一种基于CP-ΦOTDR的高重复率准分布式传感系统及其实现方法与流程

本发明涉及光纤传感测量技术领域，具体涉及一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统及其实现方法。

背景技术：

传感器作为一种集成自动测量、记录等功能的检测装置，在我们的生活及生产活动中得到了广泛的应用。相比于传统的电学传感器，基于光纤的传感器具有轻便、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高温、探测灵敏度高等独特的优势，所以分布式光纤传感在近几十年来得到快速发展。

相位敏感形光时域反射仪是一种典型的分布式光纤传感系统，它通过解调光纤中瑞利散射光的干涉强度来进行对外界干扰的实时监测，由于其具有超高灵敏度的显著优势而备受关注，但是由于瑞利散射光的强度很微弱而且反射率不稳定，所以在信噪比和传感距离等方面有很多的限制。

由于fbg的反射强度很高而且很稳定，所以基于弱反射率fbg串的准分布式测量系统受到广泛应用。但是不管是分布式测量系统还是准分布式测量系统，测量重复率fscan和传感距离l是相互制约的,他们之间满足fscan≤c/2nl。

近年来，对于打破测量重复率和传感距离限制的研究，主要有以下两种：

1、基于频分复用的分布式光纤传感技术，通过向传感光纤中注入n个不同频率范围的啁啾脉冲，通过在频域加窗的方法分别解调出来各个频率范围的散射信号，这些散射信号可以分别恢复出来扰动信息，从而测量重复率提升了n倍，但是这种方法使得传感带宽增加了n倍，而且由于啁啾信号扫频范围的减小，使得系统的空间分辨率也降低了n倍。

2、基于正负频iq解调的分布式光纤传感技术，通过向传感光纤中注入正负频率的啁啾脉冲，由于正频和负频在频域上是可以分开的，所以运用傅里叶变换技术，可以将携带反射光信息的正负频率的信号分开，它们可以分别恢复出来扰动信息，使得测量重复率提升了2倍。但是这种方法需要双通道探测，增加了系统的复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的在于：本发明提供了一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统及其实现方法，解决了目前的准分布式测量系统由于测量重复率与传感距离相互制约，无法保证在系统具有高空间分辨率的同时提高重复率的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统，包括激光器模块，所述激光器模块产生光信号至耦合器，所述耦合器分别将光信号输入光信号调制模块和信号检测模块，

所述光信号调制模块将光信号调制为n个位于相同频带和不同频带的正负啁啾脉冲光信号，所述光信号调制模块的输出端连接光环形器的端口1，所述光环形器的端口2将啁啾脉冲光信号输入待测传感光纤并接收所述待测传感光纤返回的反射光信号，所述光环形器的端口3将所述反射光信号输入信号检测模块，

所述信号检测模块利用反射光信号和耦合器输入的本振光信号产生拍频信号，所述信号检测模块将所述拍频信号输入信号解调模块进行解调和输出，得到所述反射光信号的扰动信息。

进一步的，所述光信号调制模块包括波形发生器和电光调制器。

进一步的，所述待测传感光纤中的反射点为光纤布拉格光栅(fbg)。

进一步的，所述信号检测模块包括光混合器和信号采集器。

一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：激光器模块产生光信号，并将所述光信号发送至耦合器，所述耦合器将光信号分别输入光信号调制模块和信号检测模块；

步骤2：所述光信号调制模块将光信号调制为n个位于相同频带和不同频带的正负啁啾脉冲光信号，并将所述啁啾脉冲光信号发送至光环形器；

步骤3：所述光环形器将所述啁啾脉冲光信号发送至待测传感光纤，所述待测传感光纤向所述光环形器返回反射光信号；

步骤4：所述光环形器将所述反射光信号发送至信号检测模块；

步骤5：所述信号检测模块利用反射光信号和耦合器输入的本振光信号产生拍频信号，并将所述拍频信号输入信号解调模块；

步骤6：所述信号解调模块将所述拍频信号进行解调和输出，得到反射光信号中的扰动信息。

进一步的，所述步骤1中，激光器模块产生的光信号el(t)为：

其中，表示光信号的初始相位，t表示时间，θ(t)表示激光器相位噪声，el表示光信号的幅度。

进一步的，所述步骤2中，啁啾脉冲光信号ep(t)为：

td表示正负啁啾脉冲之间的时延，γ表示啁啾脉冲光信号的啁啾率；

正啁啾信号sdigital(t)为：

负啁啾信号snegdigital(t)为：

其中，表示反射光的相位项，表示啁啾脉冲初相，τp表示脉冲宽度，e0表示啁啾脉冲信号的幅度，fm表示啁啾脉冲信号的中心频率，i表示反射点的序号，ti表示第i个反射点处的时延。

