一种分布式超高速扰动定量检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种分布式超高速扰动定量检测方法，通过时分复用方法可以实现超高速的扰动检测；通过希尔伯特变换、正交变换等相位解调方法进行相位解调可以实现对扰动位置、频率和振幅的实时检测。本发明专利技术还公开了一种分布式超高速扰动定量检测装置，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器、数据采集卡。本发明专利技术通过时分复用技术提高探测光脉冲的重复频率，从而使得基于反射光栅的Φ‑OTDR系统实现超高速的扰动检测；使用相干探测结构，通过相位解调方法，结合相位解缠算法实现扰动位置、频率和振幅的实时检测。

Method and device for quantitative detection of distributed ultrahigh speed disturbance

The invention discloses a method for detecting distributed high speed disturbance quantitatively, by time multiplexing method can achieve ultra high speed disturbance detection; by Hilbert transform, orthogonal transformation phase demodulation method for phase demodulation can achieve real-time detection of disturbance location, frequency and amplitude. The invention also discloses a distributed high speed disturbance quantitative detection device comprises a pulse generator, a laser, a first coupler, pulse modulator, erbium-doped fiber amplifier, a circulator, the optical fiber sensing unit, second coupler, balance detector, band-pass filter, power amplifier, data acquisition card. The present invention by time division multiplexing technology to improve the detection of pulse repetition frequency, so that the diameter of reflection grating OTDR system realization based on ultra high speed disturbance detection; using coherent detection structure by phase demodulation method, combined with the phase unwrapping algorithm to achieve real-time detection of disturbance location, frequency and amplitude.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感
，特别是一种分布式超高速扰动定量检测方法及装置。
技术介绍
相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR）具有灵敏度高、测量速度快、结构简单等特点，非常适用于光纤上的微扰事件的检测，在大型建筑结构的健康检测、地下光纤通信线路保护等领域具有巨大的应用前景，Φ-OTDR系统也因此成为国内外传感技术研究的热点。Φ-OTDR利用光纤中的后向瑞利散射光的相干衰落效应进行传感，可以检测作用于光纤上的扰动事件位置和频域的信息。相比于光时域反射仪（OTDR），Φ-OTDR为了得到可用的后向瑞利散射光时域曲线，必须使用频率稳定的窄线宽激光器。当频率稳定的窄线宽短脉冲被发射到传感光纤中时，其背向瑞利散射信号因为相干效应而呈现锯齿状。通过分析这种锯齿状瑞利信号波形的变化，就可以监视传感光纤中由于外界扰动而引起的光纤的折射率、光纤中散射点之间距离的变化。Φ-OTDR具有响应速度快和灵敏度高两个明显的优点。相比于布里渊和拉曼光时域反射计，Φ-OTDR利用光强更强的瑞利散射光进行扰动测量，无需进行多次的累加平均，即可获得较高的信噪比，Φ-OTDR也因此获得极快的响应速度，可用于探测快速变化的动态扰动信号。在Φ-OTDR中，通过测量光纤中背向瑞利散射信号的相位变化来测量扰动，这意味着Φ-OTDR系统能检测激光波长级别的外部扰动信号，因此Φ-OTDR具有极高的灵敏度。虽然Φ-OTDR具有诸多的优点，但是目前常用的Φ-OTDR也存在着明显的缺陷，它们大多只能够检测到应变的发生位置并提取其频域信息，无法定量的对应变数值进行测量。主要原因是接收端获取的光信号与光纤上加载的应变值并没有确定的、一一对应的关系，所以无法通过解调算法计算出光纤上加载的应变值。英国的南安普顿大学的A Masoudi、M Belal等在《A distributed optical fibre dynamic strain sensor based on phase-OTDR》使用耦合器和延时光纤来进行相位解调可以实现对振幅的探测，但是随着传感距离的加长，Φ-OTDR扰动测量的速度将快速下降；南京大学光通信工程研究中心的张益昕、郭铮等在《Enhanced Ф-OTDR System for Quantitative Strain Measurement Based on Ultra-Weak Fiber Bragg Grating Array》使用布拉格光栅反射信号来进行相位解调，但是需要对激光器进行扫频控制，解相位算法相对复杂，Φ-OTDR测量速度也因此受到极大限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种分布式超高速扰动定量检测方法及装置，本专利技术是在现有的Φ-OTDR传感系统基础上，通过引入反射光栅和时分复用技术，使用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息，从而实现对扰动位置、频率、振幅的实时检测。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种分布式超高速扰动定量检测方法，包括以下步骤：步骤一、将连续模式窄线宽激光分成两路光信号，其中，第一路为探测光，第二路为本振光；步骤二、将探测光经脉冲调制、放大后形成探测光脉冲注入至光纤传感单元中，所述光纤传感单元为包括若干个反射光栅的光纤，探测光脉冲的周期为2*T/N；其中，T为光纤传感单元传输完一条探测光脉冲所需的时间，N为可设置的时分复用数，且N需满足以下条件：1）、N小于H/W，N为大于0的整数，其中，W为探测光脉冲的宽度，H为相邻两个反射光栅的间隔；2）、H/(N*W)为非整数；步骤三、探测光脉冲在光纤中产生背向瑞利散射光、在反射光栅处产生反射光；步骤四、将反射光与本振光相干拍频后输出两路光信号，这两路光信号之间产生180°的相位差；步骤五、将步骤四中的两路光信号转换为电信号，并经过滤波、放大、模数转换变为数字信号；步骤六、根据探测光脉冲的注入时间和反射光栅在光纤中的位置，从步骤五获得的数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号；步骤七、对步骤六获得的反射光信号采用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息；步骤八、根据步骤七解调出的各个反射光栅处光信号相位信息，获得扰动位置、频率和振幅。作为本专利技术所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法进一步优化方案，所述相位解调方法为希尔伯特变换或正交变换。作为本专利技术所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法进一步优化方案，所述反射光栅的反射率低于-30dB。基于上述的一种分布式超高速扰动定量检测方法的装置，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器和数据采集卡；其中，脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输出至脉冲调制器，触发脉冲输出至数据采集卡；激光器，用于产生连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一耦合器；第一耦合器，用于将连续模式窄线宽激光分为两路：第一路为探测光，第二路为本振光；探测光输出至脉冲调制器，本振光输出至第二耦合器；脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将探测光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大成探测光脉冲后输出至环形器；环形器，用于将探测光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至光纤传感单元；光纤传感单元，用于将产生的背向瑞利散射光和反射光输出至环形器的第2端口，并由环形器的第3端口输出至第二耦合器；第二耦合器，用于将反射光与本振光进行相干拍频，输出两路光至平衡探测器，这两路光之间产生180°的相位差；平衡探测器，用于将第二耦合器输出的两路光转换成电信号后输出至带通滤波器；带通滤波器，用于滤除电信号中的宽带噪声信号，并将滤波后的电信号输出至功率放大器；功率放大器，用于将滤波后的电信号放大，并将放大后的电信号输出至数据采集卡；数据采集卡，用于根据触发脉冲，将放大后的电信号转换为数字信号进行处理，从而获得扰动位置、频率和振幅。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）通过时分复用技术提高探测光脉冲的重复频率，从而使得基于反射光栅的Φ-OTDR系统实现超高速的扰动检测；（2）使用相干探测结构，通过希尔伯特变换、正交变换等相位解调方法，结合相位解缠算法实现扰动位置、频率和振幅的实时检测。附图说明图1是本专利技术的装置结构图；图2是本专利技术实现超高速扰动检测时分复用原理图；图3是本专利技术实现扰动定量检测原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示是本专利技术的装置结构图，基于本专利技术一种分布式超高速扰动定量检测方法的装置，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器和数据采集卡；其中，脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输出至脉冲调制器，触发脉冲输出至数据采集卡；激光器，用于产生连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一耦合器；第一耦合器，用于将连续模式窄线宽激光分为两路：第一路为探测光，第二路为本振光；探测光输出至脉冲调制器，本振光输出至第二耦合器；脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将探测光转换为脉冲光输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将连续模式窄线宽激光分成两路光信号，其中，第一路为探测光，第二路为本振光；步骤二、将探测光经脉冲调制、放大后形成探测光脉冲注入至光纤传感单元中，所述光纤传感单元为包括若干个反射光栅的光纤，探测光脉冲的周期为2*T/N；其中，T为光纤传感单元传输完一条探测光脉冲所需的时间，N为可设置的时分复用数，且N需满足以下条件：1）、N小于H/W，N为大于0的整数，其中，W为探测光脉冲的宽度，H为相邻两个反射光栅的间隔；2）、H/(N*W)为非整数；步骤三、探测光脉冲在光纤中产生背向瑞利散射光、在反射光栅处产生反射光；步骤四、将反射光与本振光相干拍频后输出两路光信号，这两路光信号之间产生180°的相位差；步骤五、将步骤四中的两路光信号转换为电信号，并经过滤波、放大、模数转换变为数字信号；步骤六、根据探测光脉冲的注入时间和反射光栅在光纤中的位置，从步骤五获得的数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号；步骤七、对步骤六获得的反射光信号采用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息；步骤八、根据步骤七解调出的各个反射光栅处光信号相位信息，获得扰动位置、频率和振幅。...

