一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统及方法

本发明涉及光纤传感，尤其涉及一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统及方法。

背景技术：

1、分布式光纤声波传感(distributed acoustic sensing，das)的感知参量为振动声波信号，因此，传感光缆无需与被测对象紧密接触，可以通过介质传播的声场信号实现对目标状态的感测。通过对大型基础设施振动声波的检测，不仅可以捕捉结构损伤信息，还可以准确还原振源的特征和信息，定量揭示这些大型设施服役期间的损伤演化规律和失效机理。为此，das被认为最具实用价值的大型基础设施无损检测分布式光纤传感技术。

2、当前基于分立器件的das设备性能包络线与典型应用的需求之间存在着较大的失配，das系统中的传感距离、频率响应、动态范围与灵敏度受其底层机理限制，总存在着相互制约的关系。而对各类大型设施的早期风险预警通常均需要动态响应、大动态范围与高灵敏度，此外，在一些复杂环境下，对系统的信号保真度、感测灵敏、体积、重量、功耗、环境适应性等性能提出了更高的要求。

3、因此，提出一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统及方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统及方法，解决现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统，包括：低压直流综合电驱模块，以及依次连接的光发射芯片、光放大耦合模块、光接收芯片、信号调理与采集芯片、数字信号处理芯片；

4、其中，光发射芯片，用于合成das系统所需要的包含多个不同波长的脉冲序列；

5、光放大耦合模块，包括依次连接的光功率放大器、光环形器和光低噪声放大器，其中，光环形器还连接有一传感光纤；光功率放大器，与脉冲光调制器连接，用于提升脉冲峰值功率；通过光环形器注入传感光纤，由于多个波长的脉冲交织注入传感光纤，经光环形器返回的背向散射信号也包含多个波长，背向散射光信号通过光低噪声放大器进行放大，得到经过光低噪声放大后的多波长光信号；

6、光接收芯片，用于对波分复用机制下多路散射光的分离与探测，得到光电探测信号；

7、信号调理与采集芯片，用于对光电探测信号进行放大、滤波和量化，得到独立的n路解调结果；

8、数字信号处理芯片，用于对背向散射光信号携带物理参量的解调、高维特征提取与模式识别、人机交互与数据通信；

9、低压直流综合电驱模块，用于对光发射芯片、光放大耦合模块、光接收芯片、信号调理与采集芯片、数字信号处理芯片的驱动及控制。

10、上述的系统，可选地，光发射芯片包括依次连接的窄线宽光源阵列和脉冲光调制器；

11、窄线宽光源阵列，用于输出不同频率的脉冲光；

12、脉冲光调制器，用于对窄线宽光源阵列输出的不同频率的脉冲光进行处理，从而得到波分交织多域复用测量机制下的探测光脉冲，包括单边带调频和强度调制脉冲整形两部分。

13、上述的系统，可选地，采用基于串行级联调制方式对脉冲光进行处理，使得消光比满足das系统要求，具体包含如下步骤：

14、1)窄线宽光源阵列内部的每一个激光器在时间域上等间隔交替打开，形成宽度us级别的脉冲，以重构-等效啁啾光栅rec技术，实现对激光器中心波长精准调控；

15、2)多波长激光器阵列产生的n个波长的脉冲由波分复用器进行合并，交织为单路的脉冲序列；

16、3)通过时间上同步的外调制，将脉冲光内部频率稳定的区域切分为对称的两半，将其中的后一半脉冲频率搬移δf，至此在单个脉冲内部，形成了频率连续变化的啁啾区域，以及频率分别为f和f+δf的2个稳定区域；

17、4)采用宽带的马赫-曾德mz调制器结构，通过精确平衡马赫-曾德干涉仪两臂的损耗，实现对激光器阵列芯片提供的多个波长脉冲信号同时进行高消光比的脉冲整形，切除啁啾区域，并将频率稳定区域进一步斩波为矩形系数更好，频率分为f和f+δf的2个子脉冲，产生的2个子脉冲各自脉宽降低到数十ns量级，间隔为数百ns量级。

