一种多相位编码φ-OTDR传感系统及调制解调方法

一种多相位编码
φ-otdr传感系统及调制解调方法
技术领域
1.本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种多相位编码φ-otdr传感系统及调制解调方法。


背景技术：

2.φ-otdr系统具有分布式感知、长距离传感、抗电磁干扰等特征，在轨道交通安全监测、油气资源勘探开发、智能电网状态监控、基础设施周界安防等众多领域具有广阔的应用前景。在从理论研究走向各类工程应用的过程中，φ-otdr系统的传感距离与空间分辨率始终扮演至关重要的角色。例如，φ-otdr可用于监测长距离铁路运输的安全状态，能对轮轴异响、列车晃动、地基振动等故障行为所产生的振动信号进行分布式监测。然而，车路故障的安全监测需要同时兼顾轨道长距离与轮对小间距的工况需求，若不能准确辨识长传感距离与高空间分辨率的振动特征，车路故障引发安全事故的风险便会持续存在，严重危及铁路运输安全。因此，突破传统φ-otdr技术中空间分辨率与传感距离相互制约的限制瓶颈，具有重要的科学意义和应用价值。
3.现有技术一，脉冲编码是通过强度调制设备将激光器输出的连续光依据特定的编码规则调制成脉冲序列。编码脉冲调制方案可有效提高探测脉冲能量，并借助解码处理具备了等效单脉冲响应信噪比增强的优势，从而可保证高空间分辨率前提下传感距离的延长，但仍未满足长距离探测的需求。
4.现有技术二，线性调频脉冲是利用频率调制设备将探测光的光频率调制为随时间线性变化的调频信号。线性调频脉冲调制型φ-otdr所采用的长时宽单探测脉冲，具有更高的探测功率，并通过时域脉冲压缩可以获得高空间分辨率。因此，可以进一步突破传感距离与空间分辨率的限制，但其脉冲调制手段复杂，受器件性能制约大，且频率复杂在传输过程容易引起频率混杂且补偿困难。
5.综上，现有技术仍然存在如何进一步实现空间分辨率与传感距离同步提升的问题。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有技术存在的空间分辨率与传感距离相互制约的问题，提供一种多相位编码φ-otdr传感系统及调制解调方法。
7.本发明采取以下技术方案：一种多相位编码φ-otdr传感系统，包括窄线宽激光器，窄线宽激光器与1*2光纤耦合器的a端口连接，1*2光纤耦合器的b端口依次连接电光相位调制器、声光调制器以及掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器的输出端连接环形器的a端口。
8.环形器的c端口连接2*2光纤耦合器的a端口，2*2光纤耦合器的b端口连接1*2光纤耦合器的c端口，2*2光纤耦合器的输出端口连接到平衡光电探测器的输入端口，平衡光电探测器的输出端口连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接到计算机。
9.还包括第一任意波发生器和第二任意波发生器，第一任意波发生器的时钟端与第二任意波发生器的时钟端连接以保持时钟同步，第一任意波发生器输出端连接第一射频放大器输入端与数据采集卡的调制端，第一射频放大器的输出端连接电光相位调制器的射频信号输入端，第二任意波发生器输出端连接第二射频放大器的输入端，第二射频放大器的输出端连接声光调制器的调制端。
10.进一步的，环形器的b端口连接第二密集波分复用器的a端口，第二密集波分复用器的c端口连接传感光纤的输入端，传感光纤的输出端连接第一密集波分复用器的c端口，第一密集波分复用器的a端口悬空，第一密集波分复用器和第二密集波分复用器的b端口分别连接拉曼光纤放大器的两个泵浦端口；所述拉曼光纤放大器发出两束1460nm高功率泵浦光，与波长1550.12nm后向瑞利散射光同时在光纤中传输，后向拉曼泵浦光经过第二密集波分复用器进入传感光纤，泵浦光与需要放大的后向瑞利散射光在传感光纤中传输方向相反；前向拉曼泵浦光经过第一密集波分复用进入传感光纤，泵浦光波与后向瑞利散射光在传感光纤中同向传输。