进一步的，所述步骤3中，反射光信号中第i个反射点处反射光信号eref(ti,t)为：

其中，ti表示第i个反射点处的时延，r(ti)表示第i个反射点的反射率，表示第i个反射点处反射信号的相位。

进一步的，所述步骤5中，第i个反射点处反射光信号与本振光信号的拍频信号eb(ti,t)为

其中，a(ti)表示第i个反射点反射信号的幅度，表示本振与信号之间的相位差。

进一步的，所述步骤6中，信号解调模块将所述拍频信号eb(ti,t)做希尔伯特变换之后得到ebeat(ti,t)，再进行解调和输出，包括利用正啁啾信号sdigital(t)进行解调和利用负啁啾信号snegdigital(t)进行解调，具体为：

拍频信号经过希尔伯特变换后得到：

利用正啁啾信号sdigital(t)进行解调，即利用正啁啾信号sdigital(t)对ebeat(ti,t)做匹配滤波，当两者完全重合时，获得互相关峰：

eneg表示在只用正啁啾信号做匹配滤波时负啁啾信号分量的影响；s(ti)表示拍频信号和正啁啾信号的互相关峰值；

则

将公式12向基带方向移频fm之后，取相位可得：

其中，表示反射光信号匹配滤波峰值处的相位，表示求和之后的相位，表示第ti+1和第ti个反射点峰值处相位差；

利用负啁啾信号snegdigital(t)进行解调，即利用负啁啾信号snegdigital(t)对ebeat(ti,t)做匹配滤波，当两者完全重合时，获得互相关峰：

epos表示在只用负啁啾信号做匹配滤波时正啁啾信号分量的影响；sneg(ti+td)表示拍频信号和负啁啾信号的互相关峰值；

将公式17向基带方向移频fm之后，取相位可得：

其中，表示反射信号匹配滤波峰值处的相位，表示求和之后的相位，表示第ti+1和第ti个反射点峰值处相位之差。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

在保证系统有高空间分辨率的同时，使得测量重复率提高n倍，而且本发明使用单通道探测，降低了系统的复杂度。例如，在使用相隔5米的fbg串作为传感光纤时，设置啁啾信号的扫频范围为20mhz，即为5m的空间分辨率，向光纤中注入由正啁啾信号和负啁啾信号组成的两个脉冲的周期信号，正负啁啾脉冲间隔为半个周期，使得系统在保证5米空间分辨率的同时，将测量重复率提升了2倍。

本发明相较于基于频分复用技术的分布式光纤传感系统，由于相同频带宽度的正负啁啾脉冲不需要额外增加传感带宽，位于不同频带宽度的正负啁啾脉冲只需要增加少量传感带宽，而且在准分布式系统中，空间分辨率是由啁啾的扫频范围和反射点之间的间隔共同决定的，当反射点间隔大于啁啾的扫频范围对应的空间分辨率时，空间分辨率与啁啾信号的扫频范围无关，所以本发明在保证高空间分辨率的同时，使得测量重复率提升了n倍。

本发明相较于基于正负频iq解调技术的分布式光纤传感系统，本发明不需要双通道探测，只需要单通道即可，降低了系统复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统的系统框图；

图2是本发明实施例1中的正负啁啾脉冲调制信号的时域和频域图；

图3是本发明实施例1提供的一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感实现方法流程图；

图4是本发明实施例1中的正负啁啾信号解调过程原理图；

图5是本发明实施例2提供的另一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统的系统框图；

图6是本发明实施例3提供的又一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统的系统框图；

附图标记：

1-激光器模块，2-耦合器，3-光信号调制模块，31-波形发生器，32-电光调制器，4-光环形器，5-待测传感光纤，6-信号检测模块，61-光混合器，62-信号采集器，7-信号解调模块，8-偏振控制模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明实施例中的高重复率准分布式传感系统主要基于光时域反射仪(opticaltime-domainreflectometer，otdr)实现，具体地，是基于啁啾脉冲相位敏感光时域反射仪(cp-φotdr)实现的。

