一种光纤分布式传感探测方法及装置与流程

本发明涉及光纤分布式传感技术领域，尤其涉及一种光纤分布式传感探测方法及装置。

背景技术：

相位敏感光时域反射仪技术(φ-otdr)是应用广泛的光纤分布式振动和声音探测技术，在周界安防，地震波检测，油汽勘探、以及管道和铁路等大型结构安全监测等领域具有重大应用价值，逐渐成为国内外研究热点。φ-otdr技术通过获取脉冲光在传感光纤中各处产生的后向瑞利散射光(简称为瑞利光)的相位信息实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于光纤某一位置，将引起该位置光纤拉伸和折射率变化，导致经过此处的瑞利光发生相位变化。通过检测瑞利光由振动或声因诱导的相位变化可以同时获得外界振动或声音的频率、幅度和相位的完整信息。

为了获取瑞利光的相位变化，研究者们发展了基于瑞利散射信号延时自干涉的φ-otdr系统[gaoshengfang等人，phase-sensitiveopticaltimedomainreflectometerbasedonphase-generatedcarrieralgorithm，journaloflightwavetechnology，2015年]。该系统将光纤中返回的瑞利光注入michelson干涉仪(mi)或mach-zender干涉仪(m-zi)中。在干涉仪中，瑞利光被分成功率相等的两束，分别经历干涉仪长臂和短臂。由于干涉仪臂差，在干涉仪出射端同时存在瑞利光信号和延时的瑞利光信号。通过此方式，光纤某一位置z0的瑞利光e(z0)将与来自相隔距离l处光纤的瑞利光e(z0+l)发生干涉，l由干涉仪臂差决定，干涉信号的时变相位包含了光纤位置z0与z0+l之间光纤所感应的振动或声音信息。通过相位产生载波(pgc)或3×3等相位解调技术，可从干涉信号中获得相位信息φ-otdr系统的最小可测信号(检测灵敏度)受限于检测的相位噪声，相位噪声受干涉信号可见度影响。

由于单模光纤中存在随机低双折射，瑞利光在单模光纤中传输时偏振态发生随机变化，导致光纤中瑞利光e(z0)与e(z0+l)的相对偏振态随光纤位置z0发生变化。当e(z0)与e(z0+l)偏振正交，干涉信号可见度为0，检测的相位噪声最大；当e(z0)与e(z0+l)同偏振态，干涉信号可见度最大，此时相位噪声最小。e(z0)与e(z0+l)相对偏振态的位置相关性使检测的相位噪声随光纤位置发生变化，导致基于φ-otdr的分布式振动和声音探测的噪声涨落。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种消除基于延时自干涉φ-otdr技术的光纤分布式传感系统振动和声音探测的偏振相关性，抑制由偏振失配导致的探测噪声涨落，可优化探测噪声水平，提高探测灵敏度，消除因高相位噪声导致的探测盲区的光纤分布式传感探测方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种光纤分布式传感探测方法，包括：

s1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得所述传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；

s2.将所述偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；

s3.从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。

进一步地，所述双光脉冲由脉冲光通过具有预设臂差的非平衡干涉仪，并通过周期性的偏振调制而生成。

进一步地，所述双光脉冲具有四组偏振组合状态，包括xx、xy、yy、yx，其中x和y表示两个正交光偏振状态。

进一步地，所述步骤s3的具体步骤具体包括：以所述复数的实部和虚部为基础，通过微分交叉相乘或反正切算法提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的振动信号和/或声信号的频率信息、幅度信息和相位信息。

