一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法与流程

本发明属于光纤传感装置领域，尤其涉及一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光纤分布式温度测量系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域反射技术对测量点进行定位。由于系统具有本征安全性、抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、能快速多点测量并定位等优点，应用领域十分广泛。目前已用于石油工程、电站、矿井、隧道和大坝等领域的温度监测。

在光纤分布式温度测量系统中，激光器输出脉冲光，由光纤始端注入，脉冲光大部分能量传输到光纤末端而消失，小部分后向散射光波会沿着光纤反射回来。根据拉曼散射光谱的温度效应和光时域反射技术，返回到入射端的光功率同时为光纤位置和环境温度的函数。利用这一原理，可对整条光纤链路进行温度测量，同时对测量点进行准确的定位。

由于拉曼散射信号十分微弱，完全被淹没在噪声中，光纤分布式温度测量系统需要采用弱信号检测技术，从噪声中提取待测信号。由于光纤分布式温度测量系统中噪声的主要成分具有零均值的统计特性，可以利用噪声的统计特性来达到降噪的目的。因此，为提高信噪比，信号处理部分采用采样累积求均值的方法进行降噪，即将一次测量的n点数据依次存储到内存单元中，将下一次测量的n点数据与内存对应单元的数据相加，再放回原内存单元，依次循环m次，然后对各单元求平均。

基于拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤传感技术，通常需要利用多次累加平均抑制噪声，以及频率扫描(布里渊散射)得到频域信息，测量时间较长，仅适合温度等慢变物理量的测量。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，相比于拉曼散射和布里渊散射，需要的累加平均次数较少，更适合应力、振动等动态物理量的测量。特别是相位敏感光时域反射技术的瑞利散射布式光纤传感器，可以实现分辨率高达数米的几千公里的传感光纤沿线温度、应力、振动等物理量的高精度测量。然而，瑞利散射光强与环境温度、应力等物理量之间并不存在线性关系，理论上无法通过探测传感光纤瑞利散射强度获得温度、应力、振动等物理量的测量值。发明人发现，虽然在技术中，可以通过探测传感光纤瑞利散射相位分布得到物理量的测量值，不但需要额外的数字正交解调、相位解缠绕计算等步骤，增加了系统的复杂度，而且需要多个脉冲周期的相关计算，延长了测量时间，限制了振动信号的可测频率范围。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种线性调频的分布式光纤传感装置，其基于瑞利散射的相位敏感光时域反射方式，使用线性调频脉冲光，在单次采集中获得传感光纤沿线的物理量测量值，能够极大缩短测量时间。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线性调频的分布式光纤传感装置，包括：

激光器，其用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；

半导体光放大器，其用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；其中，斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；

环形器，其第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管后转换为电压信号；

处理器，其用于根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种线性调频的分布式光纤传感装置的工作方法，其基于瑞利散射的相位敏感光时域反射方式，使用线性调频脉冲光，在单次采集中获得传感光纤沿线的物理量测量值，能够极大缩短测量时间。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线性调频的分布式光纤传感装置的工作方法，包括：

激光器和半导体光放大器分别对应接收周期及重复频率均一致的斜波信号和脉冲波信号；

在斜波信号有效区间内激光器发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内激光器发射中心频率的连续光；

在脉冲波的驱动下，半导体光放大器将激光器输出的连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；

环形器的第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管并转换为电压信号；

处理器根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。

本发明的有益效果是：

本发明使用线性调频的脉冲光进入传感光纤，将沿光纤的温度、应力、振动等物理量变化，转化为瑞利散射回波信号波形沿时间轴的偏移。然后利用相邻两个脉冲周期的瑞利散射回波进行互相关计算，根据回波波形沿时间轴的偏移，反推得到传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量的测量值。

与传统的传感器相比，本发明的装置复杂度和成本无明显增加，不但保留了技术的固有优势：可以获得几十公里长传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量测量值，空间分辨率高达数米，灵敏度优于普通传感技术；而且每一个脉冲周期即可获得传感光纤沿线的物理量测量值，极大缩短了测量时间。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的一种线性调频的分布式光纤传感装置结构示意图；

图2(a)是本发明实施例的斜波脉冲信号传播图；

图2(b)是本发明实施例的矩形波脉冲信号传播图；

图2(c)是本发明实施例的激光器发射的连续光波的电场波形图；

图2(d)是本发明实施例的半导体光放大器输出的脉冲光波的电场波形图；

图3是本发明实施例的一种脉冲光沿传感光纤传播示意图；

图4是本发明实施例的另一种脉冲光沿传感光纤传播示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本实施例针对分布式光纤传感技术，特别是基于瑞利散射的技术，使用线性调频脉冲光，在单次采集中得到传感光纤温度、应力、振动等物理量的分布式测量结果。与传统的传感器相比，本发明的装置复杂度和成本无明显增加，不但保留了技术的固有优势：可以获得几十公里长传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量测量值，空间分辨率高达数米，灵敏度优于普通传感技术；而且每一个脉冲周期即可获得传感光纤沿线的物理量测量值，极大缩短了测量时间。