如图1所示，本实施例提供的一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统包括激光器模块1，所述激光器模块1产生光信号至耦合器2，耦合器2为光耦合器，所述耦合器2分别将光信号输入光信号调制模块3和信号检测模块6，所述光信号调制模块3将光信号调制为n个位于相同频带和不同频带的正负啁啾脉冲光信号，所述光信号调制模块3的输出端连接光环形器4的端口1，所述光环形器4的端口2将啁啾脉冲光信号输入待测传感光纤5并接收所述待测传感光纤5返回的反射光信号，所述光环形器4的端口3将所述反射光信号输入信号检测模块6，

所述信号检测模块6利用反射光信号和耦合器2输入的本振光信号产生拍频信号，所述信号检测模块6将所述拍频信号输入信号解调模块7进行解调和输出，得到所述反射光信号的扰动信息。

所述光信号调制模块3包括波形发生器31和电光调制器32。所述待测传感光纤5为沿轴向具有一连串反射点的光纤，所述反射点可以为光纤布拉格光栅(fbg)、fp腔等，本实施例的反射点为光纤布拉格光栅(fbg)。所述信号检测模块6包括光混合器61和信号采集器62。

其中，光环形器4(opticalcirculator)是一种多端口非互易光学器件，其具有光导向作用，其典型结构有n(n大于等于3)个端口，当光由其中任一个端口输入(一般是端口1)时，可以几乎无损失地按照数字顺序由下一个端口(端口2)输出，而其它端口(端口3)处几乎没有光输出；以此类推，当光由端口2输入时，也可以由端口3近乎无损失的输出，于此同时，端口1或其他端口上没有光输出。光环形器4类型可以是透射式或反射式的光环形器4。

本实施例还提供一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统的实现方法，包括以下步骤(如图2所示)：

步骤1(s101)：激光器模块1产生光信号，并将所述光信号发送至耦合器2，所述耦合器2将光信号分别输入光信号调制模块3和信号检测模块6；

激光器模块1产生的光信号el(t)为：

其中，表示光信号的初始相位，t表示时间，θ(t)表示激光器相位噪声，el表示光信号的幅度。

步骤2(s102)：所述光信号调制模块3将光信号调制为n个位于相同频带和不同频带的正负啁啾脉冲光信号(如图3所示为正负啁啾脉冲调制信号的时域和频域图像)，并将所述啁啾脉冲光信号发送至光环形器4；

啁啾脉冲光信号ep(t)为：

td表示正负啁啾脉冲之间的时延，γ表示啁啾脉冲光信号的啁啾率；

正啁啾信号sdigital(t)为：

负啁啾信号snegdigital(t)为：

其中，t表示时间，θ(t)表示激光器相位噪声，表示反射光的相位项，表示啁啾脉冲初相，τp表示脉冲宽度，e0表示啁啾脉冲信号的幅度，fm表示啁啾脉冲信号的中心频率，i表示反射点的序号，ti表示第i个反射点处的时延。

步骤3(s103)：所述光环形器4将所述啁啾脉冲光信号发送至待测传感光纤5，所述待测传感光纤5向所述光环形器4返回反射光信号；

第i个反射点处反射光信号eref(ti,t)为：

其中，i表示反射点的序号，ti表示第i个反射点处的时延，r(ti)表示第i个反射点的反射率，表示第i个反射点处反射信号的相位，τp表示脉冲宽度，为啁啾脉冲初相，t表示时间。

步骤4(s104)：所述光环形器4将所述反射光信号发送至信号检测模块6；

步骤5(s105)：所述信号检测模块6利用反射光信号和耦合器2输入的本振光信号产生拍频信号，并将所述拍频信号输入信号解调模块7，其中本振光信号即激光器产生的光信号；

第i个反射点处反射光信号与本振光信号的拍频信号eb(ti,t)为

其中，a(ti)表示第i个反射点反射信号的幅度，表示本振与信号之间的相位差。

步骤6(s106)：信号解调模块7将所述拍频信号eb(ti,t)做希尔伯特变换之后得到ebeat(ti,t)，再进行解调和输出，得到反射光信号中的扰动信息。解调原理如图4所示，拍频信号在做互相关时，只有响应函数与原始信号相同时才会匹配出来峰，如果与原始信号不相同，信号就会被抑制，由此可以通过匹配滤波算法分离n个位于相同频带和不同频带的正负啁啾信号，从而可以分别通过所述正负啁啾信号解调出来扰动信息。

