基于斯托克斯域解调的偏振分集相干φ-OTDR分布式声学传感方法

《Scientific Reports》：Computationally efficient stokes-domain phase demodulation for polarization-diversity coherent \(\phi\) -OTDR with apache flink stream processing

　　

摘要

基于相位敏感光时域反射技术（\(\phi\)-OTDR）的分布式声学传感（DAS）实现了长光纤上的分布式振动检测。我们探讨了一种用于偏振分集相干 \(\phi\)-OTDR 的计算高效斯托克斯域解调方法。斯托克斯表示提供了偏振相位、取向和椭圆率的访问途径，这些量取决于斯托克斯参数的不同组合，因此在偏振变化下表现出不同的稳定性。使用偏振度（DOP）和庞加莱球表示进一步表征了偏振态（SOP）的演化，使得在受振动影响、静默光纤和噪声底条件下可视化偏振行为成为可能。由两个斯托克斯参数的比率导出的偏振相位被证明等同于正交偏振分量之间的差相位，同时仅需单次斯托克斯域相位计算，从而降低了计算复杂度。该方法在 10.15 公里长的光纤上进行了实验评估，使用重复周期为 120 \(\mu \text {s}\) 的 100 纳秒脉冲，提供了约 10 米的空间分辨率和 4.17 kHz 的奈奎斯特限制最大可检测振动频率。实验研究的 400 Hz 到 3 kHz 的振动分别产生了 29.50 dB 和 23.98 dB 的谱信噪比，而 2 kHz 的振动被定位在 10.11 公里处附近，峰值信噪比为 27.14 dB。一个概念验证的 Apache Flink 实现证明了在相同的本地执行环境下，斯托克斯域相位提取相对于差相位处理具有更短的处理时间。三个由斯托克斯导出的角度观测量在偏振不平衡下表现出不同的稳定性，而当总背散信号接近接收器噪声水平时，深度瑞利干涉衰落可能会使它们全部退化。