一种光纤分布式传感探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光纤分布式传感探测方法及装置，方法包括：S1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得所述传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；S2.将所述偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；S3.从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。具有可优化探测噪声水平，提高探测灵敏度，消除因高相位噪声导致的探测盲区等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤分布式传感探测方法及装置
本专利技术涉及光纤分布式传感
，尤其涉及一种光纤分布式传感探测方法及装置。
技术介绍
相位敏感光时域反射仪技术(Φ-OTDR)是应用广泛的光纤分布式振动和声音探测技术，在周界安防，地震波检测，油汽勘探、以及管道和铁路等大型结构安全监测等领域具有重大应用价值，逐渐成为国内外研究热点。Φ-OTDR技术通过获取脉冲光在传感光纤中各处产生的后向瑞利散射光(简称为瑞利光)的相位信息实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于光纤某一位置，将引起该位置光纤拉伸和折射率变化，导致经过此处的瑞利光发生相位变化。通过检测瑞利光由振动或声因诱导的相位变化可以同时获得外界振动或声音的频率、幅度和相位的完整信息。为了获取瑞利光的相位变化，研究者们发展了基于瑞利散射信号延时自干涉的Φ-OTDR系统[GaoshengFang等人，Phase-SensitiveOpticalTimeDomainReflectometerBasedonPhase-GeneratedCarrierAlgorithm，JournalofLightwaveTechnology，2015年]。该系统将光纤中返回的瑞利光注入Michelson干涉仪(MI)或Mach-Zender干涉仪(M-ZI)中。在干涉仪中，瑞利光被分成功率相等的两束，分别经历干涉仪长臂和短臂。由于干涉仪臂差，在干涉仪出射端同时存在瑞利光信号和延时的瑞利光信号。通过此方式，光纤某一位置z0的瑞利光E(z0)将与来自相隔距离L处光纤的瑞利光E(z0+L)发生干涉，L由干涉仪臂差决定，干涉信号的时变相位包含了光纤位置z0与z0+L之间光纤所感应的振动或声音信息。通过相位产生载波(PGC)或3×3等相位解调技术，可从干涉信号中获得相位信息Φ-OTDR系统的最小可测信号(检测灵敏度)受限于检测的相位噪声，相位噪声受干涉信号可见度影响。由于单模光纤中存在随机低双折射，瑞利光在单模光纤中传输时偏振态发生随机变化，导致光纤中瑞利光E(z0)与E(z0+L)的相对偏振态随光纤位置z0发生变化。当E(z0)与E(z0+L)偏振正交，干涉信号可见度为0，检测的相位噪声最大；当E(z0)与E(z0+L)同偏振态，干涉信号可见度最大，此时相位噪声最小。E(z0)与E(z0+L)相对偏振态的位置相关性使检测的相位噪声随光纤位置发生变化，导致基于Φ-OTDR的分布式振动和声音探测的噪声涨落。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种消除基于延时自干涉Φ-OTDR技术的光纤分布式传感系统振动和声音探测的偏振相关性，抑制由偏振失配导致的探测噪声涨落，可优化探测噪声水平，提高探测灵敏度，消除因高相位噪声导致的探测盲区的光纤分布式传感探测方法及装置。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种光纤分布式传感探测方法，包括：S1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得所述传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；S2.将所述偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；S3.从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。进一步地，所述双光脉冲由脉冲光通过具有预设臂差的非平衡干涉仪，并通过周期性的偏振调制而生成。进一步地，所述双光脉冲具有四组偏振组合状态，包括XX、XY、YY、YX，其中X和Y表示两个正交光偏振状态。进一步地，所述步骤S3的具体步骤具体包括：以所述复数的实部和虚部为基础，通过微分交叉相乘或反正切算法提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的振动信号和/或声信号的频率信息、幅度信息和相位信息。一种光纤分布式传感探测装置，包括：双光脉冲生成组件，光脉冲注入及接收装置、光电探测器、数据采集处理装置和信号发生装置；所述双光脉冲生成组件用于生成具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲；所述光脉冲注入及接收装置用于将所述双光脉冲注入传感光纤，并接收所述传感光纤中所产生的瑞利光；所述光电探测器用于获取所述瑞利的光强信号；所述数据采集处理装置用于采集所述光强信号，并进行分析计算得到所述瑞利光的相位信息；所述信号发生装置用于为所述双光脉冲生成组件和数据采集处理装置提供控制脉冲信号及时钟同步信号。