本发明专利技术公开了一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，涉及光纤传感测量技术领域，其方法步骤包括：将啁啾脉冲信号注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号的相干瑞利散射信号；基于相干瑞利散射信号，采用子啁啾脉冲提取算法获取子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应；基于子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应分别获取光纤未受到扰动时和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样；基于光纤未受到扰动时和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样，通过合适的延迟估计算法获取光纤扰动信息。本发明专利技术还同时公开了一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统。本发明专利技术通过子啁啾脉冲提取过程代替扫频过程获取瑞利散射信号，能够提高光纤传感系统的测量速度和测量动态范围。
A COTDR Measurement Method and System Based on Subchirped Pulse Extraction
【技术实现步骤摘要】
一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统
本专利技术涉及光纤传感测量
，尤其涉及一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统。
技术介绍
基于瑞利散射的光时域反射计是分布式传感领域中一个十分重要的分支，其具有测量精度高、测量点数多、测量距离长等优点。按照对于传感信号解调方式，可将基于瑞利散射的光时域反射计分为两大类：相位解调型和频率解调型。相位解调型的主要应用是相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)；频率解调型的主要应用是相干光时域反射计(COTDR)。其中，针对现有的相干光时域反射计COTDR，每次测量都需要通过扫频来得到完整的瑞利散射图样，这极大地降低了测量速度，使COTDR仅能用于进行静态或准静态测量。目前已有几种提升COTDR测量速度的方法。例如，2016年，西班牙阿尔卡拉大学研究人员提出一种基于啁啾脉冲和直接探测的单次测量方案，该方案提出，在外界扰动(主要是温度和应变)引起的散射信号频移较小的情况下，可以通过啁啾脉冲的时延来对频移进行补偿，从而实现只注入一个啁啾脉冲就得到瑞利散射图样。但这种方法可测量的频移范围比较小，仅有啁啾脉冲扫频范围的2-3％，无法测量速度快、范围大的外界扰动；并且该方法在应变分辨率、采样率、扫频范围和脉宽等参数上具有相互制约的关系，因此缺乏灵活性，只有在采样率非常高的情况下才有比较好的测量结果。又例如，2018年，德国联邦材料研究与测试研究所通过使用快速扫频的直调激光器在几公里的光纤范围内实现了千赫兹(KHz)频率级的重复率测量；但该方法也不能避免耗时的扫频过程。由此可见，有必要提出一种新型的测量方法，既能避免耗时的扫频过程，又能实现对变化速度快、变化范围大的外界扰动测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为了解决现有相干光时域反射计测量速度慢、测量范围小的技术问题，提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统。本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，包括以下步骤：步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；步骤3、基于子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。进一步地，步骤1具体包括：步骤1.1、使用耦合器将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块调制为啁啾脉冲p(t)，另一个分路信号输入至相干检测模块作为本振信号；步骤1.2、啁啾脉冲p(t)经光环形器注入待检测光纤，由此产生的瑞利散射信号由光环形器发送至相干检测模块；步骤1.3、相干检测模块基于本振信号和瑞利散射信号获取相干瑞利散射信号s(t)。进一步地，调制模块的组成包括：能输出双路正交扫频信号的信号源和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；或者，能单路输出扫频信号的信号源、电学90°电桥和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；或者，能单路输出扫频信号的信号源、马赫·增德尔调制器MZM和光学滤波器；或者，基于傅里叶域锁模的微波光子振荡器。进一步地，相干探测模块的组成包括：耦合器、光电探测器和信号采样设备；或者，90°光学混频器、光电探测器和信号采样设备。进一步地，信号采样设备包括：示波器或数据采集卡。进一步地，步骤2具体包括：步骤2.1、根据测量需求，在数字域上生成一系列的子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)；子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)的特征为：频率范围在啁啾脉冲p(t)的频率范围内；持续时间比p(t)的持续时间短；pi(t)的起始频率为f0+i△f，其中f0为啁啾脉冲p(t)的起始频率，△f为子啁啾脉冲的起始频率间隔；步骤2.2、计算数字域上的子啁啾脉冲pi(t)的转换函数其中，pi(ω)是pi(t)的频域表达式，p(ω)是p(t)的频域表达式；步骤2.3、将数字域的相干瑞利散射信号s(t)转换到频域，然后和转换函数hi(ω)相乘并转换到时域，得到时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应，对时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应做取模运算，得到相干瑞利散射图样进一步地，步骤3具体包括：基于相干的瑞利散射响应图样和分别获取同一采样点上光纤未受到扰动时和受到扰动时的两个信号曲线；采用延迟估计算法计算两个信号之间的延迟，基于延迟与扰动的正比关系获取扰动信息；遍历光纤中所有采样点，获取光纤的扰动情况。