本實(shí)用新型涉及的是一種光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種分布式光纖傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自從20世紀(jì)70年代光纖被實(shí)用新型以來(lái)，光纖傳感技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展。除了可以用于遠(yuǎn)距離高速率通信，光纖也具備感知外部物理參數(shù)的能力。利用這種敏感的特性，研究人員實(shí)用新型了一系列的光纖傳感器件。其中分布式光纖振動(dòng)傳感器是最近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。它相比于傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器具有很多優(yōu)勢(shì)，比如：防水防潮；抗電磁干擾；使用安全；最重要的是，具有分布式傳感和遠(yuǎn)距離傳感的能力。

目前使用最廣泛、研究最多的是基于光時(shí)域反射儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)，因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)緊湊、解調(diào)算法簡(jiǎn)單、定位精度高、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。但是有兩個(gè)重大缺陷：一、系統(tǒng)的振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬和傳感距離是矛盾的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的基于光時(shí)域反射儀的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)帶寬是系統(tǒng)發(fā)射探測(cè)脈沖頻率的一半，而發(fā)射探測(cè)脈沖頻率的倒數(shù)，即探測(cè)脈沖發(fā)射時(shí)間間隔，必須大于光在整段傳感光纖中來(lái)回傳輸?shù)臅r(shí)間，所以傳感光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，振動(dòng)響應(yīng)帶寬越小，反之亦然。這個(gè)缺陷嚴(yán)重地限制了該類分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在高頻率振動(dòng)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。二、系統(tǒng)的空間分辨率和最大探測(cè)距離是矛盾的。要想獲得高的空間分辨率，探測(cè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間必須很短，這導(dǎo)致探測(cè)光脈沖的功率很低，進(jìn)而限制了探測(cè)距離。

針對(duì)振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬和傳感距離的矛盾，目前有如下幾種解決方案：基于光頻域反射儀的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，雖然能獲取高頻率振動(dòng)的頻率信息，但是無(wú)法獲得振動(dòng)的時(shí)域信息；基于干涉儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)，雖然能獲得很大的振動(dòng)頻率響應(yīng)范圍，但是該類系統(tǒng)有解調(diào)算法復(fù)雜、定位精度差等缺點(diǎn)；基于干涉儀和光時(shí)域反射儀融合結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，雖然獲得了兩類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但是系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且傳感光纖需要為環(huán)形結(jié)構(gòu)，不能單端測(cè)量；基于頻分復(fù)用技術(shù)和光時(shí)域反射儀的分布式傳感系統(tǒng)，綜合性能(空間分辨率、可測(cè)量范圍、信噪比)仍然有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)較多探測(cè)脈沖發(fā)射頻率受限于傳感距離，且采用的入侵位置算法基于基于強(qiáng)度解調(diào)，其信噪比較低的同時(shí)無(wú)法消除偏振衰落和干涉衰落噪聲，易使相位解調(diào)出的振動(dòng)波形信息出錯(cuò)等缺陷，提出一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，通過(guò)產(chǎn)生光頻率梳信號(hào)，結(jié)合可消干涉衰落和偏振衰落的相位解調(diào)算法，消除傳感光纖的反射率曲線上的極弱反射點(diǎn)，提高信噪比和定位精度；通過(guò)頻分復(fù)用技術(shù)成倍擴(kuò)大了振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬，發(fā)射的掃頻光脈沖解決了空間分辨率和探測(cè)距離的矛盾。

本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型涉及一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括：信號(hào)發(fā)生器、光源、光頻率梳生成器、掃頻切串器、光環(huán)形器、傳感光纖、拍頻器、光電轉(zhuǎn)換器和檢測(cè)定位器，其中：信號(hào)發(fā)生器分別與掃頻切串器、光頻率梳生成器以及檢測(cè)定位器相連，光源分別與光頻率梳生成器和拍頻器相連，光頻率梳生成器的輸出端與掃頻切串器相連、環(huán)形器和傳感光纖依次連接，傳感光纖的輸出端與環(huán)形器、拍頻器和光電轉(zhuǎn)換器依次連接，光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與檢測(cè)定位器相連。

所述的信號(hào)發(fā)生器包括：任意信號(hào)發(fā)生器和兩個(gè)射頻信號(hào)放大器，其中：兩個(gè)射頻信號(hào)放大器分別與任意信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)輸出通道相連。

所述的任意信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個(gè)通道輸出單頻正弦波信號(hào)。

所述的掃頻射頻脈沖序列包括：多個(gè)等時(shí)間間距、相同脈沖寬度、不同且無(wú)重疊的掃頻范圍的掃頻射頻脈沖信號(hào)。

所述的時(shí)間間距與掃頻射頻脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)的乘積等于光在傳感光纖中的來(lái)回傳輸時(shí)間。

