《表1φ-OTDR相位解调方法的研究进展》

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在对φ-OTDR的前期研究中，人们更多地侧重于传感信号强度的解调、传感距离的提升和信噪比的提高等方面的内容，很少关注传感信号的相位信息，从而无法对扰动信号进行定量测量。直到2011年，PAN等人利用相干探测系统通过对相干信号进行数字域傅里叶积分的方法，实现了对200Hz振动信号的幅度和相位信息的同时解调，并验证了相位解调相较于传统的幅度解调的优越性[13]。2012年，LIANG等人针对激光器的相位噪声和探测器的加性噪声引起的相位波动问题，提出了一种基于数字相干检测和维纳滤波技术的φ-OTDR传感系统，提高了相位解调的精度[14]。随后在2013年，MASOUDI课题组通过基于3×3耦合器的马赫-曾德尔（Mach-Zehnder interferometer，MZI）干涉结构和微分积分交叉相乘解调法实现了50Hz~500Hz范围内的振动信号的定量测量[15]。2014年，ALEKSEEV等人简化了系统，提出利用相位调制双脉冲的方法来代替3×3耦合器进行相位解调，使系统的信噪比和测量稳定性得到了进一步提高[16]。随后在2015年，WANG等人将3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪（Michelson interferometer，MI）型结构和极弱反射率光纤布喇格光栅（ultra-weak fiber Bragg gratings，UW-FBG）引入到φ-OTDR系统中，在声学振动和水下振动方面取得了突破[17-18]。2015年，LI课题组和WANG课题组相继提出了一种基于相位生成载波（phase generated carrier，PGC）调制技术的-OTDR传感系统，为相位解调领域带来了新思路[19-20]。2016年，RAO课题组提出了一种基于90°光学混频器的正交（in-phase/quadrature，IQ）解调方案，降低了数据处理的计算量并且提高了系统的稳定性和灵敏度[21]；同年，MARTINS在IQ探测模型的基础上对探测光进行相移键控（phase shift keying，PSK）编码，在500m的传感光纤上实现了2.5cm的空间分辨率和500Hz应变信号的测量[22]。近几年，随着人们对φ-OTDR传感技术相位解调领域的关注和研究，相继出现了许多新方法，如HE课题组将时间选通数字光频域反射计（time gated digital optical frequency-domain reflectometer，TGD-OFDR）与φ-OTDR系统相结合并利用Hilbert变换来对相位进行解调，将传感距离和空间分辨率分别提高到40km和3.5m[23]；YANG等人通过加入辅助弱反射点减小了系统的相位噪声，同时利用基于相位信号统计分析的振动定位方法消除了信号衰落噪声进一步提高了系统的传感性能[24]；ZHANG课题组针对解调过程中的相位卷绕问题提出一种利用统计计算的方法来进行信号解调，提高了系统对动态应变的响应范围[25]；ZHU等人提出使用激光扫频和相位解卷绕结合的方法来进行相位解调，利用UWFBG来改善散射光信号强度弱、不稳定的问题，实现了应变扰动信息的高精度测量[26]。国内外针对φ-OTDR相位解调方法的研究进展见表1。