一种光纤分布式传感探测装置，包括：双光脉冲生成组件，光脉冲注入及接收装置、光电探测器、数据采集处理装置和信号发生装置；

所述双光脉冲生成组件用于生成具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲；

所述光脉冲注入及接收装置用于将所述双光脉冲注入传感光纤，并接收所述传感光纤中所产生的瑞利光；

所述光电探测器用于获取所述瑞利的光强信号；

所述数据采集处理装置用于采集所述光强信号，并进行分析计算得到所述瑞利光的相位信息；

所述信号发生装置用于为所述双光脉冲生成组件和数据采集处理装置提供控制脉冲信号及时钟同步信号。

进一步地，所述双光脉冲生成组件包括依次连接的激光器、光强调制器、非平衡干涉仪和偏振切换器；

所述激光器用于产生高相干激光；

所述光强调制器用于根据所述信号发生装置的控制脉冲对所述高相干激光进行强度调制，产生周期性重复脉冲光；

所述非平衡干涉仪用于根据所述信号发生装置的控制脉冲生成具有延时双光脉冲；

所述偏振切换器用于根据所述信号发生装置的控制脉冲对所述双光脉冲的偏振状态进行调制，得到具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲。

进一步地，所述数据采集处理装置包括数据采集器和信号处理机；

所述数据采集器用于根据所述信号发生装置的控制脉冲对所述光强信号进行采集，并提供给信号处理机；

所述信号处理机用于将所述光强信号复数化，生成响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数，并从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。

进一步地，所述信号发生装置提供给所述光强调制器、非平衡干涉仪、偏振切换器和数据采集器的控制脉冲时钟同步。

进一步地，所述光脉冲注入及接收装置为环形注入器。

进一步地，在所述双光脉冲生成组件与光脉冲注入及接收装置之间，以及光脉冲注入及接收装置与光电探测器之间还设置有光信号放大滤波器，用于放大光路中光的功率，并滤除放大功率时产生的噪声。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用正交偏振切换技术，消除基于延时自干涉φ-otdr技术的光纤分布式振动和声音探测的偏振相关性，抑制由瑞利光与延时瑞利光偏振失配导致的探测噪声涨落，优化探测噪声水平，提高探测灵敏度，消除因高相位噪声导致的探测盲区。

附图说明

图1为本发明具体实施例流程示意图。

图2为本发明具体实施例结构示意图。

图3为本发明具体实施例光强调制器的输出光脉冲，偏振切换器的输出光脉冲，以及施加在偏振切换器上的调制方波电压信号的时序图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的光纤分布式传感探测方法，包括：s1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；s2.将偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；s3.从复数中计算提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。

在本实施例中，双光脉冲由脉冲光通过具有预设臂差的非平衡干涉仪，并通过周期性的偏振调制而生成。该预设臂差记为l干涉仪，由于非平衡干涉仪具有臂差，因此，所产生的双光脉冲存在时延。在本实施例中，双光脉冲通过周期性的偏振调制，具有四组偏振组合状态，包括xx、xy、yy、yx，其中x和y表示两个正交光偏振状态。

在本实施例中，将四组偏振组合的双光脉冲分别注入传感光纤，从而获得传感光纤中各个位置瑞利光与相隔为l通道位置瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强，传感光纤中每一个位置与相隔l通道位置间的光纤构成一个传感通道。如果非平衡干涉仪为mach-zender干涉仪，则l通道＝0.5l干涉仪；如果非平衡干涉仪为michelson干涉仪，则l通道＝l干涉仪。由于一个传感通道对应四路偏振通道，因此，对每一路偏振通道的干涉信号的采样率应为光脉冲调制频率的1/4。

在本实施例中，干涉光强可表示为如式(1)所示，

式(1)中，mn＝xx、xy、yy、yx表示双脉冲光不同的偏振组合，imn表示偏振态为m和n的双脉冲光所产生的瑞利光之间干涉信号的光强，i1为偏振态为m的脉冲光所产生的瑞利光的光强，i2为偏振态为n的脉冲光所产生的瑞利光的光强，r表示瑞利散射的振幅反射率，φs为待检测的瑞利光的相位信息，kmn为与光纤双折射有关的系数，满足0≤kmn≤1，φmn为与光纤双折射相关的相位，kmn和φmn均与脉冲光偏振态有关，φ0为非平衡干涉仪长臂上引入的正弦相位调制，用以产生pgc相位解调技术所需的相位调制。