进一步地，所述双光脉冲生成组件包括依次连接的激光器、光强调制器、非平衡干涉仪和偏振切换器；所述激光器用于产生高相干激光；所述光强调制器用于根据所述信号发生装置的控制脉冲对所述高相干激光进行强度调制，产生周期性重复脉冲光；所述非平衡干涉仪用于根据所述信号发生装置的控制脉冲生成具有延时双光脉冲；所述偏振切换器用于根据所述信号发生装置的控制脉冲对所述双光脉冲的偏振状态进行调制，得到具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲。进一步地，所述数据采集处理装置包括数据采集器和信号处理机；所述数据采集器用于根据所述信号发生装置的控制脉冲对所述光强信号进行采集，并提供给信号处理机；所述信号处理机用于将所述光强信号复数化，生成响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数，并从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。进一步地，所述信号发生装置提供给所述光强调制器、非平衡干涉仪、偏振切换器和数据采集器的控制脉冲时钟同步。进一步地，所述光脉冲注入及接收装置为环形注入器。进一步地，在所述双光脉冲生成组件与光脉冲注入及接收装置之间，以及光脉冲注入及接收装置与光电探测器之间还设置有光信号放大滤波器，用于放大光路中光的功率，并滤除放大功率时产生的噪声。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术采用正交偏振切换技术，消除基于延时自干涉Φ-OTDR技术的光纤分布式振动和声音探测的偏振相关性，抑制由瑞利光与延时瑞利光偏振失配导致的探测噪声涨落，优化探测噪声水平，提高探测灵敏度，消除因高相位噪声导致的探测盲区。附图说明图1为本专利技术具体实施例流程示意图。图2为本专利技术具体实施例结构示意图。图3为本专利技术具体实施例光强调制器的输出光脉冲，偏振切换器的输出光脉冲，以及施加在偏振切换器上的调制方波电压信号的时序图。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。如图1所示，本实施例的光纤分布式传感探测方法，包括：S1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；S2.将偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；S3.从复数中计算提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。在本实施例中，双光脉冲由脉冲光通过具有预设臂差的非平衡干涉仪，并通过周期性的偏振调制而生成。该预设臂差记为L干涉仪，由于非平衡干涉仪具有臂差，因此，所产生的双光脉冲存在时延。在本实施例中，双光脉冲通过周期性的偏振调制，具有四组偏振组合状态，包括XX、XY、YY、YX，其中X和Y表示两个正交光偏振状态。在本实施例中，将四组偏振组合的双光脉冲分别注入传感光纤，从而获得传感光纤中各个位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤分布式传感探测方法，其特征在于，包括：S1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得所述传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；S2.将所述偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；S3.从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。

【技术特征摘要】
1.一种光纤分布式传感探测方法，其特征在于，包括：S1.将具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲分别注入传感光纤，获得所述传感光纤的瑞利光及与瑞利光对应的四路偏振通道的干涉光强；S2.将所述偏振通道的干涉光强复数化，生成传感通道响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数；S3.从所述复数中计算提取所述瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的信号的信息。2.根据权利要求1所述的光纤分布式传感探测方法，其特征在于：所述双光脉冲由脉冲光通过具有预设臂差的非平衡干涉仪，并通过周期性的偏振调制而生成。3.根据权利要求2所述的光纤分布式传感探测方法，其特征在于：所述双光脉冲具有四组偏振组合状态，包括XX、XY、YY、YX，其中X和Y表示两个正交光偏振状态。4.根据权利要求3所述的光纤分布式传感探测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤具体包括：以所述复数的实部和虚部为基础，通过微分交叉相乘或反正切算法提取瑞利光的相位信息，从而获得传感光纤感应到的振动信号和/或声信号的频率信息、幅度信息和相位信息。5.一种光纤分布式传感探测装置，其特征在于，包括：双光脉冲生成组件，光脉冲注入及接收装置、光电探测器、数据采集处理装置和信号发生装置；所述双光脉冲生成组件用于生成具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲；所述光脉冲注入及接收装置用于将所述双光脉冲注入传感光纤，并接收所述传感光纤中所产生的瑞利光；所述光电探测器用于获取所述瑞利的光强信号；所述数据采集处理装置用于采集所述光强信号，并进行分析计算得到所述瑞利光的相位信息；所述信号发生装置用于为所述双光脉冲生成组件和数据采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：路阳，张学亮，孟洲，余志杰，姚琼，陈伟，彭承彦，黄良金，楼康，曹春燕，熊水东，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43