【技术特征摘要】
1.一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将连续模式窄线宽激光分成两路光信号，其中，第一路为探测光，第二路为本振光；步骤二、将探测光经脉冲调制、放大后形成探测光脉冲注入至光纤传感单元中，所述光纤传感单元为包括若干个反射光栅的光纤，探测光脉冲的周期为2*T/N；其中，T为光纤传感单元传输完一条探测光脉冲所需的时间，N为可设置的时分复用数，且N需满足以下条件：1）、N小于H/W，N为大于0的整数，其中，W为探测光脉冲的宽度，H为相邻两个反射光栅的间隔；2）、H/(N*W)为非整数；步骤三、探测光脉冲在光纤中产生背向瑞利散射光、在反射光栅处产生反射光；步骤四、将反射光与本振光相干拍频后输出两路光信号，这两路光信号之间产生180°的相位差；步骤五、将步骤四中的两路光信号转换为电信号，并经过滤波、放大、模数转换变为数字信号；步骤六、根据探测光脉冲的注入时间和反射光栅在光纤中的位置，从步骤五获得的数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号；步骤七、对步骤六获得的反射光信号采用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息；步骤八、根据步骤七解调出的各个反射光栅处光信号相位信息，获得扰动位置、频率和振幅。2.根据权利要求1所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，所述相位解调方法为希尔伯特变换或正交变换。3.根据权利要求1所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，所述反射光栅的反射率低于-30dB。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，乔苇岩，张旭苹，单媛媛，孙振鉷，王清，曹露，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32