所述的光源包括：依次相連的窄線寬光纖激光器、光纖耦合器和偏振控制器。

優(yōu)選地，所述的光纖耦合器的分光比為90∶10。

所述的光頻率梳生成器包括：直流電壓源和光調(diào)制器，其中：直流電壓源調(diào)整輸入光調(diào)制器的直流偏置電壓，并產(chǎn)生光頻率梳信號(hào)。

所述的光調(diào)制器為光強(qiáng)度調(diào)制器或光相位調(diào)制器。

所述的掃頻切串器包括：相連的聲光調(diào)制器/單邊帶調(diào)制器和摻餌光纖放大器。

所述的傳感光纖為單模通信光纖。

所述的拍頻器為50∶50光纖耦合器。

所述的光電轉(zhuǎn)換器為平衡探測(cè)器。

所述的檢測(cè)定位器包括：相連的數(shù)據(jù)采集卡和定位電路，其中：數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸入定位電路進(jìn)行相位解調(diào)。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型可同時(shí)獲得高空間分辨率和長(zhǎng)探測(cè)距離，成倍擴(kuò)大了振動(dòng)頻率的響應(yīng)帶寬，并且可有效消除反射率曲線上的極弱點(diǎn)，進(jìn)而消除相位解調(diào)錯(cuò)誤，達(dá)到提高信噪比、精確檢測(cè)和定位振動(dòng)點(diǎn)的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為分布式光纖傳感系統(tǒng)示意圖；

圖2為掃頻探測(cè)光脈沖信號(hào)的時(shí)頻曲線；

圖3為實(shí)施例1中探測(cè)到的振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形圖；

圖中：1為任意信號(hào)發(fā)生器、2、3為射頻信號(hào)放大器、4為窄線寬光纖激光器、5為光纖耦合器、6為偏振控制器、7為直流電壓源、8為光調(diào)制器、9為聲光調(diào)制器、10為摻餌光纖放大器、11為光環(huán)形器、12為傳感光纖、13為50∶50光纖耦合器、14為平衡探測(cè)器、15為數(shù)據(jù)采集卡、16為定位電路。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例包括：信號(hào)發(fā)生器、光源、光頻率梳生成器、掃頻切串器、光環(huán)形器11、傳感光纖12、拍頻器、光電轉(zhuǎn)換器和檢測(cè)定位器，其中：信號(hào)發(fā)生器分別與掃頻切串器、光頻率梳生成器以及檢測(cè)定位器相連；光源分別與光頻率梳生成器和拍頻器相連；光頻率梳生成器向掃頻切串器輸入光頻率梳信號(hào)，掃頻切串器輸出放大的掃頻探測(cè)光脈沖串，經(jīng)過(guò)光環(huán)形器11的a端口輸入并通過(guò)b端口輸出至傳感光纖12；傳感光纖12產(chǎn)生的瑞利背向散射光經(jīng)光環(huán)形器11的b端口輸入光環(huán)形器11并通過(guò)c端口輸入拍頻器，與參考光在拍頻器中拍頻，產(chǎn)生的拍頻光信號(hào)輸入光電轉(zhuǎn)換器；光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與檢測(cè)定位器相連。

所述的信號(hào)發(fā)生器包括：任意信號(hào)發(fā)生器1和兩個(gè)射頻信號(hào)放大器2、3，其中：兩個(gè)射頻信號(hào)放大器2、3分別與任意信號(hào)發(fā)生器1的兩個(gè)輸出通道相連。

所述的任意信號(hào)發(fā)生器1的一個(gè)通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個(gè)通道輸出單頻正弦波信號(hào)。

所述的重復(fù)輸出的掃頻射頻脈沖序列的重復(fù)次數(shù)L＝16，包括：N＝5個(gè)等時(shí)間間距T(20μs)、相同脈沖寬度τ_P(2μs)、不同且無(wú)重疊的掃頻范圍：150～170MHz、170～190MHz、190～210MHz、210～230MHz和230～250MHz的掃頻射頻脈沖信號(hào)。

所述的時(shí)間間距T與掃頻射頻脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)N的乘積NT等于光在傳感光纖12中的來(lái)回傳輸時(shí)間，即100μs。

