一种基于频漂动态补偿的φ-otdr增敏方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤技术领域，特别是一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法及 装直。
【背景技术】
[0002] 加强国境防范、提高能源安全、改善社会治安等是社会稳定、经济快速发展的基本 要求。军事国防、大型工矿、民用安防等多个领域的一些重要基地设施的周界安全监测，是 避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。随着社会的不断发展，人们的安防 意识不断提高，各种安全监测技术也在不断发展。基于光时域反射计OTDR的光纤入侵传感 器系统，具有分布式、高灵敏度、监测范围广、可隐蔽、不受地形地貌限制等优势，在周界安 防入侵监测方面极具潜力，已成为人们的研究热点。
[0003] 相敏光时域反射仪（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry， Φ-OTDR)是在原有OTDR分布式传感器基础上发展起来的，是一种典型全分布式光纤传感 技术，灵敏度高，全程无源，可连续感知传输路径上应变、振动等动态参数的空间分布和时 间变化信息。
[0004] Φ-OTDR与传统型OTDR最大的不同就是采用了相干光源，并且要求光源具有窄线 宽和低频率漂移特性。根据传感光纤被扰动时，后向瑞利散射光的相位会变化，经过光纤传 输，到达光电检测器的干涉强度发生变化从而进行检测，由于检测信息是调制在光的相位 上，系统的灵敏度相较于传统方式有了较大提高。
[0005] 常见的商用光源总是存在比较明显的频率漂移现象，即使是具有高相干度的窄线 宽光源。因此对光源频漂进行有效补偿就成为了提高Φ-OTDR系统对低频扰动灵敏度的关 键。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于频漂动态补 偿的Φ-OTDR增敏方法及装置，该方法在现有Φ-OTDR传感系统基础上，动态补偿光源的频 率漂移所带来的瑞利背向散射光干涉特性畸变，以提升Φ-OTDR对低频微扰的检测能力。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 根据本发明提出的一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一、采用光源输出连续光，将连续光分成两路：探测光和本振光；
[0010] 步骤二、调制探测光，得到脉冲光后输入到传感光纤，获得背向瑞利散射光信号；
[0011] 步骤三、将本振光与所述背向瑞利散射光信号耦合后，经光电转换得到电信 号，该电信号经处理后得到光源的初始光频率f〇下的Φ-OTDR曲线，将其作为参考曲线 W rafQ-I),初始化迭代次数i = 1 ;
[0012] 步骤四、调谐光源的频率，对光源的频率进行线性的扫描，同时将连续光调制成 Φ-OTDR探测脉冲，获取一组光频连续变化的Φ-OTDR探测脉冲序列；
[0013] 步骤五、采用步骤四中获得的探测脉冲序列分别进行Φ-OTDR测量，得到一组 Φ-OTDR曲线A i,并存储；其中，
[0014] Ai= [Wf_NM⑴，Wf-(N-lUf(t)，…W f+(N-lUf(t)，W離f ⑴];
[0015] 其中，Wf_NAf(t)为由光频率为f-NAf探测脉冲获得的Φ-OTDR曲线，N为脉冲的 数量，t为第i次扫描的初始时间，f为第i-Ι次补偿后的光源频率，Af为探测脉冲序列的 光频扫描步进；
[0016] 步骤六、计算WMf(i-l)与A#的所有Φ-OTDR曲线之间的互相关值，获得2N+1个 互相关值并将该互相关值按顺序存入数组氏中，其中：
[0017] Ri= [Cov[ff ref(i-l) , fff_NAf (t) ], Cov [Wref (i-1) , W f- (N-I) Δ f ⑴]，… Cov [Wref (i-l),fff+NAf(t)]]
[0018] 其中，Cov[i]为相关运算；
[0019] 搜索数组Ri中的最大值，确定其在数组中的索引值，据此计算出光源频率漂移的 大小Λ V和方向，并将最大值对应的Φ-OTDR曲线作为新的参考曲线Wref⑴；
[0020] 步骤七、根据步骤六中求得的光源频率漂移的大小△ V和方向，调谐光源的输出 光频率，补偿其频率漂移，使其重新回到光源的初始光频率fo;