本实施例的线性调频的分布式光纤传感装置的结构，参照图1，包括激光器、光隔离器、信号发生器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、雪崩光电二极管、数据采集卡和处理器。

信号发生器利用双通道直接数字频率合成器(dds)设计实现，输出斜波和脉冲波两路模拟信号，且两路信号共用一个高稳定性时钟源。斜波驱动激光器，脉冲波驱动半导体光放大器。两路信号的重复频率一致，且斜波在脉冲波的上升沿具有最低值vmin＝-5v，在脉冲波的下降沿具有最高值vmax＝5v，在脉冲波高电平的中心时刻，以及脉冲波的低电平时刻，具有中间值0v，斜波和矩形波波形图分别如图2(a)和图2(b)所示。

具体地，激光器采用美国rio公司的外腔技术窄线宽激光器，在斜波信号的激励下，发射线性调频的窄线宽连续光，光波的中心频率为v0＝193.5thz，频率变化范围是从变到其中频率带宽δv＝400mhz。并且，斜波幅度为vmin时，对应的光波频率为斜波幅度为vmax时，对应的光波频率为斜波幅度为0v时，对应的光波频率为v0。也就是说，在斜波信号的有效区间，激光器发射线性调频的连续光；在斜波信号的无效区间，激光器发射中心频率的连续光。激光器发射光波的电场波形图如图2(c)所示。

激光器在斜波的驱动下，输出线性调频连续光，光波的电场为：

其中，e0代表幅度，v0代表信号中心频率，δv代表信号的频率变化范围，即带宽，τp代表斜波的有效时间宽度，即线性调频的时间宽度，t代表时间，t代表斜波周期，k代表包括零在内的非负整数。因此，elaser仅在每个周期的τp时间长度内输出线性调频信号，信号频率从变到其他时间输出信号频率恒定的连续信号。

激光器出射的线性调频连续光进入光隔离器。光隔离器起到隔离前级和后级光器件的作用，避免后级器件反射光损坏激光器。

激光器输出的线性调频连续光，经过光隔离器，半导体光放大器，转换为线性调频的脉冲光，脉冲光波的电场为：

其中，π()代表矩形函数，当kt≤t≤kt+τp时，取值为1，当kt+τp＜t≤(k+1)t时，取值为零。

光隔离器输出的线性调频连续光进入半导体光放大器。半导体光放大器在脉冲波的驱动下，将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波，输出的脉冲光波的电场波形图如图2(d)所示。

半导体光放大器输出的脉冲光经过掺铒光纤放大器进行功率放大，然后进入环形器1端口，再通过环形器2端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境物理量信息的后向瑞利散射光再次经过环形器2端口，并从环形器3端口出射，进入雪崩光电二极管。

半导体光放大器输出的线性调频脉冲光，经过光环形器进入长距离传感光纤。不考虑光强衰减，沿传感光纤传播的线性调频脉冲光的电场可以表示为：

其中，z表示传感光纤的沿线距离，连接光环形器的起始端记为0米，n(z)表示传感光纤距离z处的光纤折射率，c表示光速。

当脉冲光沿传感光纤传播时，每一个时刻，脉冲光的无穷小部分都会产生与传播方向相反的瑞利散射光波。在某一时刻t，光环形器会接收到不同瞬时对应的瑞利散射回波不同部分叠加产生的回波光信号。瑞利散射回波光信号的电场可以表示为：

其中，r(z)表示传感光纤沿线的瑞利散射轮廓函数，n表示传感光纤整体平均折射率。

在时刻t，瑞利散射回波光信号escatter(t)可以由线性调频脉冲光在某段传感光纤产生的后向瑞利散射光的卷积得到。假设该段光纤为z1到z3，对应位置的脉冲光的频率为v4到v1，并且取临近z1的某位置光纤，记为z2，且z2位于z1到z3之间，且z2处对应位置的脉冲光的频率记为v3，如图3为当前脉冲光沿传感光纤传播示意图。

在时刻t+δt，瑞利散射回波光信号escatter(t+δt)可以由线性调频脉冲光在某段传感光纤产生的后向瑞利散射光的卷积得到。假设该段光纤为z2到z4，对应位置的脉冲光的频率为v4到v1，并且取临近z4的某位置光纤，记为z3，且z3位于z2到z3之间，且z3处对应位置的脉冲光的频率记为v2，如图4为当前脉冲光沿传感光纤传播示意图。