在本实施例中，将各偏振通道对应的干涉光强复数化，并利用四组偏振通道复数化的干涉信号构成传感通道响应矩阵，如式(2)所示，

式(1)中，xx、xy、yy、yx表示双脉冲光不同的偏振组合，r为响应矩阵，i1为偏振态为m的脉冲光所产生的瑞利光的光强，i2为偏振态为n的脉冲光所产生的瑞利光的光强，i为复数中的虚数单位，r表示瑞利散射的振幅反射率，φs为待检测的瑞利光的相位信息，kmn(mn＝xx、xy、yy、yx)为与光纤双折射有关的系数，满足0≤kmn≤1，φmn(mn＝xx、xy、yy、yx)为与光纤双折射相关的相位，kmn(mn＝xx、xy、yy、yx)和φmn(mn＝xx、xy、yy、yx)均与脉冲光偏振态有关。计算响应矩阵r行列式，根据响应矩阵r的酉矩阵特性，从其平方根中获得与偏振无关的复数，其实部和虚部分别表示为：和其中，各参数的定义与式(2)中相同。

在本实施例中，步骤s3的具体步骤具体包括：以复数的实部和虚部为基础，通过微分交叉相乘或反正切算法提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的振动信号和/或声信号的频率信息、幅度信息和相位信息。

如图2所示，本实施例的光纤分布式传感探测装置，包括：双光脉冲生成组件，光脉冲注入及接收装置、光电探测器、数据采集处理装置和信号发生装置；双光脉冲生成组件用于生成具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲；光脉冲注入及接收装置用于将双光脉冲注入传感光纤，并接收传感光纤中所产生的瑞利光；光电探测器用于获取瑞利的光强信号；数据采集处理装置用于采集光强信号，并进行分析计算得到瑞利光的相位信息；信号发生装置用于为双光脉冲生成组件和数据采集处理装置提供控制脉冲信号及时钟同步信号。

在本实施例中，双光脉冲生成组件包括依次连接的激光器、光强调制器(aom)、非平衡干涉仪和偏振切换器；激光器用于产生高相干激光；光强调制器用于根据信号发生装置的控制脉冲(为电压脉冲信号)对高相干激光进行强度调制，产生周期性重复脉冲光；非平衡干涉仪用于根据信号发生装置的控制脉冲(为正弦电压信号)生成具有延时双光脉冲；偏振切换器用于根据信号发生装置的控制脉冲(为方波信号)对双光脉冲的偏振状态进行调制，得到具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲。

在本实施例中，非平衡干涉仪为压电陶瓷环干涉仪，其包括两个光纤耦合器、两路延迟光纤及压电陶瓷环；两路延迟光纤长度不等，具有预设臂差，记为l干涉仪。第一个光纤耦合器用于将所述脉冲光等功率地分成两束光，分别注入两路延迟光纤；压电陶瓷环缠绕在延迟光纤中的一路，根据信号发生器发出的控制脉冲对经过缠绕延迟光纤的脉冲光进行正弦相位调制；第二个光纤耦合器用于将所述两路延迟光纤输出的延迟光脉冲对合束并注入至偏振切换器。

在本实施例中，激光器为窄线宽激光器，偏振切换器为铌酸锂偏振切换器，要求入射光与主轴方向成45°角入射，因此偏振切换器的输入光必须为线偏振光，因此，本实施例中，激光器、光强调制器、非平衡干涉仪中的光纤耦合器、延迟光纤均采用保偏结构。

在本实施例中，数据采集处理装置包括数据采集器和信号处理机；数据采集器用于根据信号发生装置的控制脉冲对光强信号进行采集，并提供给信号处理机；信号处理机用于将光强信号复数化，生成响应矩阵，根据响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数，并从复数中计算提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。

在本实施例中，信号发生装置提供给光强调制器、非平衡干涉仪、偏振切换器和数据采集器的控制脉冲时钟同步。光脉冲注入及接收装置为环形注入器。在双光脉冲生成组件与光脉冲注入及接收装置之间，以及光脉冲注入及接收装置与光电探测器之间还设置有光信号放大滤波器，用于放大光路中光的功率，并滤除放大功率时产生的噪声。

