一种基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调系统及方法

本发明涉及光学，具体涉及一种基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调系统及方法。

背景技术：

1、光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead groundwire，opgw)在电力系统中起到底线和传输光缆两种作用。在长期服役过程中，受自然环境因素影响容易产生雷击、山火、覆冰、舞动等事件，对opgw光缆安全运行产生影响，这些事件都会对光缆振动、温度或应变带来改变，因此通过监测opgw光缆振动、温度、应变信息可以实现光缆安全状态的在线监测，在故障发生前提前预警。

2、布里渊光时域反射计(brillouin optical time-domain reflectometer，botdr)利用opgw光缆内既有通信光纤进行温度和应变传感，具有测量距离长、分布式、精度高、无须另外布设传感器、线路无需供电等优势，适合应用于长距离opgw光缆在线监测。

3、相位敏感光时域反射计(φ-optical time-domain reflectometer，φ-otdr)，外界振动事件施加在传感光纤上的动态应变引起光纤发生周期性微小形变，进而引起光纤中传输的光信号光程差的改变，在探测端检测到的瑞利散射信号中引入一个附加相位信息，最后提取瑞利散射信号中附加相位的大小就可以成功实现对振动事件的引起的形变定量测量分析。

4、电力光缆的典型失效状态(雷击、覆冰、外破等)需要综合多种传感检测参量来进行准确判别评估，而现有传感系统/装置仅能实现振动、应变、温度参量的单一检测，感知评估模型具有不可避免的局限性和片面性；现有技术中对于应变/温度的测量方案有多种，同时对于振动测量的技术手段也复杂多样，而对于多参量的融合系统虽具有一定的应用价值，但由于不同的应变/温度与振动测量技术中未出现可使用同一技术完成多参量测量的方法，随着技术的不断更新，在同一系统中融合多种测量技术的融合系统方案是目前可实现多参量测量最有可能完成的技术思路。然而不同测量技术在融合过程中会出现各种未知的问题。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，选用布里渊和瑞利两种不同技术方法实现多参量测量是一种解决多参量测量的技术思路，而基于双波长的布里渊、瑞利同步解调系统将两种波长的脉冲光耦合到一根光纤内进行传感，若两种波长脉冲重叠，则脉冲峰值功率为两种波长峰值功率的叠加，更容易产生非线性效应。为了抑制非线性效应且实现布里渊和瑞利信号的单独解调，本发明提出一种基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调系统及方法。

2、根据本发明的一方面，提出一种基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调系统，所述系统包括：

3、瑞利传感光脉冲调制模块，用于产生瑞利传感系统所需的调制脉冲和本地参考光，并将产生的调制脉冲发送给瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块、将产生的本地参考光发送给所述瑞利散射返回信号处理模块；

4、布里渊传感光脉冲调制模块，用于产生布里渊传感系统所需的调制脉冲和待微波调制的本地参考光，并将产生的调制脉冲发送给瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块、将产生的待微波调制的本地参考光发送给所述布里渊微波调制模块；

5、瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块，用于将瑞利传感光脉冲调制模块和布里渊传感光脉冲调制模块发送的调制脉冲合束，并根据反馈触发信号实时调整驱动脉冲信号；

6、传感光收发模块，用于将瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块产生的光脉冲信号进行放大，并传输到传感光纤中，并对返回的传感信号进行分离，将分离后的瑞利散射信号和布里渊散射信号分别发送给瑞利散射返回信号处理模块和布里渊散射返回信号处理模块；

7、瑞利散射返回信号处理模块，用于对接收的瑞利散射信号和本地参考光进行处理；

8、布里渊散射返回信号处理模块，用于对接收的布里渊散射信号和本地参考光进行处理；

9、布里渊微波调制模块，用于对接收的待微波调制的本地参考光进行微波调制，并将调制后的双边带本地参考光发送给所述布里渊散射返回信号处理模块。

10、在其中一种可能的实现方式中，所述瑞利传感光脉冲调制模块包括第一激光器1、第一90/10耦合器2、第一声光调制器3；所述第一激光器1的输出端连接所述第一90/10耦合器2的输入端，所述第一90/10耦合器2的90％输出端口连接所述第一声光调制器3的输入端，10％的输出端口连接到所述瑞利散射返回信号处理模块中的第一四端口50/50耦合器17的一号输入端口，所述第一声光调制器3的输出端连接所述瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块中的第一50/50耦合器4的一号输入端口；

11、所述布里渊传感光脉冲调制模块包括第二激光器20、第三50/50耦合器21、第一电光调制器22；所述第二激光器20的输出端连接所述第三50/50耦合器21的输入端，所述第三50/50耦合器21的输出端分别连接所述第一电光调制器22和所述布里渊微波调制模块中的第二电光调制器23的输入端，所述第一电光调制器22的输出端连接所述瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块中的第一50/50耦合器4的二号输入端口。

