一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法，将窄线宽变频激光器产生连续变频光，经耦合器后分为探测光和参考光，探测光经过电光调制器进行二次调频，通过计算机控制和改变二次调频速率，探测光经EDFA放大后进入传感光纤，在传感光纤尾部加装标定部件，参考光与背向瑞利散射光发生干涉，形成具有多个变频率载波的探测结果，被平衡探测器探测，并转换为数字信号。通过对数字信号进行分段、时频分析、求取斜线边际频率谱、将频率域转化为空间域、利用标定部件反射峰特征对空间子域进行重新排列，从而获得整个传感范围内的散射光强分布。利用二次调频和求取斜线边际频率谱法，实现了重叠空间信号的分离，将传感范围成倍扩大。

A distributed optical fiber sensing system and sensing method based on multi frequency OFDR

The embodiment of the present invention discloses a distributed optical fiber sensing system and sensing method based on multi-frequency OFDR. Narrow line-width frequency conversion laser generates continuous frequency conversion light, which is divided into detection light and reference light after coupler. The detection light is secondary frequency modulated by electro-optic modulator, and the secondary frequency modulation rate is controlled and changed by computer. The detection light is amplified by EDFA and enters the sensing fiber. A calibration component is installed at the end of the sensing fiber. The reference light interferes with the backscattered Rayleigh light, forming the detection results with multiple variable frequency carriers, which are detected by the balanced detector and converted into digital signals. The scattered light intensity distribution in the whole sensing range can be obtained by dividing the digital signal into segments, time-frequency analysis, oblique line marginal frequency spectrum, converting the frequency domain into spatial domain, and rearranging the spatial sub-domain by using the reflection peak characteristics of the calibration component. By using secondary frequency modulation and oblique line marginal frequency spectrum method, the overlapping spatial signals are separated and the sensing range is doubled.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法
本专利技术涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法。
技术介绍
