基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统，属于光纤传感领域技术领域，方法包括：S1、设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf

【技术实现步骤摘要】
基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统


[0001]本专利技术属于光纤传感领域
，更具体地，涉及一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统。

技术介绍

[0002]光纤传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高压，能适应恶劣环境等优点，其中分布式传感是一种光纤链路上每一点都作为传感元件的技术，光纤既做信息传输媒介同时又是传感元，它可以连续测量沿光纤长度分布的环境参量，如温度，应变等，传感长度可达几十公里，在石油管道、桥梁、大坝、隧道、电力线、房屋建筑、飞行器、地震预警、边防等诸多领域中都有应用，是集智能化与环保于一身的理想的分布式测量工具。
[0003]在光纤中可应用于信号传感的信息主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种，最常见的基于瑞利散射的分布式传感方案主要是相位敏感光时域反射仪相位敏感光时域反射仪是通过采用高度相干光源实现的；由于光源的高度相干性，φ
‑
OTDR技术所采集到的后向瑞利散射信号将形成干涉图样，反映出光纤上固有的应力状况等信息，并且当光纤所处环境出现温度变化或光纤本身感受到外界应力作用时，瑞利干涉图样将发生改变，从而能够对外界扰动位置进行实时定位。
[0004]相位敏感光时域反射仪包括单频探测和移频探测单频探测方案每次探测使用单一频率，通过对后向瑞利散射信号进行强度/相位解调来获取外界扰动信息，能够实现对信号强度的探测，但探测灵敏度不高。移频探测方案每次探测使用一组不同频率的探测光，通过这一组不同探测频率的探测脉冲所得到的瑞利散射信号重构出光纤沿线的瑞利频移谱，再由此定量分析外界扰动信号的大小，因而能够实现拥有超高灵敏度的定量探测；但是完成一次探测的时间长，响应速度慢，无法实现对动态信号的实时监测，具体表现在：移频探测系统中每组探测中的若干次探测都是各自独立进行的，假设每组探测中所进行独立探测的次数为N，则单次探测耗时至少是单频探测系统的N倍，加上信号发生器的频率切换时间，单次探测时间还会更长，使得现有的移频探测系统中即便使用功能了昂贵的捷变频器件也只能实现Hz量级的响应速度，因而无法用于动态信号的探测，只能实现对缓变的准静态信号的监测。
[0005]现有的频率梳探测技术一般是通过对硬件设备(比如激光器)进行硬件调制产生频率梳，其性能特点是带宽很大，但频梳间隔也很大，使得频率梳是很稀疏的，由于傅里叶变换的时频对易特性，这种频率梳对应的时间重复周期很长，使得探测脉冲时间宽度很大，导致空间分辨率极低，无法应用在移频探测φ
‑
OTDR上。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于频率梳的快速定量分布
式光纤振动探测方法及系统，其目的在于实现动态信号的超高灵敏度定量探测。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法，包括：
[0008]S1、设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf
C
及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf
C
不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；
[0009]S2、将所述目标频率梳转换成时域信号，并将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；
[0010]S3、对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；
[0011]S4、将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，进行定量分布式光纤振动探测。
[0012]进一步地，在S2之前，还包括步骤：
[0013]将所述目标频率梳依次进行m次频移，且每次频移步长是所述目标频率梳梳齿间隔Δf
C
的频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，将所述m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。
[0014]进一步地，S3中，所述光域频移量与所述目标频率梳之间满足：
[0015]所述目标频率梳总频带宽度f
BW
不大于所述光域频移量的两倍，所述目标频率梳起点频率与所述光域频移量的差值不低于所述光域频移量与所述目标频率梳梳齿间隔Δf
C
的和。
[0016]进一步地，S1中，计算所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位，包括：
[0017]随机设定所述目标频率梳每个梳齿的初始相位，并计算所述目标频率梳时域波形对应的峰值平均功率比；
[0018]通过迭代优化，得到所述目标频率梳取得最小峰值平均功率比时所对应的相位。
[0019]进一步地，S4中，进行定量分布式光纤振动探测包括：
[0020]S41、将所述待测光纤FUT产生的连续后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；
[0021]S42、提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；
[0022]S43、将所述强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁并重排；再对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息；将所述频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵；
[0023]S44、将某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻一段时间内的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，计算每个测量谱与所述参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，用所述频移量大小表征外界扰动大小。
[0024]进一步地，S4中，还包括：对所述频梳脉冲序列进行脉冲放大；
[0025]或/和还包括：对放大后的脉冲序列进行去噪后，输入至待测光纤FUT。
[0026]按照本专利技术的第二方面，提供了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测
系统，包括：
[0027]目标频率梳设计模块，用于设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf
C
及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf
C
不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；
[0028]任意波形生成器，用于生成所述目标频率梳对应的时域信号；
[0029]电光调制器，用于将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；
[0030]声光调制器，用于对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；
[0031]第二环形器，用于将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，并输出待测光纤FUT产生的后向瑞利散射信号；
[0032]3dB耦合器，用于将所述后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；
[0033]平衡光电探测器，用于提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；
[0034]数据处理模块，用于根据所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法，其特征在于，包括：S1、设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf
C
及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf
C
不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；S2、将所述目标频率梳转换成时域信号，并将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；S3、对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；S4、将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，进行定量分布式光纤振动探测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S2之前，还包括步骤：将所述目标频率梳依次进行m次频移，且每次频移步长是所述目标频率梳梳齿间隔Δf
C
的频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，将所述m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S3中，所述光域频移量与所述目标频率梳之间满足：所述目标频率梳总频带宽度f
BW
不大于所述光域频移量的两倍，所述目标频率梳起点频率与所述光域频移量的差值不低于所述光域频移量与所述目标频率梳梳齿间隔Δf
C
的和。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S1中，计算所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位，包括：随机设定所述目标频率梳每个梳齿的初始相位，并计算所述目标频率梳时域波形对应的峰值平均功率比；通过迭代优化，得到所述目标频率梳取得最小峰值平均功率比时所对应的相位。5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S4中，进行定量分布式光纤振动探测包括：S41、将所述待测光纤FUT产生的连续后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；S42、提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；S43、将所述强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁并重排；再对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息；将所述频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵；S44、将某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻一段时间内的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，计算每个测量谱与所述参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，用所述频移量大小表征外界扰动大小。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S4中，还包括：对所述频梳脉冲序列进行脉冲放大；或/和还包括：对放大后的脉冲序列进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志勇，林忠鸿，何欢，唐明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：