12、在其中一种可能的实现方式中，所述瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块包括第一50/50耦合器4、第二90/10耦合器5、第二50/50耦合器6、第一光纤光栅滤波器7、第二光纤光栅滤波器8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、第一掺铒光纤放大器11、脉冲源29；所述第一50/50耦合器4的输出端连接所述第二90/10耦合器5的输入端；所述第二90/10耦合器5的10％输出端口与所述第二50/50耦合器6的输入端连接、90％输出端口与所述第一掺铒光纤放大器11的输入端连接；所述第二50/50耦合器6的两个输出端口分别连接所述第一光纤光栅滤波器7和所述第二光纤光栅滤波器8的输入端，所述第一光纤光栅滤波器7的输出端与所述第一光电探测器9的输入端连接，所述第二光纤光栅滤波器8的输出端与所述第二光电探测器10的输入端连接；所述第一掺铒光纤放大器11的输出端与所述传感光收发模块中的第一环形器12的一号端口连接，经所述第一环形器12的二号端口进入待测光纤；所述脉冲源29与所述第一光电探测器9的输出端、所述第二光电探测器10的输出端、所述第一声光调制器3的输入端、所述第一电光调制器22的输入端连接，所述脉冲源29用于发出驱动脉冲信号，并接收由所述第一光电探测器9、所述第二光电探测器10采集到的反馈信号。

13、在其中一种可能的实现方式中，所述传感光收发模块包括第一环形器12、第一波分复用器14、第二掺铒光纤放大器15、第三掺铒光纤放大器18；所述第一环形器12的三号端口连接所述第一波分复用器14的输入端，所述第一波分复用器14的c32输出端口连接所述第二掺铒光纤放大器15的输入端，所述第二掺铒光纤放大器15的输出端连接所述瑞利散射返回信号处理模块中的第二波分复用器16的输入端，所述第一波分复用器14的c34输出端连接所述第三掺铒光纤放大器18的输入端，所述第三掺铒光纤放大器18的输出端连接所述布里渊散射返回信号处理模块中的第二环形器25的一端口；

14、所述布里渊微波调制模块包括第二电光调制器23、正交扰偏器24、微波源30，所述微波源30与所述第二电光调制器23连接，以提供botdr系统扫频时所需微波信号，所述第二电光调制器23的输出端连接所述正交扰偏器24，所述正交扰偏器24的输出端连接所述布里渊散射返回信号处理模块中的第二四端口50/50耦合器27的一号输入端口。

15、在其中一种可能的实现方式中，所述瑞利散射返回信号处理模块包括第二波分复用器16、第一四端口50/50耦合器17、第一平衡探测器19；所述第二波分复用器16的输出端连接所述第一四端口50/50耦合器17另一输入端，所述第一四端口50/50耦合器17两个输出端连接所述第一平衡探测器19的两个输入端；

16、所述布里渊散射返回信号处理模块包括第二环形器25、第三光纤光栅滤波器26、第二四端口50/50耦合器27、第二平衡探测器28；所述第二环形器25的二端口和三端口分别连接所述第三光纤光栅滤波器26输入端和所述第二四端口50/50耦合器27的二号输入端口，所述第二50/50四端口耦合器27的两个输出端连接所述第二平衡探测器28。

17、在其中一种可能的实现方式中，所述第一激光器1为φ-otdr使用的窄线宽光源，波长为c32波段，功率10mw，线宽3khz；所述第二激光器20为botdr使用的光源，波长为c34波段，功率为50mw，线宽1mhz；所述第一声光调制器3的移频参数为下移频200mhz；第一平衡探测器19的带宽为300mhz，第二平衡探测器28的带宽为80mhz。

18、根据本发明的另一方面，提出一种基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调方法，所述瑞利和布里渊散射信号同步解调方法基于所述的基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调系统实现；所述瑞利和布里渊散射信号同步解调方法包括：

19、瑞利传感光脉冲调制模块产生瑞利传感系统所需的调制脉冲和本地参考光，具体包括：第一激光器1输出的连续光经第一90/10耦合器2分成两束，一束90％的光用于脉冲调制，剩余10％的光作为本地参考光；

20、布里渊传感光脉冲调制模块产生布里渊传感系统所需的调制脉冲和待微波调制的本地参考光，具体包括：第二激光器20输出的连续光经第三50/50耦合器21分成两束，一束用于脉冲调制，另一束用于微波调制；