分布式光纤传感利用光纤中的背向散射光实现光纤周届物理量的测量，具有定位准确、可靠性高、可多点同时检测的特性，在光缆状态监测、长距离应力温度检测中具有广泛应用。分布式光纤传感根据探测光的不同可分为光时域反射技术(OTDR)和光频域反射技术(OFDR)。其中，OTDR技术通过向光纤中注入一个脉冲形式的探测光，在光纤首端光电探测器处，不同时刻将收到不同空间位置的散射光，从而实现空间分辨。受脉冲调制器件以及光电探测器信噪水平的限制，通常采用数十至数百纳秒的脉冲宽度，在单模光纤中对应于数米至数十米的空间分辨率，传感距离从数km至数十km。OFDR技术则通过向光纤中注入一个频率线性变化的连续探测光，在光纤首端构建相干检测结构，检测散射光与探测光的干涉结果。由于有空间不同位置处的散射光与探测光之间具有不同的时间延迟，经过干涉过程将不同的时间延迟转化为不同频率的载波，通过对所检测的干涉结果进行频率域变换，即可将频率域与空间域相对应。OFDR技术的空间分辨率由对干涉结果的频率分辨能力以及探测光的频率变化范围、速率共同决定，可以达到数cm甚至数mm。OFDR的传感距离与探测光的调频时长成正比，受激光器频率可调范围限制，一般为1km以下。在信号处理时，空间位置仅通过载波频率确定，当传感距离大于OFDR最大传感距离时，不同空间位置的信号之间将出现混叠。综上所述，在现有技术方案中，OFDR技术具有更高的空间分辨率，但其传感距离较短，应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法。可在相同光源条件下成倍提高OFDR传感系统的传感距离。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，由窄线宽变频激光器、50:50耦合器、电光调制器、射频放大器、射频信号源、环形器、光纤光栅、压电陶瓷、压电陶瓷控制电路、掺饵光纤放大器(EDFA)、传感光纤、标定部件、平衡探测器以及计算机构成。窄线宽变频激光器产生连续变频光，经50:50耦合器后分为两路，一路为探测光，一路为参考光，探测光经过电光调制器变频调制后，其输出光谱在原光谱的基础上将附带一个由电光调制器调制频率控制的附加光频变化，形成二次调频，二次调频过程中的光频率的变化大小以及变化速率由计算机控制下的射频信号源输出决定，二次调频的单次调频周期与窄线宽激光器的单次变频周期T一致，但每次调频速率有所改变，在N次二次调频过程中，调频速率依次为{B1,B2,B3,…,BN}，即N次二次调频组成一个完整检测周期，其中N由传感光纤总长度L和单次变频周期T决定，N＝2L/(υT)，其中υ为光纤中的光速，二次调频后的探测光经过光纤光栅滤波以及EDFA放大后，输入传感光纤，传感光纤中将产生背向瑞利散射光，标定部件在传感光纤尾端，将产生两个具有固定时延的反射峰；光纤中的背向瑞利散射光与参考光发生干涉，形成具有多个频率载波的探测结果，被平衡探测器探测，并经由计算机中的采集卡采集，转换为数字信号；由于引入二次调频过程，探测结果中载波的频率不是固定的，而是调频载波，且调频速率与二次调频过程中光频变化速率一致，此时，空间位置将由载波频率和载波频率变化速率共同决定，从而可将重叠在一起的空间信号进行分离。相应地，本专利技术实施例还提供了一种用于上述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，包括以下步骤：根据窄线宽激光器单次变频周期长度T，将所获得的数字信号划分为若干时长为T的数字信号片段；对某个数字信号片段进行时频分析，得到时间-频率分布强度图；以二次调频速率为斜率，从时间-频率分布强度图以斜线频率边际谱法获得多个频率边际谱；将频率边际谱转化为空间谱，实现空间信号分离；根据标定部件的反射峰特性，标定各个空间谱对应的实际空间位置，并进行重新排列，形成完整的空间检测结果；对各个数字片段重复上述过程，获得多变频OFDR反射光强的时间-空间分布检测结果。所述的斜线频率边际谱法为：其中h和k满足足hfs/2n＝TBik/m+f，其中i为二次调频的序号，j为数字信号段序号，Sjkh为时间-频率分布强度图中元素，k和h分别为该元素的行序号和列序号，n和m分别为时间-频率分布强度图的总行数和总列数，fs为采集卡采样率，Bi为二次调频的调频速率，T为单次调频周期。所述频率域与空间域对应关系为：依据公式z＝υf/2A，其中υ为光纤中光速，A为窄线宽变频激光器的变频速率，将频率域转化为空间域；所述空间谱重排方法为：Fj(z)＝[F(p-1)j,F(p-2)j,...,F1j,FNj,…,F(p+1)j,Fpj]，其中[·]代表将各个序列依次首尾相接，Fpj为具有标定部件反射峰特性的空间谱，N为二次调频的总次数。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：本专利技术拥有和OFDR相同的检测能力，但其传感距离为使用相同光源的OFDR的N倍。在OFDR中，传感距离过长时，尾端信号的载波频率将和首端信号的载波频率重叠，导致无法区分。本专利技术通过二次调频过程，克服了上述空间信号在频率域的重叠问题。