一种突破空间-频率限制关系的Φ-OTDR系统及其工作方法

本发明属于光纤传感，具体涉及一种突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法。

背景技术：

1、在光纤传感领域中，基于相位敏感光时域反射计(φ-otdr)的光纤传感系统具备连续分布式监测、高灵敏度并能实现光纤沿线实时监测的优点。目前已在周界安防、油气、地质勘探以及大型基础设施健康监测等领域得到了广泛应用。然而，由于系统设计以及器件工艺和物理特性影响，其性能存在局限性，难以满足一些应用领域的探测需求。目前主要的局限性包括：

2、一，传感距离和探测频率范围相互制约。这是因为单移频φ-otdr系统中，本质是以整个传感光纤作为传感元件，对光纤沿线进行离散采样，并确保相邻脉冲之间不重叠。因此，传感距离和探测频率范围存在以下制约关系：

3、

4、其中，fmax为单移频φ-otdr系统的探测频率范围，c为光速，n1为光纤纤芯折射率，l为传感光纤的长度。这表明，长传感距离和高探测频率范围是不能兼得的，长传感距离将导致低的探测频率范围，高的探测频率范围将导致短的传感距离，二者存在式(3)的空间-频率的制约关系。

5、二，外界扰动信号高保真还原难。由于背向瑞利散射光强度的分布特性，其曲线呈现锯齿状轮廊，背向瑞利散射光可能落入探测死区，出现干涉衰落。并且偏振态的随机变化也会引入偏振衰落。在这些衰落位置，背向瑞利散射光强度很小，几乎接近为零，其解调出的相位结果容易出现较大误差，外界扰动信号还原出现失真。这在一些对信号还原度要求较高的应用场景是难以被容忍的。

6、三，声光移频器晶体由于工艺与物理特性影响，个体之间存在差异，且存在响应时延，从而难以实现移频窄脉冲光，使φ-otdr空间分辨率受限。

7、文献《基于φ-otdr的光纤分布式宽频振动传感技术技术研究》提出了几种有效拓宽分布式振动传感系统频率响应的方法，分别通过调制脉冲的融合传感、时间复用的φ-otdr与干涉仪融合、频分复用、非均匀采样的技术实现突破φ-otdr的空间-频率限制关系。但是，提出的方法仅限于实现长距离、高频探测，并未涉及干涉、偏振等衰落噪声的抑制。在衰落噪声影响下可能出现外界扰动的误报，探测能力受限，仍存在进一步优化空间。

8、文献a visibility enhanced broadband phase-sensitive otdr based on theuwfbg array and frequency-division-multiplexing中提出了基于超微弱光纤布拉格光栅阵列和频分复用方案的φ-otdr系统。利用uwfbg阵列，降低瑞利后向散射波形上出现衰落位置的概率，提高外界扰动还原的保真度。通过频分复用交织算法提高采样率，拓展φ-otdr系统探测频率范围。然而，该研究仍具有以下的局限性。其一，该研究仅适用于短距离uwfbg阵列结构，不具有普适性，uwfbg阵列向长距离拓展时，光栅数量会大幅提升，产生的信号衰减将导致系统性能退化。其二，由于声光移频器的工艺与物理特性影响导致各声光移频器对输入脉冲响应特性不一致，各移频探测光并非严格按照输入调制脉冲的时序注入传感光纤，并且具有不一致的空间分辨率，这将影响还原外界扰动信号的质量。

9、综上所述，φ-otdr具备连续分布式监测、高灵敏度并能实现光纤沿线实时监测的优点，适用于周界安防、油气、地质勘探以及大型基础设施健康监测等场景，但由于存在传感距离和探测频率范围相互制约、外界扰动信号高保真还原难、声光移频器晶体工艺与物理特性导致空间分辨率受限的局限性，限制了φ-otdr在实际工程中的应用。

技术实现思路

1、解决的技术问题：由于系统设计以及器件工艺和物理特性影响，基于相位敏感光时域反射计(φ-otdr)的光纤传感系统存在传感距离和探测频率范围相互制约、外界扰动信号高保真还原难、声光移频器晶体工艺与物理特性导致空间分辨率受限的局限性等技术问题。针对前述技术问题，本发明公开了突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法，采用多频交织探测，突破φ-otdr系统的空间-频率限制关系，实现长距离、高频探测。结合偏振分集、频分复用对衰落噪声进行多重抑制，实现外界扰动信号的高保真还原。同时，利用声光移频器与半导体脉冲光放大器组合的方式克服声光移频器响应特性不一致的硬件问题，可使各频率获得一致的高空间分辨率。

2、技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统，所述φ-otdr系统包括激光器、1×2耦合器、多频率声光移频器、半导体脉冲光放大器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、偏振分集光电探测器、第一滤波器、第二滤波器、数据采集卡和驱动电路；

