通过空间域中值统计抑制 φ-OTDR 系统中的相位误差

《Optics and Lasers in Engineering》：Suppressing phase error via spatial-domain median statistics in φ-OTDR systems

　　

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  理论上分析了 φ-OTDR 中振动相位平台区域的空间冗余度，以用于抑制衰落噪声。
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  提出了一种空间域中值统计（SDMS）算法，利用这种空间冗余度来抑制稀疏相位误差。
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  SDMS 算法获得了 99% 的无畸变相位提取概率，并使频谱信噪比（SNR）提高了多达 29.58 dB。
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  实验室测试和田间地质变形实验验证了其在分布式声学传感中的实用性。

引言

相位敏感光频域反射计（φ-OTDR）是构建分布式声学传感系统（DAS）的核心技术。通过收集瑞利后向散射（RBS）光，它可以准确地重建传感光纤沿线的完整声学信号矢量场（包括幅度、频率和相位等核心参数）[1,2]。依靠分布式全覆盖、多参数捕获和广泛应用范围等优势，DAS 已被广泛应用于周界安全、结构健康监测和水下声定位等领域[[3], [4], [5]]。

在 φ-OTDR 技术中，高保真相位提取是重建振动场的关键。然而，沿光纤随机分布的干涉衰落噪声会导致传感周期内出现大量相位误差，从而引入检测盲区。当相位提取位置恰好处于检测盲区时，系统的相位解调性能下降 [6]，限制了其在实际应用中的可靠性。为了抑制相位误差，研究人员从硬件配置优化的角度进行了大量研究，主要可分为三类。第一类是频分复用技术，利用多频率 RBS 信号的衰落位置差异来抑制噪声 [7]，如三频偏移脉冲方案 [8]、光频梳脉冲方案 [9] 和线性调频脉冲方案 [10]。第二类是脉冲相位调制技术，例如通过二元相移使干涉衰落可控 [11]。第三类利用特种光纤中多模式 RBS 的独立性来抑制衰落噪声，包括多芯光纤 [12] 和多模/少模光纤替代方案 [13,14]。然而，这些方案需要增加硬件成本和系统复杂度，限制了其工程应用。

与硬件优化方案相比，后处理算法不需要额外硬件且具有强大的可移植性，使其成为近年来的热门研究方向。它主要包含三大类：第一类在数字域构建补偿信号以减轻衰落噪声，包括数字相移变换 [15]、多频分解 [16]、最近邻分析 [17] 和实时加权信道叠加 [18]。此类方法大多依赖信号的时间连续性约束，对突变相位误差的适应性有限。第二类将解调后的相位视为二维时空图像特征以进行噪声抑制，例如 k-统计量 [19]、衰落自适应掩膜和掩膜自编码器 [20]，以及无监督学习 [21]。这些方法在复杂衰落条件下的泛化能力较弱。第三类利用深度学习模型挖掘潜在数据特征以改善相位解调，例如卷积神经网络 [22]、长短期记忆网络 [23] 和深度神经网络 [24]。然而，这些模型通常带来大量参数以及高昂的培训和计算成本。值得注意的是，现有的研究对 φ-OTDR 中解调后的振动相位表现出空间冗余度的现象关注不足，而相位误差仅作为稀疏分布的异常噪声出现。如果能充分探索和利用这种空间冗余度，以较低的计算成本准确地抑制稀疏相位误差，就可以为高保真相位提取提供一种高效且可行的解决方案。

基于此问题，本工作提出了一种空间域中值统计（SDMS）算法。利用 φ-OTDR 系统中解调后的振动相位的空间冗余度，所提出的算法通过中值统计分析有效抑制了稀疏分布的异常相位噪声，以捕获有效的相位点。在本研究中，我们首先理论上分析了 φ-OTDR 系统中由振动引起的相位响应特征，并确认了振动相位的空间冗余度。然后，我们分析了 SDMS 算法在抑制由干涉衰落噪声引入的相位误差方面的原理。在此基础上，我们使用基于 3×3 耦合器的相位解调系统实验验证了该算法的可行性和稳定性。随后，我们在地下小型沙场中模拟了四种地质变形事件，以验证其实际应用性能。最后，我们讨论了该算法的优缺点。

章节摘要

原理与方法

在 φ-OTDR 系统中，瑞利后向散射光是由传感光纤中大量随机分布的散射点返回的光场相干叠加形成的，并遵循瑞利分布。由于该分布的概率密度函数在散射信号幅度为 0 时非零（f(0)≠0），这意味着散射光幅度降至极低水平有一定的概率，

实验设置

基于 3×3 耦合器的相位解调的 φ-OTDR 系统设备如图 2 所示。该系统使用高功率窄线宽激光器作为传感光源，发射线宽为 3 kHz、中心波长为 1550.06 nm 的连续光。使用声光调制器（AOM）将连续光调制为一系列探测光脉冲。AOM 的调制参数由采集卡和声光调制器驱动器提供，具有

讨论

根据上述分析，SDMS 算法可以对 φ-OTDR 空间域中的冗余信息进行统计分析，有效抑制相位误差并提高提取精度。与频分复用、脉冲相位调制和特种光纤配置等硬件优化方案相比，SDMS 算法可以在不增加系统成本或结构复杂度的情况下抑制相位失真。

在计算方面

结论

总之，本文提出了一种用于 φ-OTDR 系统的 SDMS 算法，以实现高保真振动场重建。该算法利用了振动相位响应区域中的空间域冗余特性。通过对每个传感周期内稳态段的相位数据进行中值统计，它可以有效抑制由干涉衰落噪声引起的异常相位值。SDMS 算法的可行性、稳定性和实际性能

CRediT 作者贡献声明

Tingyu Wang: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，数据整理，概念化。 Jianzhong Zhang: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。 Zhe Ma: 写作 – 审阅与编辑。 Jinglang Xu: 资源，调查，形式分析。 Huanyu Zhou: 资源，调查。 Xinyu Zhang: 资源，调查。 Xing Pei: 调查，数据整理。 Xiong Tang:

Tingyu Wang|Jianzhong Zhang|Zhe Ma|Jinglang Xu|Huanyu Zhou|Xinyu Zhang|Xing Pei|Xiong Tang|Mingjiang Zhang