具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提出一种相位敏感型光时域反射系统中非硬件实现相位锁定的方法，对于声光调制器(AOM)驱动源内部的载波信号、声光调制器(AOM)驱动源的脉冲调制信号以及数据采集卡的触发信号三个信号时钟未加锁定的φ-OTDR系统，在不改变硬件结构的前提下，通过对中频信号以一定的抽样间隔进行数据抽取，可以实现对采集到的中频信号初始相位锁定；通过对采集到的中频信号进行临近点间滑动滤波，得到的数据具有高度的相似性，滤波得到的中频信号信噪比明显变好，同时将未进行硬件相位锁定带来的干扰频率规避或搬离待观测区域，避免对待观测信号的干扰；最后得到的M组相位锁定的鉴相数据还可直接进行功率谱密度的叠加，从而获得较高的灵敏度；如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：通过基于相干探测的φ-OTDR系统得到的探测光脉冲在传感光纤中所产生的瑞利背向散射光(RBS)与参考光的拍频信号。

步骤2：将拍频信号通过带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声得到中频信号被数据采集卡(DAQ)采集输入计算机中。

假设传统相干探测型φ-OTDR系统声光调制器(AOM)引入的定量光移频量为f_m，散射光的振幅强度为E_R(n)，参考光的振幅强度为E_L(n)，散射光的初始相位为参考光的初始相位为任一采样点位置为n，采样总数为N。数据采集卡采集到的中频信号可以表示为：

对于传统相干探测型φ-OTDR系统由于未进行硬件上的相位锁定，得到中频信号后一般便直接进行IQ解调，假设IQ解调中正余弦信号幅值强度表示为A_T，频率为f_T，初始相位为则函数表达式可表示为：

将中频信号I₀(n)分别与正余弦信号T₁、T₂混频：

其中：A(n)＝E_R(n)E_L(n) (6)

理想状态下f_m＝f_T，对两路信号再分别通过低通滤波器去除高频部分得到I\Q两路输出：

但是由于声光调制器(AOM)驱动源内部的载波信号、声光调制器(AOM)驱动源的脉冲调制信号以及数据采集卡的触发信号三个时钟来自不同时钟源，相互独立，相位关系没有锁定，由于外界温度变化和环境的影响，从而导致f_m与f_T之间出现频率差f_n和相应的相位误差使得中频信号存在相位漂移，此时的I、Q信号实际可以表示为：

其中，f_s为数据采集卡采样率，数据采集卡采样率比待测信号的频率高k倍以上。这将导致系统最终得到的相位解调结果出现误差，存在一定误差的相位解调结果可以表示为：

其中，m为正整数，由于f_n的存在，最终得到的相位结果将不能正确的表征外界入侵扰动引起的RBS信号相位变化的实际情况，造成探测结果失真，信噪比下降。

步骤3：选取10s连续的、安静状态下的中频信号数据作为样本，以任一采样时刻的时域波形图作为模板，连续绘制该样本的时域波形图与模板进行对比，观察时域波形相位漂移，统计每次时域波形与模板相位近乎重合时的周期M_t，多次观察并统计M_t值。观察并统计M_t值的次数至少要100次。

步骤4：求取M_t的均值，并以均值的正整数倍取整后的k值作为抽样间隔，在抽样间隔内同时抽取出M组抽样间隔一致的中频信号数据。

为避免产生f_n，必须尽量规避中频信号的相位漂移，在未进行硬件相位锁定的情况下，当以均值M_t的正整数倍取整后的k值作为抽样间隔时，k可表示为：

k＝N₁M_t (14)

需要注意的是，这里的N₁实际上应为优选值，以k值进行抽样时，可以一定程度上有效避免f_n的产生，此时解调出的相位值经过解缠绕后可得到实际正确的相位结果为：

但一般情况下，由于均值M_t为观测值，与真实值存在误差△M_t，且其正整数倍通常无法取到一个整数k，而是一个小数k₁，经四舍五入舍去△k₁后得到k，其实际为：

k＝N₁(M_t+△M_t)+△k₁ (16)

因此，在以k值为抽样间隔进行抽样时存在误差，其近似误差为：

δ_k＝(k-k₁)/k₁×100％ (17)

化简得：

δ_k＝△k₁/N₁(M_t+△M_t)×100％ (18)