4、所述激光器发出连续激光，连续激光经过1×2耦合器分光为探测光和本征光；探测光经过多频率声光移频器，分别产生n个具有独立移频的脉冲光，经半导体脉冲光放大器斩波后通过掺铒光纤放大器放大后进入环形器，从环形器的第一端口注入传感光纤；传感光纤返回的背向瑞利散射光从环形器的第二端口到达偏振分集光电探测器的信号端，与同时到达偏振分集光电探测器的本征端的本征光拍频形成中频光信号；偏振分集探测器的探测带宽必须大于探测光最大移频量，偏振分集光电探测器输出具有两个偏振态的中频电信号，两个偏振态的中频电信号分别经过第一滤波器和第二滤波器抑制宽带噪声后，由数据采集卡双通道采集得到滤波后的两路中频电信号；数据采集卡同步输出时钟信号和脉冲信号至驱动电路，由驱动电路驱动多频率声光移频器和半导体脉冲光放大器。

5、进一步地，所述1×2耦合器采用保偏1×2耦合器。

6、进一步地，所述驱动电路包括第一脉冲控制电路、第二脉冲控制电路、调频载波生成电路、混频器和功放；

7、当长距离、高频探测时，驱动电路使用交织的高精度时序控制多频率声光移频器和半导体脉冲光放大器，驱动电路的时序控制流程为：在一个输入脉冲周期内，驱动电路接收数据采集卡输出的脉冲和时钟信号，并以时钟信号作为基准，通过调频载波生成电路，依次交织地生成移频频率不同、幅度一致的n个载波信号；

8、来自数据采集卡的脉冲信号分别经过两个脉冲控制电路，在一个输入脉冲周期内，经过第一脉冲控制电路后，依次交织地输出n个窄脉宽脉冲信号，用于驱动半导体脉冲光放大器。经过第二脉冲控制电路后，依次交织地输出n路宽脉宽脉冲信号；通过第一脉冲控制电路和第二脉冲控制电路，控制输出脉冲的脉宽和延迟；通过混频器将第二脉冲控制电路输出的n路脉冲信号与n个载波信号进行混频，经过功放放大生成幅度射频信号，使用幅度射频信号驱动多频率声光移频器；

9、当短距离探测、外界扰动信号高保真还原时，驱动电路使用同步的高精度时序控制多频率声光移频器和半导体脉冲光放大器，驱动电路的时序控制流程为：在一个输入脉冲周期内，驱动电路接收数据采集卡脉冲和时钟信号，并以时钟信号作为基准，通过调频载波生成电路，同步地生成幅度一致，移频频率不同的n个载波信号，并控制各自在时间上存在具有固定延迟；

10、来自数据采集卡的脉冲信号会分别经过两个脉冲控制电路，在一个输入脉冲周期内，经过第一脉冲控制电路后，同步地输出n个窄脉宽脉冲信号，用于驱动半导体脉冲光放大器。经过第二脉冲控制电路后，同步地输出n路宽脉宽脉冲信号；通过第一脉冲控制电路和第二脉冲控制电路，控制输出脉冲的脉宽和延迟；通过混频器将第二脉冲控制电路输出的n路宽脉宽脉冲信号与n个载波信号混频，经过功放后生成幅度射频信号，使用幅度射频信号驱动多频率声光移频器。

11、进一步地，所述驱动电路采用交织时序模式进行数据处理的流程如下：

12、对数据采集卡采集的中频数据作短时傅里叶变换，获取其频谱-时间的变化关系，判定注入传感光纤中移频探测光的顺序；

13、按照判定的注入传感光纤中移频探测光的顺序，抽取n个频率各自的中频信号，对相同移频频率的中频信号进行iq解调，复用优选各频率的两个偏振态结果，得到n个频率各异的偏振态优选结果；

14、对n个频率各异的偏振态优选结果进行差分运算，并根据判定的注入传感光纤中移频探测光的顺序进行插值和滤波，形成最终的解调结果，进而将探测频率范围或传感距离提升到单移频φ-otdr的n倍：

15、fmultiple＝nfsingle

16、其中fmultiple为n频φ-otdr探测频率范围或传感距离，fsingle为单移频φ-otdr探测频率范围或传感距离。

17、进一步地，所述驱动电路采用同步时序模式数据处理的流程如下：

18、根据驱动电路中载波信号的固定延迟，提取数据采集卡采集的各频率中频信号进行延迟修正，将其对齐；

19、同时对n频率中频信号进行iq解调，复用优选各频率的两个偏振态结果，得到n个频率各自的偏振态优选结果；

20、对n个频率各自的偏振态优选结果进行复用优选和滤波处理，对衰落噪声进行抑制。

21、第二方面，本发明公开了一种突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

22、驱使激光器发出连续激光，连续激光经过1×2耦合器分光为探测光和本征光；其中，探测光经过多频率声光移频器，分别产生n个具有独立移频的脉冲光，经半导体脉冲光放大器斩波后通过掺铒光纤放大器放大后进入环形器，从环形器的第一端口注入传感光纤；

