基于π/2相移变换与相关性分析的相位敏感光时域反射仪干涉衰落抑制新方法

本文创新性地提出将π/2相移变换（PST）与皮尔逊积矩相关系数（PCC）子带选择相结合，用于抑制相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）中的干涉衰落现象。通过旋转矢量合成（RVS）方法处理互补信号，配合同步级联调制（SCM）技术优化脉冲波形，实验证明该方法仅需3次PST即可使25公里光纤相位标准差降至0.0653 rad，较传统π-PST方法提升17.5%，为分布式光纤传感（DOFS）系统性能优化提供新思路。

　　

Highlight

相移变换（PST）在干涉衰落抑制中的应用

在相干探测Φ-OTDR系统中，经希尔伯特变换后的拍频信号可表示为复数形式：e(t)=h(t)p(t)，其中代表卷积运算。通过傅里叶变换，频域信号可分解为E(ω)=H(ω)P(ω)。本研究创新性地引入π/2-PST技术，在保持数字信号处理（DSP）资源消耗不变的前提下，额外获得幅值互补的信号对。

实验装置

如图2所示，实验采用线宽100 Hz的窄线宽激光器（NLL），通过声光调制器（AOM）产生80 MHz频移。特别值得注意的是，采用同步级联调制（SCM）技术生成的矩形脉冲具有更陡峭的上升/下降沿，能更有效验证所提方法。

AOM与SCM脉冲整形方案的波形特性对比

本部分重点比较了AOM和半导体光放大器（SOA）的脉冲整形效果。虽然两者均能实现脉冲整形，但SOA缺乏外差检测必需的频移功能。SCM方案产生的脉冲具有接近理想的矩形轮廓，而AOM脉冲的上升/下降沿较长，这对瑞利背向散射（RBS）信号的时域特性产生显著影响。

结论

本研究提出的π/2-PST结合PCC子带选择方案，通过理论指导的子带优选策略，仅需3次变换即可实现优于传统4次π-PST的衰落抑制效果。在25公里传感距离上实现0.0653 rad的平均相位标准差，30公里现场测试中衰落概率低至0.073%，较频谱提取重组法（SERM）降低12.6 dB。