11.进一步的，1*2光纤耦合器是90：10的耦合器；所述的第一任意波发生器和第二任意波发生器具有2.5g采样率，调制带宽大于1ghz；所述的电光相位调制器具有10ghz调制带宽；所述的平衡光电探测器探测带宽大于等于1ghz。
12.一种多相位编码φ-otdr传感系统的调制解调方法，调制过程包括如下步骤：s11～构造多相位编码序列φi，其中i代表多相位编码序列的第i个相位，不超过编码长度n；根据信号带宽选择相位调节因子ξ0，根据旁瓣抑制效果选择编码长度n；选择合适的相位调节因子ξ0和编码长度n确定多相位编码序列φi。
13.s12～依据电光相位调制器的调制半波电压与第一射频放大器的增益，调节多相位编码序列φi射频输出功率；将多相位编码序列φi由第一任意波发生器输出至第一射频放大器，从而调制到电光相位调制器，实现相位调制过程，并对其调制结果进行预失真处理。
14.s13～由第二任意波发生器按特定窗型产生声光调制器驱动信号，经第二射频放大器控制声光调制器，使得多相位编码信号光功率按同样窗型调制，从而提升匹配滤波阶段的旁瓣抑制比，最终获得多相位编码探测光脉冲。
15.解调过程包括如下步骤：s21～平衡光电探测器将后向瑞利散射光和本振光的拍频光转换为拍频电信号，通过希尔伯特变换将拍频电信号转化为复序列；s22～在计算机上构建数字域匹配滤波器，对拍频信号的复序列进行匹配滤波处理，实现对拍频信号的脉冲压缩，提升传感系统的空间分辨率；s23～对匹配滤波后的结果进行强度解调得到后向瑞利散射的强度信息，再进行移动差分平均算法得到传感光纤上振动信号的定位信息；s24～对匹配滤波后的结果进行相位解调，得到振动波形。
16.在进行s12和s13的调制过程中，多相位编码探测光脉冲生成过程中需要保证同
步，首先第一任意波发生器和第二任意波发生器通过外部时钟端口保持时钟同步，其次电光相位调制器的相位调制过程、声光调制器的强度调制过程、数据采集卡的触发采集过程之间进行同步处理，确保调制与采集同时进行。
17.步骤s12中，按照多相位编码序列φi调节随时间t连续变化射频输入电压信号，第一任意波发生器输出至第一射频放大器的射频输入电压信号u
rf
(t)为：其中码元宽度τ通常由空间分辨率决定，v
rf
是多相位编码调制的射频输出电压，rect(
∙
)为矩形函数；i代表多相位编码序列的第i个相位，不超过编码长度n。上述射频输入电压信号u
rf
(t)经功率放大后对电光相位调制器进行控制，使得多相位编码的相位信息调制到探测光上，实现相位调制过程；具有多相位编码相位信息的探测光p'(t)表示为：其中v
π
是电光相位调制器（3）的调制半波电压，n是多相位编码的编码长度，j是虚数单位。
18.步骤s13中，探测光脉冲信号p(t)：其中w(
∙
)是窗信号，用于抑制匹配滤波后的旁瓣，
∆
f是声光调制器引入的频移。
19.与现有φ-otdr技术相比，在结构上，本发明使用电光相位调制器和声光调制器，共同调制包含多相位编码信息的探测光脉冲信号；在调制方法上，本发明利用多相位编码调制手段，利用其卓越的时域脉冲压缩性能，通过匹配滤波处理可将时域上的宽探测光脉冲信号压缩为单频窄脉冲信号。据此，大时宽信号具备足够的能量以传输更远的距离，更窄的码宽使得φ-otdr系统具备更高空间分辨能力，这种多相位编码的调制与解调方法，具有更高的旁瓣抑制比，可有效提升光纤传感系统信噪比和灵敏度；此外本方法将光纤传感系统的空间分辨率与码元宽度联系起来，突破传统分布式光纤传感系统中传感距离与空间分辨率之间的制约问题，实现空间分辨率和传感距离同步提升。
附图说明
20.图1是本发明一种多相位编码φ-otdr的传感系统框图；图2是本发明多相位编码调制过程流程图；图3是本发明多相位编码解调过程流程图；图4是本发明实例中多相位编码解调过程示意图；其中，1-窄线宽激光器、2-1*2光纤耦合器、3-电光相位调制器、4-声光调制器、5-掺铒光纤放大器、6-环形器、7-2*2光纤耦合器、8-平衡光电探测器、9-数据采集卡、10-计算
机、11-第一任意波发生器、12-第二任意波发生器、13-第一密集波分复用器、14-传感光纤、15-第二密集波分复用器、16-拉曼光纤放大器、17-第一射频放大器、18-第二射频放大器。