所述的單頻正弦波信號(hào)的頻率為100MHz。

所述的光源包括：依次相連的窄線寬光纖激光器4、光纖耦合器5和偏振控制器6。

所述的光纖耦合器5的分光比為90∶10。

所述的窄線寬光纖激光器4的線寬為1kHz。

所述的光頻率梳生成器包括：直流電壓源7和光調(diào)制器8，其中：直流電壓源7調(diào)整輸入光調(diào)制器8的直流偏置電壓，并產(chǎn)生光頻率梳信號(hào)。

所述的光頻率梳信號(hào)為輸入光調(diào)制器8的探測(cè)光和單頻正弦波信號(hào)產(chǎn)生的2M+1＝3個(gè)光頻率成分的光頻率梳信號(hào)，其中：M為光調(diào)制器8產(chǎn)生的邊帶階數(shù)。

所述的光調(diào)制器8為光強(qiáng)度調(diào)制器。

所述的掃頻切串器包括：相連的聲光調(diào)制器9和摻餌光纖放大器10。

如圖2所示，所述的掃頻切串器輸出的掃頻探測(cè)光脈沖串的時(shí)間間距T＝20μs，脈沖寬度τ_P＝2μs，掃頻范圍F1為50～70MHz、70～90MHz、90～110MHz、110～130MHz、130～150MHz，F(xiàn)2為150～170MHz、170～190MHz、190～210MHz、210～230MHz、230～250MHz，F(xiàn)3為250～270MHz、270～290MHz、290～310MHz、310～330MHz、330～350MHz。

所述的傳感光纖12為單模通信光纖，全長(zhǎng)為10km。

所述的拍頻器為50∶50光纖耦合器13。

所述的光電轉(zhuǎn)換器為平衡探測(cè)器14。

所述的平衡探測(cè)器14的帶寬為400MHz。

所述的檢測(cè)定位器包括：相連的數(shù)據(jù)采集卡15和定位電路16，其中：數(shù)據(jù)采集卡15對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸入定位電路16進(jìn)行相位解調(diào)。

所述的數(shù)據(jù)采集卡15的采樣率t_s為1GSa/s，分辨率為8bit。

本實(shí)施例涉及基于上述系統(tǒng)的檢測(cè)定位方法，包括以下步驟：

步驟1、定位電路16將數(shù)據(jù)采集卡15采樣的來(lái)自NL個(gè)掃頻探測(cè)光脈沖的原始數(shù)據(jù)段按時(shí)間順序標(biāo)記，即：{x_n(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL，其中：K為來(lái)自1個(gè)掃頻探測(cè)光脈沖的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量；并產(chǎn)生2M+1個(gè)頻段不同且無(wú)重疊的數(shù)字帶通濾波器{h_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,...,NL；m＝1,…,2M+1，將標(biāo)記后的原始數(shù)據(jù)段分成2M+1個(gè)子數(shù)據(jù)段再行標(biāo)記，即：{x_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL；l＝1,…,2M+1。

步驟2、將上一步驟得到的NL(2M+1)個(gè)子數(shù)據(jù)段與各自對(duì)應(yīng)的數(shù)字匹配濾波器{h_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,...,NL；m＝1,…,2M+1作互相關(guān)運(yùn)算，得到傳感光纖12的NL(2M+1)條反射率曲線。

所述的反射率曲線的表達(dá)式為其中：κ為索引符號(hào)，*表示共軛，得到的反射率均為復(fù)數(shù)。

所述的反射率曲線上存在干涉衰落和偏振衰落。

由于兩個(gè)相鄰的探測(cè)光脈沖之間的時(shí)間間距T，遠(yuǎn)小于NT，即小于光在傳感光纖12中最大的來(lái)回傳輸時(shí)間，所以兩個(gè)相鄰的探測(cè)光脈沖的瑞利背向散射光是在時(shí)間上是有一段重合的。但是因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰的探測(cè)光脈沖的頻率不同，對(duì)應(yīng)的匹配濾波器也不同，所以可以用帶通濾波器和匹配濾波器抑制與之不匹配的探測(cè)光脈沖的背向反射信號(hào)，達(dá)到分離背向散射光信號(hào)的目的。

步驟3、取來(lái)自標(biāo)記為1的掃頻探測(cè)光脈沖的反射率曲線{R_1,m(k)；k＝1,…,K}；m＝1,…,2M+1的共軛作為參考，與其他反射率曲線相乘，得到NL(2M+1)條相位歸零的反射率曲線：

步驟4、對(duì)上一步驟得到的相位歸零的反射率曲線作平均運(yùn)算，得到NL條無(wú)干涉衰落和偏振衰落的綜合反射率曲線：

步驟5、取上一步驟得到的NL條綜合反射率曲線的相位項(xiàng)，得到NL條相位曲線：{φ_n(k)＝angle[r_n(k)]；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL。