18、上述的系统，可选地，两个子脉冲其频率差δf和脉冲宽度τ满足如下关系：

19、

20、上述的系统，可选地，光接收芯片包括波分解复用器、多个与波分解复用器并行连接的光电探测器；

21、波分解复用器与光低噪声放大器连接；

22、波分解复用器将经过光低噪声放大后的多波长光信号分离为独立的n路输出，而后由多个并联设置的光电探测器进行光电转换为电信号。

23、上述的系统，可选地，信号调理与采集芯片包括多条与光电探测器数量相同的信号调理与采集支路，每条信号调理与采集支路包括依次连接的跨阻放大器、带通滤波器和模数转换器；跨阻放大器与光电探测器对应连接。

24、上述的系统，可选地，数字信号处理芯片包括依次连接的数字解调、可重构神经网络、微处理器内核。

25、上述的系统，可选地，光发射芯片采用化合物半导体工艺生成，光接收芯片采用硅光工艺生成，光发射芯片和光接收芯片内部各功能部件之间，以及光发射芯片和光接收芯片到单模光纤之间均采用光学引线键合photonic wire bonding，pwb的方式；

26、光发射芯片与光接收芯片在空间上布局接近，归并到统一的封装；封装后的电学引脚通过焊线机直接绑定在电路板上；

27、将光发射芯片、光接收芯片、光放大耦合模块中的泵浦光源，集中在电路板上一个设定的区域，统一进行恒温控制；

28、低压直流综合电驱模块对系统内的发射芯片、光放大耦合模块、光接收芯片、信号调理与采集芯片、数字信号处理芯片进行集中调度，功能包括温度控制、异常保护、增益稳定、电源驱动、时序控制，还包括人机界面、看门狗、低功耗休眠、高精度参考的专用功能。

29、上述的系统，可选地，信号调理与采集芯片、数字信号处理芯片以混合电路和纯数字电路的2片单芯片形式，焊接在电路板上，通过电路板微带线实现互联。

30、一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感方法，应用于上述任一项所述的一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统，包括以下步骤：

31、s1：由光发射芯片输出在时间维度上有一定序列的n个波长的光信号，且每个波长的光信号是频率包含f和f+δf的2个成分的子脉冲，存在百ns量级的间隔；

32、s2：光信号通过功率放大器提升脉冲峰值功率，经过光环形器后注入传感光缆；

33、s3：携带有事件信息的背向散射光信号经光环形器返回，由光低噪声放大器进行放大；

34、s4：在光接收芯片中以波分解复用器分离为独立的n路输出，每一路输出的光信号为f和f+δf两个频率成分的背向散射光信号的叠加；

35、s5：在光接收芯片中以探测器阵列分别对各个波长的信号进行光电转换，记录得到携带相位信息的拍频信号；

36、s6：光电转换后的电信号由信号调理与采集芯片完成放大、滤波和量化，并送交数字信号处理芯片；

37、s7：由数字信号处理芯片对多路频分交织获得的传感数据进行处理、重构。

38、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于光子集成的长距离宽频响分布式光纤声波传感系统及方法，具有以下有益效果：

39、(1)采用光子集成路线，das系统的核心功能部件采用单片集成的方式，各芯片间及芯片到单模光纤之间通过光学引线键合，极大的提高了das在不同应用场景下所面临的体积、重量、功耗、可靠性、环境适应性等方面的要求；

40、(2)本系统采用激光器阵列芯片和阵列探测器实现波分交织机制，突破了传感距离与探测脉冲光发射频率间的制约，可以使用更高的脉冲发射频率，提升传感仪器的频率响应上限、动态范围和探测灵敏度；

41、(3)通过对顶层的传感系统方案进行优化，采用外调制脉冲整形、串行级联调制等方案，大大降低了现有技术手段对光源线宽的苛刻要求，同时等效获得高消光比的探测光脉冲，使得光子集成芯片的性能指标满足das系统要求；

42、(4)系统解调后的信息包含波长、空间、时间3个维度，通过多路同步独立测量结果间的连续动态优选，可以抑制衰落噪声的影响，高精度重构信号，提升了信号的灵敏度；

43、(5)系统内各模块的驱动及电源从功能角度进行了归并，统一采用低压直流供电、各模块进行集中调度，避免了现有方案的功能冗余，抑制了干扰，降低了体积与功耗。