具体实施方式
21.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
22.如图1所示，本发明提出一种多相位编码φ-otdr传感系统装置，包括窄线宽激光器1、1*2光纤耦合器2、电光相位调制器3、声光调制器4、掺铒光纤放大器5、环形器6、2*2光纤耦合器7、平衡光电探测器8、数据采集卡9、计算机10、第一任意波发生器11、第二任意波发生器12、第一密集波分复用器13、传感光纤14、第二密集波分复用器15、拉曼光纤放大器16、第一射频放大器17和第二射频放大器18。
23.其中，窄线宽激光器1的输出端连接到1*2光纤耦合器2的a端口，1*2光纤耦合器2的b端口连接电光相位调制器3的输入端，电光相位调制器3的输出端连接声光调制器4的输入端，声光调制器4的输出端连接掺铒光纤放大器5的输入端，掺铒光纤放大器5的输出端连接环形器6的a端口，环形器6的b端口连接第二密集波分复用器15的a端口，第二密集波分复用器15的c端口连接传感光纤14的输入端，传感光纤14的输出端连接第一密集波分复用器13的c端口，第一密集波分复用器13的b端口和第二密集波分复用器15的b端口分别连接拉曼光纤放大器16的两个泵浦端口,第一密集波分复用器13的a端口悬空；环形器6的c端口连接2*2光纤耦合器7的a端口，1*2光纤耦合器2的c端口连接2*2光纤耦合器7的b端口，2*2光纤耦合器7的输出端口连接到平衡光电探测器8的输入端口，平衡光电探测器8的输出端口连接到数据采集卡9的输入端，数据采集卡9的输出端连接到计算机10；第一任意波发生器11的时钟端与第二任意波发生器12的时钟端连接以保持时钟同步，第一任意波发生器11输出端连接第一射频放大器17输入端与数据采集卡9的调制端，第一射频放大器17的输出端连接电光相位调制器3的射频信号输入端，第二任意波发生器12输出端连接第二射频放大器18的输入端，第二射频放大器18的输出端连接声光调制器4的调制端。
24.其中，电光相位调制器3和声光调制器4分别通过第一任意波发生器11和第二任意波发生器12对第一射频放大器17和第二射频放大器18进行射频调制；第一任意波发生器11和第二任意波发生器12保持时钟同步；电光相位调制器3实现多相位编码调制，声光调制器4实现多相位编码光脉冲强度调制，调制过程中与数据采集卡9进行同步处理，确保调制与采集同时进行。
25.可选地，1*2光纤耦合器2是90：10的耦合器；所述第一任意波发生器11和第二任意波发生器12具有2.5gsa/s采样率，调制带宽大于1ghz；所述电光相位调制器3具有10ghz调制带宽；所述平衡光电探测器8探测带宽大于1ghz；所述拉曼光纤放大器16具有两个1460nm拉曼泵浦源，同时对传感光纤14中的1550.12nm后向瑞利散射光进行放大，后向拉曼泵浦光经过第二密集波分复用器15进入传感光纤14，泵浦光波与需要放大的后向瑞利散射光在传感光纤14中传输方向相反；前向拉曼泵浦光经过第一密集波分复用器13进入传感光纤14，泵浦光与后向瑞利散射光在传感光纤14中同向传输。
26.本发明提出一种多相位编码的调制与解调方法，包括多相位编码信号调制与解调
过程。
27.一种多相位编码φ-otdr传感系统的调制解调方法，多相位编码由编码长度n、码元宽度τ决定，因而探测光脉冲时宽t=nτ。不同码元具有不同相位值，从而构成多相位编码序列。采用大时宽的探测光脉冲信号具备足够的能量以传输更远的距离，更窄的码宽使得φ-otdr系统具备更高空间分辨能力，进而解决了现有技术空间分辨率与传感距离相互制约的问题。
28.一种实施方式中，传感光纤14可铺设在需要进行监测的场景中。在实验室场景中，扰动模拟单元可以是压电陶瓷振荡器，调制后的探测光脉冲信号输入到传感光纤14，利用压电陶瓷振荡器在传感光纤14的某一处施加信号来对扰动进行模拟，传感光纤14经扰动后返回携带扰动信息的后向瑞利散射光信号到环形器6，经与本振光拍频后被光电探测器8获取并进行采集和处理。
