] 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，
[0045] Ai= [Wf侧⑴，Wf-(N-lUf(t)，…W f+(N-lUf(t)，W離f ⑴];
[0046] 其中，Wf_NAf⑴为由光频率为f-ΝΛ f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；
[0047] 步骤六、计算W,ef(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：
[0048] 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)]]
[0049] 其中，Cov[i]为相关运算，Cov[Wref(i-l)，Wf_NAf(t)]表示 Φ-OTDR 曲线 Wf_NAf(t) 与参考曲线的相关运算；
[0050] 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；
[0051] 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;
[0052] 步骤八、令i = i+Ι，跳转至步骤四。
[0053] 如图2所示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，所述的步骤二中，获取光频不同的Φ-OTDR探测脉冲序列。由于可能存在的光源频率漂 移，光源原始输出光频有可能已经发生了变化，假设其为f。由于光源频率漂移的方向未知， 所以光源的频率扫描以原始输出光频f为中心，从f-Ν Λ f扫描至f+N Λ f，在此过程中，共调 制2N+1个探测脉冲。由于脉冲宽度与脉冲时间间隔相比极小，所以可以认为同一脉冲宽度 以内的光频保持不变。通过以上方法即可获取一组光频不同的Φ-OTDR探测脉冲序列，包 含脉冲数量为2N+1，频率从f-N Λ f变化至f+N Λ f，相邻脉冲之间的光频步进为Λ f。
[0054] 所述的光频扫描步进△ f决定了频率补偿的精度，NA f决定了能够补偿的最大频 漂值。所述N决定频漂补偿范围，Af决定补偿精度；若N不变时，理论上Af越小补偿精 度越高，但是实际系统中，Af越小则能够补偿的最大频漂值越小；若Af不变时，N越大则 能够最大频漂值越大，但是将导致频率扫描时间大大增加。本方案中，常用的N取值为20， Af为200kHz。所述的光源的频率扫描方法有如下数种备选方案：
[0055] 1)利用半导体光源自身的内调制的方案；
[0056] 2)利用铌酸锂（LiNbO3) IQ调制器的外调制的方案；
[0057] 3)利用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 上的信号的方案；
[0058] 所述的Φ-OTDR曲线在实际系统中利用模数转换器（ADC)获得的是一系列离散的 点，不妨假设Φ-OTDR曲线W a(t)和Wb(t)均由M个采样点组成，M为大于0的整数：Wa(tm)和 W bUni),其中m e [1，MLtni表示第m个采样点的时间，m为大于0的整数。那么两条Φ-OTDR 曲线Wa (t)和Wb (t)互相关值的计算方法定义为
【主权项】
1. 一种基于频漂动态补偿的O-OTDR增敏方法，其特征在于，包括以下步骤： 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； 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； 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〇下的〇-〇TDR曲线，将其作为参考曲线WMf(i-l)，初 始化迭代次数i = 1 ; 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 O-0TDR探测脉冲，获取一组光频连续变化的O-0TDR探测脉冲序列； 步骤五、采用步骤四中获得的探测脉冲序列分别进行O-0TDR测量，得到一组O-0TDR 曲线化，并存储；其中， Ai -[ff f-N A f(t)，Wf-(N-nAf (t)，… Wf+(N-1) Af f+NAf(t)]； 其中，Wf_NAf(t)为由光频率为f-NAf探测脉冲获得的①-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-1次补偿后的光源频率，A f为探测脉冲序列的光频 扫描步进； 步骤六、计算WMf(i-l)与Ai*的所有O-0TDR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： Ri= [Cov[ff ref (i-1) , fff_NAf (t) ] , Cov [ffref (i-1) , ff f- (N-l) A f(t)],- Cov[ffref(i-l),fff+NAf(t)]] 其中，Cov[ ?]为相关运算； 搜索数组氏中的最大值，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 A v和方向，并将最大值对应的O-0IDR曲线作为新的参考曲线WMf(i); 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; 步骤八、令i = i+1，跳转至步骤四。
2. 根据权利要求1所述的一种基于频漂动态补偿的O-0TDR增敏方法，其特征在于，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。
3. 根据权利要求1所述的一种基于频漂动态补偿的O-0TDR增敏方法，其特征在于，所 述N决定频漂补偿范围，Af?决定补偿精度。
4. 根据权利要求1所述的一种基于频漂动态补偿的O-0TDR增敏方法，其特征在于，所 述N = 20, Af = 200kHz。
5. 基于权利要求1所述的一种基于频漂动态补偿的〇-0TDR增敏方法的装置，其特征 在于，包括窄线宽光源、第一光纤稱合器、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： 窄线宽光源发出的光经第一光纤稱合器分成两路：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O-0TDR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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏方法，使用内调制或者外调制的方法对Φ-OTDR的光源输出频率进行主动的扫描，获取不同光频率点下的Φ-OTDR曲线组；通过对各频率点下的Φ-OTDR曲线进行互相关运算，确认光源频漂的大小与方向，并据此反馈控制光源的输出频率；数据处理过程中，选取不同曲线组间互相关值最高的Φ-OTDR曲线作为有效数据，抛弃其它互相关值较低的曲线，以此补偿光源频漂带来的曲线畸变。本发明还公开了一种基于频漂动态补偿的Φ-OTDR增敏装置，本发明采用对各频率点下的Φ-OTDR曲线进行相关计算，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；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。
【IPC分类】G01D5-36
【公开号】CN104677398
【申请号】CN201510111885
【发明人】张益昕, 朱帆, 张旭苹, 王顺, 唐志强
【申请人】南京大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月13日