本发明实施例提供的应用于分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的相位提取方法，包括：
s101，在发送端，通过声光调制器将信号光调制成脉冲光，脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；其中，脉冲光在声光调制器频移的作用下成为单边带信号；
s102，在接收端，将本振光和环形器输出的瑞利散射光在第二耦合器中进行混频，其中，混频之后的光信号为单边带信号，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换，对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位。
本发明实施例所述的应用于分布式相位敏感光时域反射仪传感系统的相位提取方法，利用声光调制器的频移功能，使得经过声光调制器频移的单边带信号在光电探测器接收之后，与光电转换过程中的信号自拍频干扰(ssbi)不发生重叠，具有隔离于ssbi的天然保护带，以便数字信号处理器通过带通滤波滤出不含ssbi的接收信号，从而排除ssbi对接收信号的干扰；采用单光电探测器进行光电转换，能够降低光电转换过程中引入的噪声，在长探测距离、高扰动频率的场景中发挥出更加明显的优势；在数字信号处理部分只取电信号的一个边带即可实现光纤扰动信号的定位及相位的检测，这样，在提高扰动位置定位和扰动相位提取的准确性的同时，还能实现光纤扰动信号的定位及相位的快速检测。
本发明实施例所述的相位提取方法，有望成为未来分布式相位敏感光纤传感系统信噪比提升、简洁的算法处理流程且低成本的实施方案。
本实施例中，在分布式相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)传感系统中声光调制器(aom)具有两个作用：
1)将窄线宽激光器发射的连续的高相干光调制成脉冲光，其中，脉冲光的重复周期根据传感光纤的长度来设定，重复周期应大于脉冲光在传感光纤中传输时长的2倍，脉冲光的脉宽决定了φ-otdr系统的空间分辨率，设脉冲光的脉宽为τ，则系统空间分辨率可表示为
2)将调制后的脉冲光上频移或者下频移，例如，假设aom上频移fb，则调制后的脉冲光信号与原来的脉冲光信号有fb的频差。
本实施例中，经过aom调制以后的脉冲光信号用s0(t)来表示，其光谱如图3(a)所示，其中，b为调制信号的带宽，脉冲光信号s0(t)的光谱s0(j2πf)表达式为：
式(1)中，f为自变量，f表示频率，τ为脉冲光的脉宽，t为瑞利散射光的周期，fb为aom的频移量，k为负无穷到正无穷范围内的整数,随着k取值的不同，s0(j2πf)也发生相应变化，从式(1)可以看出经aom调制以后的信号中心频率位于fb处，信号的包络为sa函数，内部由频率间隔为
本实施例中，将调制后的脉冲光通过放大、带通滤波之后经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回来的瑞利散射光srbs(t)的时域表达式为：
式(2)中，t为时间，f0为窄线宽激光器的频率，fb为声光调制器的频移量，as(t)为瑞利散射光的幅值，
本实施例中，本振光为载波，本振光slo(t)的时域表达式为：
式(3)中，al为本振光的幅值，
本实施例中，通过放大、带通滤波之后的瑞利散射光与窄线宽激光器发出的1％的本振光在50：50的第二耦合器中混频后，输出的光信号smix(t)的时域表达式为：
光信号smix(t)的光谱如图3(c)所示，通过观察此时光信号smix(t)的光谱，可知在光电转换之前的信号为ssb信号。在单pd对混频后的光信号smix(t)进行光电转换之后，得到的电信号i(t)的时域表达式为：
其中，as2(t)为信号自拍频干扰(ssbi)项，用图3(d)中位于基带的三角形表示其频谱，ssbi的带宽为b/2，b为调制信号的带宽。
本实施例中，使用的aom频移一般为80mhz或200mhz，aom频移之后的信号带宽一般不超过40mhz。由于aom的频移作用，信号位于频率为fb的位置，fb通常为80mhz或200mhz，信号的带宽一般不超过40mhz，ssbi的带宽一般不超过20mhz，由于aom的频移特性，经过aom频移的ssb信号在pd接收之后，与光电转换过程中信号自拍频干扰(ssbi)不发生重叠，对信号形成了隔离于ssbi的天然保护带，这种保护带的存在使直接带通滤波就可滤出不含ssbi的接收信号，从而排除ssbi对接收信号的干扰。
因此，如图4所示，本实施例中的数字信号处理器首先需要对光电转换后得到的电信号进行带通滤波，由于声光调制器的移频作用,信号自拍频干扰项与信号项没有在同一带宽范围内,此处的滤波操作能过滤除信号自拍频干扰项,并取滤波后电信号的一个边带，得到瑞利散射光功率ipf(t)表达式：
其中，时间t＝t0 nt，n为提取的信号ipf(t)中有完整瑞利散射光周期的个数，t为瑞利散射光的周期，t0为提取的信号ipf(t)中第一个不完整周期瑞利散射光持续时间；
去除t0时间内的信号，得到t’＝nt时间内的信号，将t’时间内的信号转换为n×t的数据矩阵，其中，每行数据与传感光纤中随时间变化的瑞利散射光相对应；
以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的功率差，通过功率差实现扰动位置定位；这是根据瑞利散射光的幅度和相位只与位置和光纤的折射率有关的特性，在无扰动的位置功率差为0，在有扰动的位置光纤的折射率发生变化，功率差不再为0，以此来实现扰动位置定位；
以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据(即：瑞利散射光)的相位差，瑞利散射光的相位差可用式(7)来表示：