29.附图2所示为多相位编码调制过程流程图，该调制过程流程可以包括如下的步骤：s11、编码长度n和码元宽度τ是决定多相位编码的必要特征量，依据空间分辨率需求选择码元宽度τ；依据匹配滤波器的旁瓣抑制比与传感距离选择编码长度n，进而构造多相位编码序列。
30.在本实例中，多相位编码序列φi表示为：其中i代表多相位编码序列的第i个相位，不超过编码长度n。根据信号带宽选择相位调节因子ξ0，根据旁瓣抑制效果选择编码长度n。选择合适的相位调节因子ξ0和编码长度n即可确定多相位编码序列φi。
31.s12、按照多相位编码序列φi调节射频输入电压信号，则第一任意波发生器11输出至第一射频放大器17的射频输入电压信号u
rf
(t)为：其中码元宽度τ通常由空间分辨率决定，v
rf
是多相位编码调制的射频输出电压，rect(
∙
)为矩形函数。上述射频输入电压信号u
rf
(t)经功率放大后对电光相位调制器3进行控制，使得多相位编码的相位信息调制到探测光上，实现相位调制过程。具有多相位编码相位信息的探测光p'(t)表示为：其中v
π
是电光相位调制器3的调制半波电压。
32.s13、由第二任意波发生器按特定窗型产生声光调制器驱动信号，经第二射频放大器控制声光调制器，使得多相位编码信号光功率按同样窗型调制，从而提升匹配滤波阶段的旁瓣抑制比。最终可得探测光脉冲信号p(t)：
其中w(
∙
)是窗信号，用于抑制匹配滤波后的旁瓣，
∆
f是声光调制器4引入的频移。在本实例中窗信号采用汉宁窗，可以有效提升探测光脉冲信号的旁瓣抑制性能，进而提升传感系统的信噪比。
33.s14、多相位编码探测光脉冲生成过程中需要保证同步。首先第一任意波发生器和第二任意波发生器需要通过外部时钟端口保持时钟同步。其次电光相位调制器的相位调制过程、声光调制器的强度调制过程、数据采集卡的触发采集过程之间需要进行同步处理，确保调制与采集同时进行。
34.经过多相位编码调制得到的探测光脉冲信号，经环形器6输入传感光纤14中，对传感光纤14中后向瑞利散射光信号进行采集，并通过匹配滤波手段实现解调处理。
35.附图3所示为多相位编码解调过程流程图，该解调过程流程可以包括如下的步骤：s21、平衡光电探测器8将后向瑞利散射光和本振光的拍频光转换为拍频电信号，考虑光纤上每一个位置处的后向瑞利散射信号及其干涉过程，可以得到拍频电信号e
beat
(t)：其中h(t)中包含了多相位编码调制φ-otdr系统的基本固有特征，称之为系统的冲击响应，tz为接收到传感光纤z处瑞利散射光的时间延迟。
36.在计算机10上通过希尔伯特变换处理拍频电信号，将拍频电信号转化为复序列，再对拍频电信号e
beat
(t)进行解调。
37.s22、在计算机上构建数字域匹配滤波器p
*
(-t)，利用匹配滤波器对拍频电信号的复序列实现匹配滤波处理，得到包含扰动信号信息的匹配滤波结果r(t)：其中p
*
(t)为p(t)的共轭，p'(t)为经过匹配滤波处理后得到的单频窄脉冲信号。
38.参阅附图4，可见，码元宽度τ的探测光脉冲信号经过匹配滤波处理被压缩为带有旁瓣的窄脉冲信号。虽然在时域上探测光脉冲信号为宽脉冲，但在压缩后等效于单频窄脉冲信号，其码宽τ为压缩脉冲的主瓣宽度。系统空间分辨率z
sr
与码宽τ的关系可用公式表示为：z
sr
=cτ/2n，其中c为光速，n为光纤折射率。
39.如附图3所示：s23、对匹配滤波结果r(t)进行强度解调得到后向瑞利散射的强度信息，再进行移动差分平均算法得到传感光纤上振动信号的定位信息。
40.s24、再对其进行相位解调，得到振动波形。
41.本发明能够突破传统分布式光纤传感系统中传感距离与空间分辨率之间的制约问题，通过匹配滤波处理将光纤传感系统的空间分辨率与码元宽度联系起来，大大提升系统性能。这种多相位编码φ-otdr传感系统及调制解调方法，可有效提升光纤传感系统信噪比、灵敏度，实现空间分辨率和传感距离同步提升。
42.本领域普通技术人员可以理解实现上述全部或部分步骤需要通过硬件和计算机软件处理单元共同完成。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。