23、传感光纤返回的背向瑞利散射光从环形器的第二端口到达偏振分集光电探测器的信号端，与同时到达偏振分集光电探测器的本征端的本征光拍频形成中频光信号；

24、偏振分集光电探测器输出具有两个偏振态的中频电信号，两个偏振态的中频电信号分别经过第一滤波器和第二滤波器抑制宽带噪声后，由数据采集卡双通道采集得到滤波后的两路中频电信号；

25、数据采集卡同步输出时钟信号和脉冲信号至驱动电路，由驱动电路驱动多频率声光移频器和半导体脉冲光放大器。

26、进一步地，当长距离、高频探测时，驱动电路使用交织的高精度时序控制多频率声光移频器和半导体脉冲光放大器，驱动电路的时序控制流程为：在一个输入脉冲周期内，驱动电路接收数据采集卡输出的脉冲和时钟信号，并以时钟信号作为基准，通过调频载波生成电路，依次交织地生成移频频率不同、幅度一致的n个载波信号；

27、来自数据采集卡的脉冲信号分别经过两个脉冲控制电路，在一个输入脉冲周期内，经过第一脉冲控制电路后，依次交织地输出n个窄脉宽脉冲信号，用于驱动半导体脉冲光放大器。经过第二脉冲控制电路后，依次交织地输出n路宽脉宽脉冲信号；通过第一脉冲控制电路和第二脉冲控制电路，控制输出脉冲的脉宽和延迟；通过混频器将第二脉冲控制电路输出的n路脉冲信号与n个载波信号进行混频，经过功放放大生成幅度射频信号，使用幅度射频信号驱动多频率声光移频器；

28、当短距离探测、外界扰动信号高保真还原时，驱动电路使用同步的高精度时序控制多频率声光移频器和半导体脉冲光放大器，驱动电路的时序控制流程为：在一个输入脉冲周期内，驱动电路接收数据采集卡脉冲和时钟信号，并以时钟信号作为基准，通过调频载波生成电路，同步地生成幅度一致，移频频率不同的n个载波信号，并控制各自在时间上存在具有固定延迟；

29、来自数据采集卡的脉冲信号会分别经过两个脉冲控制电路，在一个输入脉冲周期内，经过第一脉冲控制电路后，同步地输出n个窄脉宽脉冲信号，用于驱动半导体脉冲光放大器。经过第二脉冲控制电路后，同步地输出n路宽脉宽脉冲信号；通过第一脉冲控制电路和第二脉冲控制电路，控制输出脉冲的脉宽和延迟；通过混频器将第二脉冲控制电路输出的n路宽脉宽脉冲信号与n个载波信号混频，经过功放后生成幅度射频信号，使用幅度射频信号驱动多频率声光移频器。

30、进一步地，所述驱动电路采用交织时序模式进行数据处理的流程如下：

31、对数据采集卡采集的中频数据作短时傅里叶变换，获取其频谱-时间的变化关系，判定注入传感光纤中移频探测光的顺序；

32、按照判定的注入传感光纤中移频探测光的顺序，抽取n个频率各自的中频信号，对相同移频频率的中频信号进行iq解调，复用优选各频率的两个偏振态结果，得到n个频率各异的偏振态优选结果；

33、对n个频率各异的偏振态优选结果进行差分运算，并根据判定的注入传感光纤中移频探测光的顺序进行插值和滤波，形成最终的解调结果，进而将探测频率范围或传感距离提升到单移频φ-otdr的n倍：

34、fmultiple＝nfsingle

35、其中fmultiple为n频φ-otdr探测频率范围或传感距离，fsingle为单移频φ-otdr探测频率范围或传感距离。

36、进一步地，所述驱动电路采用同步时序模式数据处理的流程如下：

37、根据驱动电路中载波信号的固定延迟，提取数据采集卡采集的各频率中频信号进行延迟修正，将其对齐；

38、同时对n频率中频信号进行iq解调，复用优选各频率的两个偏振态结果，得到n个频率各自的偏振态优选结果；

39、对n个频率各自的偏振态优选结果进行复用优选和滤波处理，对衰落噪声进行抑制。

40、有益效果：

41、第一，本发明的突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法，可实现兼顾长距离、高频探测和外界扰动信号的高保真还原。在长距离应用，通过偏振分集、多频交织探测的方式，突破空间-频率限制关系，实现长距离、高频探测。在短距离应用，通过偏振分集、多频同步探测、复用，对衰落噪声的多重抑制，实现外界扰动的高保真还原。

42、第二，本发明的突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法，多频率同步、交织探测的时序控制仅通过驱动电路就可实现，不需要使用额外器件。

43、第三，本发明的突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法，可克服声光移频晶体由工艺与物理特性导致的响应时延与响应宽度不一致的硬件问题，实现一致的高空间分辨率。

44、第四，本发明的突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法，具有普适性，拓宽了φ-otdr系统在长距离传感和高保真信号还原的应用。

45、第五，本发明的突破空间-频率限制关系的φ-otdr系统及其工作方法，不会给系统引入额外的损耗和噪声，可以有效保证系统的性能。