包括利用正啁啾信号sdigital(t)进行解调和利用负啁啾信号snegdigital(t)进行解调，具体为：

拍频信号经过希尔伯特变换后得到：

利用正啁啾信号sdigital(t)进行解调，即利用正啁啾信号sdigital(t)对ebeat(ti,t)做匹配滤波，当两者完全重合时，获得互相关峰：

eneg表示在只用正啁啾信号做匹配滤波时负啁啾信号分量的影响；s(ti)表示拍频信号和正啁啾信号的互相关峰值；

其中，激光器模块1的相位噪声项θ目前不考虑，之后对时间积分可得：

则

由于这一项积分之后很小，即在只用正啁啾做匹配滤波时，负啁啾分量的影响很小，所以可以忽略不计；

将公式31向基带方向移频fm之后，取相位可得：

其中，表示反射光匹配滤波峰值处的相位，表示求和之后的相位，表示第ti+1和第ti个反射元峰值处相位之差；

利用负啁啾信号snegdigital(t)进行解调，即利用负啁啾信号snegdigital(t)对ebeat(ti,t)做匹配滤波，当两者完全重合时，获得互相关峰：

epos表示在只用负啁啾做匹配滤波时，正啁啾分量的影响；sneg(ti+td)表示拍频信号和负啁啾信号的互相关峰值；

则

由于这一项积分之后很小，即在只用负啁啾做匹配滤波时，正啁啾分量的影响很小，所以可以忽略不计；

将上式向基带方向移频fm之后，取相位可得：

其中，表示反射光匹配滤波峰值处的相位，表示求和之后的相位，表示第ti+1和第ti个反射元峰值处相位之差。

整体的反射信号和拍频信号，只需对所有的i按照时间顺序排列即可。

显然，两个峰值处相位之差与△t线性相关，所以根据拍频信号的相位信息，应用正负啁啾信号可以分别解调出来扰动信息，实现高重复率准分布式传感。

由此可见，本发明实施例中的基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感实现方法，与现有技术相比，有以下优越性：相较于基于频分复用技术的分布式光纤传感系统，由于相同频带宽度的正负啁啾脉冲不需要额外增加传感带宽，位于不同频带宽度的正负啁啾脉冲只需要增加少量传感带宽，而且在准分布式系统中，空间分辨率是由啁啾的扫频范围和反射点之间的间隔共同决定的，当反射点间隔大于啁啾的扫频范围对应的空间分辨率时，空间分辨率与啁啾信号的扫频范围无关，所以本发明在保证高空间分辨率的同时，使得测量重复率提升了n倍；相较于基于正负频iq解调技术的分布式光纤传感系统，本发明不需要双通道探测，只需要单通道即可，降低了系统复杂度。

实施例2

如图5所示，本发明的实施例2提供的一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统。在本发明实施例2中，信号调制模块中包括波形发生器31和电光调制器32，其中，光耦合器2的分路输出1与电光调制器32连接，分路输出2与信号检测模块6连接，波形发生器31与电光调制器32连接，电光调制器32的输出端与光环形器4的1端口连接，光环形器4的2端口与待测传感光纤5连接，光环形器4的3端口与信号检测模块6,连接。

在本发明实施例2中，使用波形发生器31对预先写入的正负啁啾波形进行处理，将正负啁啾脉冲的数字信号转换成电信号，然后通过电光调制器32产生正负啁啾脉冲光信号，产生的信号被光环形器4导入待测传感光纤5中。信号检测模块6通过分别接收光耦合器2输出两个分路的本振信号和反射信号强度信息，再利用信号解调模块7进行解调，基于拍频数据得到扰动信息的计算结果。

本发明实施例的方案可以基于波形发生器31和电光调制器32产生预定频率的正负啁啾脉冲，利用激光器提供的本振信号实现相干检测，提高信号测试的信噪比。

实施例3

如图6所示为本发明实施例3提供的一种基于cp-φotdr的高重复率准分布式传感系统。

该实施例与实施例2之间的区别在于：信号检测模块6中包括光混合器61和信号采集器62，其中光混合器61采用光耦合器，具体的检测信号是本振光和信号光同时进入光混合器61中，继而使信号采集器62采集输出的拍频信号，接着经过信号解调模块7进行希尔伯特变换得到光信号的相位信息，进而解调得到扰动信息；另外在光混合器61的分路2另设置了一个偏振控制模块8，控制本振光的偏振态，进一步提高测量信号的信噪比。

由此可见，本实施例3中通过光混合器61和信号采集器62能够实现拍频信号的强度探测，通过信号解调模块7进行希尔伯特变换得到相位信息，进而得到扰动信息，此外，该实施例通过在本振端引入了偏振控制模块8得到较高信噪比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。