一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法。

背景技术：

1、相位敏感光时域反射仪是利用光纤背向散射信号的相位信息对扰动进行识别和定位的分布式光纤传感器，在油气管道和安防领域被广泛使用。随着光纤传感技术的迅猛发展，低精度的光纤传感方法无法满足日益增长的传感需求。设计一种高信噪比，能抑制相位衰落的相位敏感光时域反射仪有着重大意义。

2、在现有的研究文献中，很多都是利用离线数据进行带宽分割再合成或单路径相干衰落抑制。chen d在“phase-detection distributed fiber-optic vibration sensorwithoutfading-noise based on time-gated digital ofdr”，2017:8315-8325中采用啁啾脉冲作为调制信号，在接收端划分为不同子带，并利用旋转矢量法合成，虽然降低了空间分辨率，但对相干衰落进行了抑制，缺点是无法实时处理。胡祖翰在“相干衰落抑制φ-otdr的分布式光纤周界安防技术”，2023:1-9中采用矢量旋转滑动平均方法，在每条传感数据上利用滑窗对滑窗内的矢量进行旋转平均，但其衰落抑制效果和空间分辨率成反比，且采用离线处理。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有的相位敏感光时域反射仪无法实时抑制相位衰落、实现过程复杂等问题。本发明提供了一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，实现简单、实时抑制相位衰落，利用多路径信息的实时融合，对相干衰落进行抑制。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，包括参考矢量归一化模块、参考矢量寄存模块、矢量旋转模块、矢量融合模块和相位解调模块，其中，前级光纤传感数据经过希尔伯特变换转换为矢量形式，参考矢量归一化模块对传感数据进行矢量归一化，然后参考矢量寄存模块对归一化矢量进行寄存，后续每一条传感数据都经过延时对齐后，在矢量旋转模块中以参考矢量为标准进行旋转，旋转后的多路数据在矢量融合模块中进行融合，融合数据在相位解调模块里计算出实时相位。

3、进一步地，多路径包括不具有相关性或相关性低的独立传感信息。

4、进一步地，通过获取相位敏感光时域反射仪输出的多路信息，得到多路实信号，通过对多路实信号进行希尔伯特变换，得到信号的虚部，进而将信号转换成矢量形式，基于此，可以将多路信号以矢量形式进行计算；通过将矢量信号旋转并融合的方法，将单根路径上的相干衰落进行抑制，且通过信号叠加提升系统信噪比，并通过流水线方法，实现融合和解调的实时性。

5、进一步地，参考矢量归一化模块对传感数据进行矢量归一化，具体包括参考矢量归一化模块利用坐标旋转数字计算方法对传感数据矢量求模长，并对原始矢量求共轭，之后共轭除模长进行归一化。

6、进一步地，参考矢量寄存模块，在收到开始或刷新指令后，对此后参考矢量归一化模块计算出的第一条完整的归一化矢量进行寄存，并在此后每个传感周期进行输出。

7、进一步地，在矢量旋转模块中以参考矢量为标准进行旋转，具体包括，矢量旋转模块以寄存的归一化矢量为参考，对延时对齐后的每一条完整的原始数据进行旋转。

8、进一步地，矢量融合模块对各通道经过矢量旋转模块旋转后的矢量进行矢量相加。

9、进一步地，相位解调模块包括相位计算和相位差分，具体的，利用相位计算和相位差分对融合后信号进行相位解调。

10、进一步地，其中，相位计算利用反正切函数计算出矢量相位，相位差分对相位数据进行延时寄存，并利用延时数据与原始数据进行差分计算，并根据前后差分数据差值进行相位修正。

11、进一步地，参考矢量归一化模块、参考矢量寄存模块、矢量旋转模块、矢量融合模块和相位解调模块通过fpga与主机的交互，来实现本地fpga与主机的交互。

12、技术效果

13、本发明提供了一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其路径数量可变，可根据实际需求和系统复杂性进行配置；其数据融合采用流水线设计，可做到延时可控；其实现方式全程在电域实现，可适配多种光域结构。

14、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，包括参考矢量归一化模块、参考矢量寄存模块、矢量旋转模块、矢量融合模块和相位解调模块，其中，前级光纤传感数据经过希尔伯特变换转换为矢量形式，参考矢量归一化模块对传感数据进行矢量归一化，然后参考矢量寄存模块对归一化矢量进行寄存，后续每一条传感数据都经过延时对齐后，在矢量旋转模块中以参考矢量为标准进行旋转，旋转后的多路数据在矢量融合模块中进行融合，融合数据在相位解调模块里计算出实时相位。

2.如权利要求1所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，所述多路径包括不具有相关性或相关性低的独立传感信息。

3.如权利要求1所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，通过获取相位敏感光时域反射仪输出的多路信息，得到多路实信号，通过对多路实信号进行希尔伯特变换，得到信号的虚部，进而将信号转换成矢量形式，基于此，可以将多路信号以矢量形式进行计算；通过将矢量信号旋转并融合的方法，将单根路径上的相干衰落进行抑制，且通过信号叠加提升系统信噪比，并通过流水线方法，实现融合和解调的实时性。

4.如权利要求1所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，参考矢量归一化模块对传感数据进行矢量归一化，具体包括所述参考矢量归一化模块利用坐标旋转数字计算方法对传感数据矢量求模长，并对原始矢量求共轭，之后共轭除模长进行归一化。

5.如权利要求1所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，所述参考矢量寄存模块，在收到开始或刷新指令后，对此后参考矢量归一化模块计算出的第一条完整的归一化矢量进行寄存，并在此后每个传感周期进行输出。

6.如权利要求5所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，在矢量旋转模块中以参考矢量为标准进行旋转，具体包括，所述矢量旋转模块以寄存的归一化矢量为参考，对延时对齐后的每一条完整的原始数据进行旋转。

7.如权利要求6所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，所述矢量融合模块对各通道经过矢量旋转模块旋转后的矢量进行矢量相加。

8.如权利要求1所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，所述相位解调模块包括相位计算和相位差分，具体的，利用相位计算和相位差分对融合后信号进行相位解调。

9.如权利要求8所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，其中，相位计算利用反正切函数计算出矢量相位，相位差分对相位数据进行延时寄存，并利用延时数据与原始数据进行差分计算，并根据前后差分数据差值进行相位修正。

10.如权利要求1所述的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，其特征在于，参考矢量归一化模块、参考矢量寄存模块、矢量旋转模块、矢量融合模块和相位解调模块通过fpga与主机的交互，来实现本地fpga与主机的交互。

技术总结
本发明公开了一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，包括参考矢量归一化模块、参考矢量寄存模块、矢量旋转模块、矢量融合模块和相位解调模块，其中，前级光纤传感数据经过希尔伯特变换转换为矢量形式，参考矢量归一化模块对传感数据进行矢量归一化，然后参考矢量寄存模块对归一化矢量进行寄存，后续每一条传感数据都经过延时对齐后，在矢量旋转模块中以参考矢量为标准进行旋转，旋转后的多路数据在矢量融合模块中进行融合，融合数据在相位解调模块里计算出实时相位。本发明的一种多路径相位敏感光时域反射仪数据融合与解调方法，实现简单、实时抑制相位衰落，利用多路径信息的实时融合，对相干衰落进行抑制。

技术研发人员：陈健,周力,张倩武,宋英雄,张俊杰,李迎春
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16