21、瑞利/布里渊散射光脉冲调节控制模块将瑞利传感光脉冲调制模块和布里渊传感光脉冲调制模块发送的调制脉冲合束，并根据反馈触发信号实时调整驱动脉冲信号，具体包括：脉冲源29发出驱动脉冲信号以驱动第一声光调制器3和第一电光调制器22；其中第一声光调制器3对应所述瑞利传感光脉冲调制模块，第一电光调制器22对应所述布里渊传感光脉冲调制模块，第一声光调制器3和第一电光调制器22根据脉冲源29发来的脉冲信号将连续光调制成光脉冲；第一50/50耦合器4将第一声光调制器3和第一电光调制器22调制出的光脉冲合束，第二90/10耦合器5将合束后的光脉冲分成两束，90％作为后续传感系统光脉冲输出，10％用于光反馈系统信号，第二50/50耦合器6将第二90/10耦合器5中10％输出的光脉冲分为两路反馈信号分别提供给第一光纤光栅滤波器7和第二光纤光栅滤波器8；第一光纤光栅滤波器7的透射波长对应第一激光器1的激光器波长，第一光纤光栅滤波器7的输出信号经第一光电探测器9探测输出；第二光纤光栅滤波器8的透射波长对应第二激光器20的激光器波长，第二光纤光栅滤波器8的输出信号经第二光电探测器10探测输出；第一光电探测器9与第二光电探测器10的探测输出信号反馈给脉冲源29，作为脉冲控制系统反馈触发信号；脉冲源29根据所述反馈触发信号，实时调整驱动第一声光调制器3与第一电光调制器22的脉冲信号，以实现两个光脉冲在时序上相邻且完全分开；

22、瑞利散射返回信号处理模块对返回的瑞利散射信号和本地参考光进行处理，具体包括：第一掺铒光纤放大器11将光脉冲放大后经第一环形器12进入待测光纤，瑞利散射和布里渊散射的回波信号经第一波分复用器14被分成两种波长的光信号，其中一个波长对应的瑞利回波信号经过第二掺铒光纤放大器15放大后，再由第二波分复用器16滤除放大器的噪声，与瑞利传感光脉冲调制模块产生的本地参考光同时进入第一四端口50/50耦合器17发生相干，两个输出的光信号经第一平衡探测器19进行光电转换，得到振动测量结果；

23、布里渊散射返回信号处理模块对返回的布里渊散射信号和本地参考光进行处理，具体包括：第二激光器20输出连续光的下支路光信号经过微波源30驱动的第二电光调制器23后调制为双边带本地参考光，经过正交扰偏器24扰偏后，进入第二四端口50/50耦合器27；另一波长对应的布里渊回波信号经过第三掺铒光纤放大器18放大后，经过第二环形器25进入第三光纤光栅滤波器26，滤出下边带自发布里渊散射信号，与布里渊传感光脉冲调制模块产生、并经布里渊微波调制模块调制后的本地参考光一起进入第二四端口50/50耦合器27发生相干，两个输出的光信号经第二平衡探测器28进行光电转换，得到布里渊扫频结果。

24、在其中一种可能的实现方式中，所述第一激光器1发出波长为c32波段的光脉冲；所述第二激光器20发出波长为c34波段的光脉冲；所述回波信号中包含c32和c34两个波段的信号。

25、在其中一种可能的实现方式中，若第一光电探测器9探测输出信号与第二光电探测器10探测输出信号延时为a，预期延时设置值为b，则所述反馈触发信号为：脉冲源29的脉冲输出延时增加b-a，脉冲源29根据所述反馈触发信号实时调整延时，使延时保证为预期延时设置值。

26、在其中一种可能的实现方式中，脉冲源29根据所述反馈触发信号分别调整第一声光调制器3与第一电光调制器22所需的脉宽参数及延时参数。

27、本发明的有益技术效果是：

28、本发明提出一种基于可控延时的瑞利和布里渊散射信号同步解调系统及方法，通过采集经光电探测器输出的光脉冲触发信号实时调整基于双波长的布里渊、瑞利同步解调系统中调制脉冲的输入时序，实现两个光脉冲在时序上相邻且完全分开，两个相互不重叠的脉冲之间不会产生相互干扰，且由于两个脉冲不重叠，各自的峰值功率都会降低，从而抑制非线性效应；本发明还提出两路信号的脉宽等参数单独控制，可实现瑞利和布里渊散射信号同步解调系统中布里渊和瑞利解调所得的解调结果具有不同的空间分辨率，由于布里渊和瑞利散射仅在脉冲内产生，根据实际需求在同一系统根据解调系统的不同输入不同的脉宽，实现不同的空间分辨率。本发明在不增加硬件成本的前提下，有效提高了光纤传感的测量精度和监测效率。