由于存在近似误差，并不能完全消除周期性固有频率的干扰，当以k值为抽样间隔对中频信号进行抽样时，周期性固有干扰信号频率会残留一个频率f_l，当k₁尽可能趋近于k时，f_l会被搬离原来的频率点，从而可避免对待观测信号的干扰。同时由于对中频信号数据的抽取实际上为降采样过程，N₁值不宜过大，否则会要求数据采集卡(DAQ)的采样率过高，因此N₁作为优选值，必须在保证采样率符合要求的前提下，使k₁尽可能趋近于k。

步骤5：对抽取出的每组中频信号数据分别进行IQ解调：将中频信号分为两路与正弦和余弦数字信号进行混频，再分别通过低通滤波器去除高频部分得到I\Q两路输出，进而得到中频信号的相位信息。

步骤6：对得到的相位数据进行相位解缠绕处理，得到M组相位锁定的鉴相数据。M组相位锁定的鉴相数据可直接进行功率谱密度的叠加，从而提高信噪比，获得较高的灵敏度。

本实施方式根据拍频信号200MHz的频率和探测光脉冲100ns的脉宽，指定带通滤波器的中心频率为200MHz，带宽为20MHz。将拍频信号通过带通滤波器进行中频滤波，抑制宽带噪声得到中频信号，被数据采集卡(DAQ)采集输入计算机中，其中数据采集卡采样率设置为20kHz。选取10s安静状态下的中频信号数据作为样本，以第一个采样时刻的时域波形图作为模板，连续绘制该样本的时域波形图与模板进行对比，观察时域波形相位漂移，统计每次时域波形与模板相位近乎重合时的周期M_t，观察并统计M_t值300次，大多数M_t值为6，少数为5。求取M_t的均值为5.929，优选值N₁选择为1，则k＝6值作为抽样间隔，在抽样间隔内同时抽取出6组抽样间隔一致的中频信号数据，通过数据抽取的形式采样率降为3373Hz。对抽取出的每组中频信号数据分别进行IQ解调：将中频信号分为两路与正弦和余弦数字信号进行混频，再分别通过低通滤波器去除高频部分得到I\Q两路输出，进而得到中频信号的相位信息。对得到的相位数据进行相位解缠绕处理，得到6组相位锁定的鉴相数据。

实验测得在未对声光调制器驱动源内部的载波信号的时钟源、用于输入至AOM驱动源的脉冲调制信号的时钟源和用于数据采集卡的触发信号的时钟源进行硬件上的相位锁定，待观测信号为720Hz振动信号时，图2是对某一安静状态下平衡探测器探测到的中频信号样本100条连续时域波形图叠加，可以观察到，由于存在相位漂移，不同时刻的中频信号之间相位信息没有相关性；图3是对某一安静状态下平衡探测器探测到的中频信号样本进行数据抽取后，得到的100条连续时域波形图叠加后，可以观察到，通过数据抽取的形式，规避了相位漂移，不同时刻的中频信号之间相位信息有很强的相关性。通过图2和图3的对比，可以说明传统相干探测型φ-OTDR在未进行硬件相位锁定时，本发明方法可以使得采集到的背向瑞利散射光初始相位锁定。

图4是传统φ-OTDR系统未进行硬件结构相位锁定时外部施加720Hz干扰信号时平衡探测器探测到的250s中频信号频谱图。在频谱图中存在720Hz附近，存在622Hz、780.7Hz和880Hz等固有频率的影响，信噪比为2.5dB左右且噪声谱不平坦；图5是其进行数据抽取后，在软件上实现相位锁定时，外部施加720Hz干扰信号时平衡探测器探测到的250s中频信号的频谱图,该图已经对6组抽样数据进行了功率谱密度叠加，可以看出720Hz附近固有干扰频率被搬离该频带，信噪比为12.3842dB,得到了极大地提升，同时噪声谱变得平坦。通过图4和图5的对比，可以看出传统相干探测型φ-OTDR在未进行硬件相位锁定时，本发明可以将未进行硬件相位锁定带来的干扰频率规避掉或搬离待观测区域，避免对待观测信号的干扰；同时对采集到的中频信号进行临近点间滑动滤波，得到的数据具有高度的相似性，滤波得到的中频信号信噪比明显变好，从而获得较高的灵敏度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。