如图3所示，通过在偏振切换器上施加方波信号实现对非平衡干涉仪输出的双光脉冲的偏振态正交切换，方波信号的高低电平分别为v1和v2，分别对应偏振切换器的两个正交的偏振态输出。偏振切换器的切换频率fps与光强调制器调制频率faom满足关系fps＝faom/4。根据采样定理，压电陶瓷环产生的用于pgc相位解调的正弦相位调制的调制频率不大于偏振切换频率的1/8。

在本实施例中，偏振切换器输出的双脉冲的偏振态经过正交切换，获得四组偏振态组合如式(3)所示，

式(3)中，e为入射传感光纤的光脉冲的琼斯矩阵，下标1,2分别表示注入传感光纤的双脉冲中第一个和第二个光脉冲，下标x，y表示正交的两个偏振态，e10和e20分别表示第一个和第二个入射光脉冲的幅度，运算符号t表示矩阵转置，φ0＝ccos(ω0t)为非平衡干涉仪长臂引入的正弦相位调制，用以产生pgc相位解调技术所需的相位调制，c为相位调制深度，ω0＝2πf0，f0为相位调制频率。

在本实施例中，由偏振切换器输出的四组偏振态组合的双光脉冲分别问询传感通道，得到该传感通道对应的四路偏振通道的干涉光强，干涉光强可表示为如式(4)所示，

式(4)中，mn＝xx、xy、yy、yx表示双脉冲光不同的偏振组合，imn表示偏振态为m和n的双脉冲光所产生的瑞利光之间干涉信号的光强，i1为偏振态为m的脉冲光所产生的瑞利光的光强，i2为偏振态为n的脉冲光所产生的瑞利光的光强，r表示瑞利散射的振幅反射率，φs为待检测的瑞利光的相位信息，kmn为与光纤双折射有关的系数，满足0≤kmn≤1，φmn为与光纤双折射相关的相位，kmn和φmn均与脉冲光偏振态有关，φ0为非平衡干涉仪长臂上引入的正弦相位调制，用以产生pgc相位解调技术所需的相位调制。

将式(4)中各偏振通道对应的干涉光强按bessel级数展开，得到式(5)，

式(5)中，j为贝塞尔函数，q为正整数，ω0＝2πf0为相位调制角频率，t为时间，c为相位调制深度，其余参数的定义与式(4)相同。

将式(5)分别与φ0＝ccos(ω0t)和cos(2ω0t)相乘，滤除频率为ω0的载波及其高阶载波频率成分，分别得到式(6)和式(7)，

式(6)和式(7)中，c为相位调制深度，各参数的定义与式(5)相同。

通过式(6)和式(7)构造复数如式(8)所示，

式(8)中，i为复数中的虚数单位，各参数的定义与式(5)相同。

在本实施例中，四路偏振通道干涉光强的复数域结果rmn中包含系统响应矩阵的四个元素，构造响应矩阵r，如式(9)所示，

式(9)中，xx、xy、yy、yx表示双脉冲光不同的偏振组合，r为响应矩阵，i1为偏振态为m的脉冲光所产生的瑞利光的光强，i2为偏振态为n的脉冲光所产生的瑞利光的光强，r表示瑞利散射的振幅反射率，φs为待检测的瑞利光的相位信息，kmn(mn＝xx、xy、yy、yx)为与光纤双折射有关的系数，满足0≤kmn≤1，φmn(mn＝xx、xy、yy、yx)为与光纤双折射相关的相位，kmn(mn＝xx、xy、yy、yx)和φmn(mn＝xx、xy、yy、yx)均与脉冲光偏振态有关。

在本实施例中，由于响应矩阵r的酉矩阵特性，其行列式平方根为计算响应矩阵r行列式，其行列式平方根如式(10)所示，

式(10)中，det为矩阵行列式运算符，其余各参数的定义与式(9)相同。从其平方根中获得与偏振无关的复数，即式(10)所包含的两个正交项，即实部和虚部分别为和其中参数的定义与式(10)相同。通过微分交叉相乘或反正切算法，利用上两式可以获得相位信息φs。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。