對(duì)步驟3～5解釋如下：以n＝1時(shí)為例，2M+1條反射率曲線{R_1,m(k)；k＝1,…,K}；m＝1,…,2M+1解調(diào)自同一個(gè)掃頻探測(cè)光脈沖的瑞利背向散射光的2M+1個(gè)部分，這2M+1條反射率曲線上都存在著嚴(yán)重的干涉衰落和偏振衰落點(diǎn)，這些衰落點(diǎn)的反射率的模值很小，受噪聲影響，這些點(diǎn)的相位解調(diào)會(huì)出錯(cuò)。但因?yàn)檫@2M+1個(gè)部分的頻率各不相同，所以這2M+1條反射率曲線也各不相同，即干涉衰落和偏振衰落導(dǎo)致的極弱點(diǎn)在這2M+1條反射率曲線上的位置也各不相同。對(duì)這2M+1條反射率曲線做平均運(yùn)算便能夠消除這些極弱點(diǎn)，從而消除這些點(diǎn)上出現(xiàn)的相位解調(diào)錯(cuò)誤。但是由于反射率是復(fù)數(shù)，由復(fù)數(shù)加法的知識(shí)可知，復(fù)數(shù)相加的結(jié)果的模值不一定變大，有時(shí)會(huì)變小。為了使反射率相加后的模值最大化，需要先旋轉(zhuǎn)反射率，使它們的夾角歸零，然后再相加。

步驟6、對(duì)上一步驟得到的NL條相位曲線時(shí)延D個(gè)單位，再將時(shí)移前后的相位曲線作差分，得到NL條差分相位曲線：{Δφ_n(k)＝φ_n(k)-φ_n(k-D)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL。

步驟7、對(duì)上一步驟得到的NL條差分相位曲線求方差，得到其相位方差曲線：

步驟8、如果上一步驟得到的相位方差曲線中k＝k₀處的方差大于0.02，則該點(diǎn)為振動(dòng)點(diǎn)，它在傳感光纖12上的位置為：其中：c'為光在光纖中的傳播速度，t_s為數(shù)據(jù)采集卡15的采樣率，k₀為振動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的索引值；振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形為步驟6得到的NL條差分相位曲線中k＝k₀處的差分相位組成的新序列：

本實(shí)施例的空間分辨率Δz由掃頻探測(cè)光脈沖的掃頻范圍決定，即其中：γ為掃頻速度。

本實(shí)施例的振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬由掃頻探測(cè)光脈沖的發(fā)射時(shí)間間隔決定，為1/2T。相比于傳統(tǒng)方案，理論上振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬增加N倍。

本實(shí)施例設(shè)置一個(gè)振動(dòng)點(diǎn)，在傳感光纖12的9.93km處發(fā)生頻率為21kHz的單頻振動(dòng)，振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)覆蓋范圍為10m。

本實(shí)施例中，K＝100000，N＝5，L＝16，NL＝80，M＝1，D＝100；三個(gè)數(shù)字帶通濾波器的頻段的帶寬分別為50～150MHz、150～250MHz和250～350MHz；則80個(gè)掃頻探測(cè)光脈沖的原始數(shù)據(jù)段按時(shí)間順序標(biāo)記為{x_n(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,80，分成的80×3＝240個(gè)子數(shù)據(jù)段標(biāo)記為{x_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,80；m＝1,2,3。

本實(shí)施例得到的反射率曲線為：相位歸零的反射率曲線為綜合反射率曲線為相位曲線為{φ_n(k)＝angle[r_n(k)]；k＝1,…,100000}；n＝1,…,80，差分相位曲線為{Δφ_n(k)＝φ_n(k)-φ_n(k-100)；k＝1,…,100000}；n＝1,…,80，相位方差曲線為

在相位方差曲線中，k₀＝99300處的方差大于0.02，可判定該點(diǎn)為振動(dòng)點(diǎn)，振動(dòng)點(diǎn)在傳感光纖12上的位置即為這與設(shè)定的振動(dòng)位置相吻合。振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形為{Δφ₉₈₃₀₀(n)；n＝1,…,80}，如圖3所示，獲取的振動(dòng)波形的信噪比達(dá)到25dB。

本實(shí)施例突破了傳感光纖12的長(zhǎng)度對(duì)振動(dòng)頻率響應(yīng)范圍的限制：由于傳感光纖12全長(zhǎng)為10km，在傳統(tǒng)的基于光時(shí)域反射儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，最大可測(cè)量的振動(dòng)頻率只有5kHz，而本實(shí)施例成功測(cè)量到21kHz的振動(dòng)頻率，且具有高信噪比。