通过二次调频，使得空间位置由载波频率以及载波频率变化速率共同决定，再通过时频分析和斜线边际谱法，在各个斜率条件下分别获得边际频率谱，实现各个重叠频率信号的分离，从而实现传感距离的提升。另一方面，本专利技术所需的最大采样频率为理论上同等传感距离OFDR的1/N，降低了对光电探测器以及采集卡等硬件性能的要求。同时，本专利技术保留了分布式光纤传感系统分布式、不受电磁干扰等特征，安装方便，适合长距离的光网络故障诊断、结构健康监测等应用。附图说明图1是本专利技术基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统示意图。其中，1、窄线宽变频激光器；2、50:50耦合器；3、电光调制器；4、射频放大器；5、射频信号源；6、环形器；7、光纤光栅；8、压电陶瓷；9、压电陶瓷控制电路；10、掺饵光纤放大器(EDFA)；11、环形器；12、光纤光栅；13、环形器；14、传感光纤；15、标定部件；16、50:50耦合器；17、平衡探测器；18、计算机。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。本专利技术实施例的一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，如图1所示，包括窄线宽变频激光器1、50:50耦合器2、电光调制器3、射频放大器4、射频信号源5、环形器6、光纤光栅7、压电陶瓷8、压电陶瓷控制电路9、掺饵光纤放大器10、环形器11、光纤光栅12、环形器13、传感光纤14、标定部件15、50:50耦合器16、平衡探测器17和计算机18构成。由窄线宽变频激光器1产生连续变频光，其频率变化率为A，单次频率连续变化时间为T，上述两参数均受计算机18控制。连续变频光在50:50耦合器2处分为探测光和参考光。探测光经由电光调制器3进行频率调制，其中电光调制器3的驱动频率由计算机18经由控制射频信号源5和射频放大器4控制，驱动频率线性增加，其中驱动频率的单次连续变化时间为T，频率变化率分别为{B1,B2,B3,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括窄线宽变频激光器、50:50耦合器、电光调制器、射频放大器、射频信号源、环形器、光纤光栅、压电陶瓷、压电陶瓷控制电路、掺饵光纤放大器、传感光纤、标定部件、平衡探测器以及计算机，所述窄线宽变频激光器产生连续变频光，经所述50:50耦合器后分为两路，一路为探测光，一路为参考光，所述探测光经过所述电光调制器变频调制后，其输出光谱在原光谱的基础上将附带一个由所述电光调制器调制频率控制的附加光频变化，形成二次调频，所述二次调频的单次调频周期与窄线宽激光器的单次变频周期T一致，所述二次调频后的探测光经过光纤光栅滤波以及所述掺饵光纤放大器放大后，输入传感光纤，传感光纤尾部加装标定部件，将产生两个具有固定时延的反射峰；所述传感光纤中的背向瑞利散射光与所述参考光发生干涉，形成具有多个频率载波的探测结果，被所述平衡探测器探测，并经由所述计算机中的采集卡采集，所述计算机进行信号分离，获得整个传感范围内的散射光强分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括窄线宽变频激光器、50:50耦合器、电光调制器、射频放大器、射频信号源、环形器、光纤光栅、压电陶瓷、压电陶瓷控制电路、掺饵光纤放大器、传感光纤、标定部件、平衡探测器以及计算机，所述窄线宽变频激光器产生连续变频光，经所述50:50耦合器后分为两路，一路为探测光，一路为参考光，所述探测光经过所述电光调制器变频调制后，其输出光谱在原光谱的基础上将附带一个由所述电光调制器调制频率控制的附加光频变化，形成二次调频，所述二次调频的单次调频周期与窄线宽激光器的单次变频周期T一致，所述二次调频后的探测光经过光纤光栅滤波以及所述掺饵光纤放大器放大后，输入传感光纤，传感光纤尾部加装标定部件，将产生两个具有固定时延的反射峰；所述传感光纤中的背向瑞利散射光与所述参考光发生干涉，形成具有多个频率载波的探测结果，被所述平衡探测器探测，并经由所述计算机中的采集卡采集，所述计算机进行信号分离，获得整个传感范围内的散射光强分布。2.一种用于权利要求1所述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据窄线宽激光器单次变频周期长度T，将所获得的数字信号划分为若干时长为T的数字信号片段；对某个数字信号片段进行时频分析，得到时间-频率分布强度图；以二次调频速率为斜率，从时间-频率分布强度图以斜线频率边际谱法获得多个频率边际谱；将频率边际谱转化为空间谱；根据标定部件的反射峰特性，标定各...

【专利技术属性】
技术研发人员：施羿，范衠，赵雷，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：广东,44