[0021] 步骤八、令i = i+Ι，跳转至步骤四。
[0022] 作为本发明所述的一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法进一步优化方案， 所述步骤四中对光源的频率进行线性的扫描是采用半导体光源自身的内调制方法或者铌 酸锂IQ调制器的外调制方法，或者声光调制器直接产生光学频率梳，在数据处理过程中分 别处理各个光频点上的信号的方法。
[0023] 作为本发明所述的一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法进一步优化方案， 所述N决定频漂补偿范围，Af决定补偿精度。
[0024] 作为本发明所述的一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法进一步优化方案， 所述 N = 20, Af = 200kHz。
[0025] 基于上述的一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法的装置，包括窄线宽光 源、第一光纤耦合器、相位调制器、掺铒光纤放大器、声光调制器、光纤环形器、任意波形发 生器、FPGA脉冲生成器、第二光纤耦合器、平衡探测器、数据采集模块、数据处理模块和传感 光纤；其中：
[0026] 窄线宽光源发出的光经第一光纤耦合器分成两路：一路为信号光，另一路为本地 参考光；所述信号光经受任意波形发生器控制的相位调制器调制后产生多个边带光信号， 该光信号经掺铒光纤放大器放大后输出至由FPGA脉冲生成器驱动的声光调制器，经调制 成脉冲光注入光纤环形器的第一端口，脉冲光由光纤环形器的第二端口入射至传感光纤 中，脉冲光在传感光纤中产生背向散射信号返回到光纤环形器的第二端口，并由光纤环形 器第三端口输出至第二光纤耦合器；所述本地参考光输入至第二光纤耦合器与背向散射信 号耦合后经平衡探测器转换成电信号，该电信号经数字采集模块转换成数字信号后输出至 数据处理模块，对采集到的Φ-OTDR曲线进行处理，得到光源频率漂移，根据获取的光源频 率漂移，控制任意波形发生器的控制信号和声光调制器的脉冲调制信号，实现动态补偿光 源频率漂移。
[0027] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0028] (1)本发明采用对各频率点下得相干起伏模式进行相关计算，确定频漂大小和方 向，据此反馈相位调制器的驱动，对光源频漂进行补偿；
[0029] (2)本发明的方案降低了 Φ-OTDR传感系统对于光源稳定性的需求，极大提高系 统捕获低频扰动的能力。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明方法的流程示意图。
[0031] 图2是一组光频连续变化的Φ-OTDR探测脉冲序列及Φ-OTDR曲线示意图。
[0032] 图3是光源频漂值大小和方向的计算方法示意图。
[0033] 图4是本发明装置的结构示意图。
[0034] 图5是100次主动扫频过程中计算所得互相关度峰漂移情况示意图。
[0035] 图6a是补偿前的Φ-OTDR曲线图。
[0036] 图6b是补偿后的Φ-OTDR曲线图。
[0037] 图中的附图标记解释为：1-窄线宽光源，2-第一光纤耦合器，3-相位调制器，4-掺 铒光纤放大器，5-声光调制器，6-光纤环形器，7-任意波形发生器，8-FPGA脉冲生成器， 9-第二光纤耦合器，10-平衡探测器，11-数据采集模块，12-数据处理模块，13-传感光纤。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0039] 如图1所示是本发明方法的流程示意图，一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏 方法，包括以下步骤：
[0040] 步骤一、采用光源输出连续光，将连续光分成两路：探测光和本振光；
[0041] 步骤二、调制探测光，得到脉冲光后输入到传感光纤，获得背向瑞利散射光信号；
[0042] 步骤三、将本振光与所述背向瑞利散射光信号耦合后，经光电转换得到电信 号，该电信号经处理后得到光源的初始光频率f〇下的Φ-OTDR曲线，将其作为参考曲线 WrafQ-I),初始化迭代次数i = 1 ;
[0043] 步骤四、调谐光源的频率，对光源的频率进行线性的扫描，同时将连续光调制成 Φ-OTDR探测脉冲，获取一组光频连续变化的Φ-OTDR探测脉冲序列；
[0044