如果δt取的足够小，则z1到z2的距离，以及z3到z4的距离，远小于z1到z4的距离。因此，z1到z2距离内的瑞利散射光对escatter(t)的贡献，以及z3到z4距离内的瑞利散射光对escatter(t+δt)的贡献，可以忽略不计。进一步，escatter(t)和escatter(t+δt)均可以认为由z2到z3距离内的瑞利散射光决定。但是，对于escatter(t)和escatter(t+δt)，相同距离内的传感光纤正在传播的脉冲光频率成分并不相同，分别是v1到v3，以及v2到v4，存在频率差δv。

如果z1到z2的传感光纤折射率保持不变，则escatter(t)和escatter(t+δt)并不相同，但是如果z1到z2的传感光纤折射率收到温度、应力、振动等物理量变化的影响产生改变，且物理量变化导致的折射率变化恰好补偿频率差δv，则escatter(t)和escatter(t+δt)相同。因此，观察不同脉冲周期的瑞利散射回波信号波形，如果发现波形某部分沿时间轴产生偏移，则可断定该部分对应的传感光纤处存在温度、应力、振动等物理量变化。并且由于瑞利散射回波信号波形沿时间轴的偏移，与温度、应力、振动等物理量变化存在线性关系，则根据时间偏移量，可以计算得到物理量测量值。

雪崩光电二极管将微弱的传感光纤瑞利散射回波转换为电压信号，送给数据采集卡。数据采集卡的采样速率应该大于线性调频带宽δv的2倍，将电压信号转换为数字信号送给处理器。处理器利用相邻两个周期的瑞利散射回波数据，进行互相关计算，根据回波波形沿时间轴的偏移，得到传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量的测量值。

对于传感光纤沿线的温度、应力、和非高频振动等物理量，相邻两个周期的瑞利散射回波数据必然存在相似性。如果相似性低于预设相似程度(比如相关系数阈值)，说明传感光纤沿线物理量存在瞬时突变，这种情况超出了装置的测量范围。使用互相关计算的目的是得到“回波波形沿时间轴的偏移”，然后进一步得到“传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量的测量值”。

环形器出射瑞利散射回波光信号，进入雪崩光电二极管转换为电信号，再进入数据采集卡转换为数字信号，然后送入处理器。处理器利用相邻两个周期的瑞利散射回波数据，进行互相关计算，根据回波波形沿时间轴的偏移，得到传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量的测量值。并且，为了保证δt足够小的前提条件，数据采集卡的采样率至少大于线性调频带宽δv的2倍。

本实施例的该分布式光纤传感装置由激光器、光隔离器、信号发生器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、雪崩光电二极管、数据采集卡、处理器组成。信号发生器输出两路模拟信号：斜波和脉冲波。斜波驱动激光器，产生线性调频连续光；脉冲波驱动半导体光放大器，将连续光转换为脉冲光。利用线性调频脉冲光沿传感光纤传播，将沿光纤的温度、应力、振动等物理量变化转换为射瑞利散射回波信号沿时间轴的偏移，不但保留了技术的固有优势：可以获得几十公里长传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量测量值，空间分辨率高达数米，灵敏度优于普通传感技术；而且每一个脉冲周期即可获得传感光纤沿线的物理量测量值，极大缩短了测量时间。

在时刻t，瑞利散射回波信号escatter(t)和escatter(t+δt)均可以由线性调频脉冲光在某段传感光纤产生的后向瑞利散射光的卷积得到。如果δt取的足够小，escatter(t)和escatter(t+δt)均可以认为由相同距离内的瑞利散射光决定。但是，对于escatter(t)和escatter(t+δt)，相同距离内的传感光纤正在传播的脉冲光频率成分并不相同，存在频率差δv。并且由于瑞利散射回波信号波形沿时间轴的偏移，与温度、应力、振动等物理量变化存在线性关系，则根据不同脉冲周期之间的瑞利散射回波信号波形的时间偏移量，可以计算得到温度、应力、振动等物理量测量值。

本实施例的线性调频的分布式光纤传感装置工作原理是：

激光器和半导体光放大器分别对应接收周期及重复频率均一致的斜波信号和脉冲波信号；

在斜波信号有效区间内激光器发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内激光器发射中心频率的连续光；

在脉冲波的驱动下，半导体光放大器将激光器输出的连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；

环形器的第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管并转换为电压信号；

处理器根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。

利用相邻两个脉冲周期的瑞利散射回波进行互相关计算，根据回波波形沿时间轴的偏移，反推得到传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量的测量值。每一个脉冲周期即可获得传感光纤沿线的物理量测量值，极大缩短了测量时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。