进一步地，第一方面的测量方法还包括：通过改变激光器的频率，获取大频率范围的瑞利散射参考图样，具体步骤如下：设置激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(0)(t)；调整激光信号源的工作频率为ν0+iB，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(i)(t)；其中，i＝±1,±2,…,±N，N为正整数，啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B；采用子啁啾脉冲提取算法分别从s(0)(t)和s(i)(t)中提取所有域的子啁啾脉冲瑞利散射响应，得到扩充瑞利散射参考图样调整激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤受到扰动时的动态瑞利散射参考图样进一步地，调整激光信号源工作频率的方法，包括：采用激光器直接调制；或者，采用外部调制器调制单频连续光的射频信号；或者，采用微波光子振荡器调制。第二方面，本专利技术提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统，包括：处理器、存储器和通信总线；其中，所述通信总线，用于实现所述处理器和所述存储器之间的通信连接；所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量程序；所述处理器，用于实现以下方法步骤：步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；步骤3、基于子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。采用上述方案后，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术使用子啁啾脉冲提取算法避免了现有技术中相干光时域反射计的耗时扫频过程，提高了系统测量效率。2、本专利技术能够充分利用啁啾脉冲扩大扫频范围，实现更大范围的外界扰动测量。3、本专利技术可实现数倍于探测器带宽的瑞利散射参考图样测量，从而使得相干光时域反射计系统的测量动态范围也呈倍数级扩大。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取所述啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；步骤2、基于所述相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；步骤3、基于所述子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样
【技术特征摘要】
1.一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取所述啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；步骤2、基于所述相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；步骤3、基于所述子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于所述相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤1.1、使用耦合器将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块调制为啁啾脉冲p(t)，另一个分路信号输入至相干检测模块作为本振信号；步骤1.2、所述啁啾脉冲p(t)经光环形器注入待检测光纤，由此产生的瑞利散射信号由光环形器发送至所述相干检测模块；步骤1.3、所述相干检测模块基于所述本振信号和所述瑞利散射信号获取所述相干瑞利散射信号s(t)。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述调制模块的组成包括：能输出双路正交扫频信号的信号源和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；或者，能单路输出扫频信号的信号源、电学90°电桥和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；或者，能单路输出扫频信号的信号源、马赫·增德尔调制器MZM和光学滤波器；或者，基于傅里叶域锁模的微波光子振荡器。4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述相干探测模块的组成包括：耦合器、光电探测器和信号采样设备；或者，90°光学混频器、光电探测器和信号采样设备。5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述信号采样设备包括：示波器或数据采集卡。6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1、根据测量需求，在数字域上生成一系列的所述子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)；所述子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)的特征为：频率范围在啁啾脉冲p(t)的频率范围内；持续时间比p(t)的持续时间短；pi(t)的起始频率为f0+i△f，其中f0为啁啾脉冲p(t)的起始频率，△f为子啁啾脉冲的起始频率间隔；步骤2.2、计算所述数字域上的子啁啾脉冲pi(t)的转换函数其中，pi(ω)是pi(t)的频域表达式，p(ω)是p(t)的频...
【专利技术属性】
技术研发人员：王子南，熊吉，吴悦，饶云江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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