其中，t1为第一个瑞利散射光周期中扰动位置对应的时间，ipf*(t1)为瑞利散射光功率ipf(t)表达式的共轭，根据式(7)取出的瑞利散射光相位差除包含瞬时相位差之外，还有残余的2πfbnt项，由光纤扰动信号引起的相位是在之前无扰动相位的基础之上变化的，所以在取扰动信号相位时需要扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，因此，设无扰动位置(参考位置)对应的时间为ta nt，扰动位置对应的时间为tb nt，其中，ta为第一个瑞利散射光周期内无扰动位置(参考位置)对应的时间，tb为第一个瑞利散射光周期内扰动位置对应的时间。根据式(7)，分别确定扰动位置和无扰动位置的瑞利散射光相位差，然后，将扰动位置和无扰动位置的瑞利散射光相位差做差之后，得到光纤扰动信号相位
式(8)中，
将扰动位置处瑞利散射光相位与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位做差，得到光纤扰动信号相位差。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种分布式相位敏感光时域反射仪传感系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器、第一耦合器、声光调制器、环形器、第二耦合器、光电探测器和数字信号处理器；其中，
窄线宽激光器，用于发射激光并将发射的激光通过第一耦合器分成两路，其中，一路作为信号光被声光调制器调制成脉冲光并在声光调制器频移的作用下成为单边带信号，作为单边带信号的脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；另一路作为本振光发送至第二耦合器；
第二耦合器，用于对本振光和环形器输出的瑞利散射光进行混频，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换；其中，混频之后的光信号为单边带信号；
数字信号处理器，用于对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位。
2.根据权利要求1所述的分布式相位敏感光时域反射仪传感系统，其特征在于，所述系统还包括：第一掺铒光纤放大器和第一带通滤波器；
所述第一掺铒光纤放大器，用于对作为单边带信号的脉冲光进行功率放大；
所述第一带通滤波器，用于对放大后的脉冲光进行滤波处理，滤波后的脉冲光经过环形器注入传感光纤。
3.根据权利要求1所述的分布式相位敏感光时域反射仪传感系统，其特征在于，所述系统还包括：第二掺铒光纤放大器和第二带通滤波器；
所述第二掺铒光纤放大器，用于对环形器输出的瑞利散射光进行功率放大；
所述第二带通滤波器，用于对放大后的瑞利散射光进行滤波处理，滤波后的瑞利散射光输入至第二耦合器。
4.一种应用于权利要求1所述传感系统的相位提取方法，其特征在于，包括：
在发送端，通过声光调制器将信号光调制成脉冲光，脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出；其中，脉冲光在声光调制器频移的作用下成为单边带信号；
在接收端，将本振光和环形器输出的瑞利散射光在第二耦合器中进行混频，其中，混频之后的光信号为单边带信号，混频之后的光信号通过单个光电探测器进行光电转换，对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位。
5.根据权利要求4所述的相位提取方法，其特征在于，所述脉冲光经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光通过环形器输出包括：
将调制后的脉冲光通过放大、带通滤波之后经过环形器注入传感光纤，从传感光纤反射回的瑞利散射光srbs(t)的时域表达式为：
其中，t为时间，as(t)为瑞利散射光的幅值，f0为窄线宽激光器的频率，fb为声光调制器的频移量，
6.根据权利要求5所述的相位提取方法，其特征在于，本振光为载波，本振光slo(t)的时域表达式为：
其中，al为本振光的幅值，
7.根据权利要求6所述的相位提取方法，其特征在于，本振光和环形器输出的经过放大、带通滤波之后的瑞利散射光在第二耦合器中混频后，输出的光信号smix(t)的时域表达式为：
8.根据权利要求7所述的相位提取方法，其特征在于，光电转换后得到的电信号i(t)的时域表达式为：
其中，as2(t)为信号自拍频干扰项。
9.根据权利要求8所述的相位提取方法，其特征在于，所述对光电转换后的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，对提取的边带进行数字信号处理，得到光纤扰动信号的位置及相位包括：
对光电转换后得到的电信号进行带通滤波并取滤波后电信号中的一个边带，得到瑞利散射光功率ipf(t)表达式：
其中，时间t＝t0 nt，n为提取的信号ipf(t)中有完整瑞利散射光周期的个数，t为瑞利散射光的周期，t0为提取的信号ipf(t)中第一个不完整周期瑞利散射光持续时间；
去除t0时间内的信号，得到t’＝nt时间内的信号，将t’时间内的信号转换为n×t的数据矩阵，其中，每行数据与传感光纤中随距离变化的瑞利散射光相对应；
以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的功率差，通过功率差实现扰动位置定位；其中，无扰动的位置功率差为0，有扰动的位置功率差不为0，以此来实现扰动信号的定位；
以数据矩阵的行为单位，确定数据矩阵中行之间数据的相位差，将扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位。
10.根据权利要求9所述的相位提取方法，其特征在于，所述将扰动位置处瑞利散射光相位差与扰动之前无扰动位置瑞利散射光相位差做差，得到光纤扰动信号相位包括：
设无扰动位置对应的时间为ta nt，扰动位置对应的时间为tb nt，根据相位差公式：
其中，t1为第一个瑞利散射光周期中扰动位置对应的时间，ipf*(t1)为瑞利散射光功率ipf(t)表达式的共轭，ta为第一个瑞利散射光周期内无扰动位置(参考位置)对应的时间，tb为第一个瑞利散射光周期内扰动位置对应的时间，n＝2…n,0<t1≤t，
