本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

相位敏感型光時(shí)域反射儀（Φ-OTDR）具有靈敏度高、測量速度快、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，非常適用于光纖上的微擾事件的檢測，在大型建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測、地下光纖通信線路保護(hù)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，Φ-OTDR系統(tǒng)也因此成為國內(nèi)外傳感技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

Φ-OTDR利用光纖中的后向瑞利散射光的相干衰落效應(yīng)進(jìn)行傳感，可以檢測作用于光纖上的擾動(dòng)事件位置和頻域的信息。相比于光時(shí)域反射儀（OTDR），Φ-OTDR為了得到可用的后向瑞利散射光時(shí)域曲線，必須使用頻率穩(wěn)定的窄線寬激光器。當(dāng)頻率穩(wěn)定的窄線寬短脈沖被發(fā)射到傳感光纖中時(shí)，其背向瑞利散射信號因?yàn)橄喔尚?yīng)而呈現(xiàn)鋸齒狀。通過分析這種鋸齒狀瑞利信號波形的變化，就可以監(jiān)視傳感光纖中由于外界擾動(dòng)而引起的光纖的折射率、光纖中散射點(diǎn)之間距離的變化。

Φ-OTDR具有響應(yīng)速度快和靈敏度高兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。相比于布里淵和拉曼光時(shí)域反射計(jì)，Φ-OTDR利用光強(qiáng)更強(qiáng)的瑞利散射光進(jìn)行擾動(dòng)測量，無需進(jìn)行多次的累加平均，即可獲得較高的信噪比，Φ-OTDR也因此獲得極快的響應(yīng)速度，可用于探測快速變化的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)信號。在Φ-OTDR中，通過測量光纖中背向瑞利散射信號的相位變化來測量擾動(dòng)，這意味著Φ-OTDR系統(tǒng)能檢測激光波長級別的外部擾動(dòng)信號，因此Φ-OTDR具有極高的靈敏度。

雖然Φ-OTDR具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是目前常用的Φ-OTDR也存在著明顯的缺陷，它們大多只能夠檢測到應(yīng)變的發(fā)生位置并提取其頻域信息，無法定量的對應(yīng)變數(shù)值進(jìn)行測量。主要原因是接收端獲取的光信號與光纖上加載的應(yīng)變值并沒有確定的、一一對應(yīng)的關(guān)系，所以無法通過解調(diào)算法計(jì)算出光纖上加載的應(yīng)變值。英國的南安普頓大學(xué)的A Masoudi、M Belal等在《A distributed optical fibre dynamic strain sensor based on phase-OTDR》使用耦合器和延時(shí)光纖來進(jìn)行相位解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)對振幅的探測，但是隨著傳感距離的加長，Φ-OTDR擾動(dòng)測量的速度將快速下降；南京大學(xué)光通信工程研究中心的張益昕、郭錚等在《Enhanced Ф-OTDR System for Quantitative Strain Measurement Based on Ultra-Weak Fiber Bragg Grating Array》使用布拉格光柵反射信號來進(jìn)行相位解調(diào)，但是需要對激光器進(jìn)行掃頻控制，解相位算法相對復(fù)雜，Φ-OTDR測量速度也因此受到極大限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法及裝置，本發(fā)明是在現(xiàn)有的Φ-OTDR傳感系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過引入反射光柵和時(shí)分復(fù)用技術(shù)，使用相位解調(diào)方法，解調(diào)出各個(gè)反射光柵處光信號相位信息，從而實(shí)現(xiàn)對擾動(dòng)位置、頻率、振幅的實(shí)時(shí)檢測。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法，包括以下步驟：

步驟一、將連續(xù)模式窄線寬激光分成兩路光信號，其中，第一路為探測光，第二路為本振光；

步驟二、將探測光經(jīng)脈沖調(diào)制、放大后形成探測光脈沖注入至光纖傳感單元中，所述光纖傳感單元為包括若干個(gè)反射光柵的光纖，探測光脈沖的周期為2*T/N；其中，T為光纖傳感單元傳輸完一條探測光脈沖所需的時(shí)間，N為可設(shè)置的時(shí)分復(fù)用數(shù)，且N需滿足以下條件：

1）、N小于H/W，N為大于0的整數(shù)，其中，W為探測光脈沖的寬度，H為相鄰兩個(gè)反射光柵的間隔；

2）、H/(N*W)為非整數(shù)；

步驟三、探測光脈沖在光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射光、在反射光柵處產(chǎn)生反射光；

步驟四、將反射光與本振光相干拍頻后輸出兩路光信號，這兩路光信號之間產(chǎn)生180°的相位差；

步驟五、將步驟四中的兩路光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號；

步驟六、根據(jù)探測光脈沖的注入時(shí)間和反射光柵在光纖中的位置，從步驟五獲得的數(shù)字信號中提取出各個(gè)反射光柵處不同時(shí)刻的反射光信號；

步驟七、對步驟六獲得的反射光信號采用相位解調(diào)方法，解調(diào)出各個(gè)反射光柵處光信號相位信息；

步驟八、根據(jù)步驟七解調(diào)出的各個(gè)反射光柵處光信號相位信息，獲得擾動(dòng)位置、頻率和振幅。

作為本發(fā)明所述的一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述相位解調(diào)方法為希爾伯特變換或正交變換。

作為本發(fā)明所述的一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述反射光柵的反射率低于-30dB。

基于上述的一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法的裝置，包括脈沖發(fā)生器、激光器、第一耦合器、脈沖調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、光纖傳感單元、第二耦合器、平衡探測器、帶通濾波器、功率放大器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，

脈沖發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制脈沖、觸發(fā)脈沖；調(diào)制脈沖輸出至脈沖調(diào)制器，觸發(fā)脈沖輸出至數(shù)據(jù)采集卡；

激光器，用于產(chǎn)生連續(xù)模式窄線寬激光，并將其輸出至第一耦合器；

第一耦合器，用于將連續(xù)模式窄線寬激光分為兩路：第一路為探測光，第二路為本振光；探測光輸出至脈沖調(diào)制器，本振光輸出至第二耦合器；

脈沖調(diào)制器，用于根據(jù)接收的調(diào)制脈沖，將探測光轉(zhuǎn)換為脈沖光輸出至摻鉺光纖放大器；

摻鉺光纖放大器，用于將脈沖光放大成探測光脈沖后輸出至環(huán)形器；

環(huán)形器，用于將探測光脈沖由其第1端口輸入，并由其第2端口注入至光纖傳感單元；

光纖傳感單元，用于將產(chǎn)生的背向瑞利散射光和反射光輸出至環(huán)形器的第2端口，并由環(huán)形器的第3端口輸出至第二耦合器；

第二耦合器，用于將反射光與本振光進(jìn)行相干拍頻，輸出兩路光至平衡探測器，這兩路光之間產(chǎn)生180°的相位差；

平衡探測器，用于將第二耦合器輸出的兩路光轉(zhuǎn)換成電信號后輸出至帶通濾波器；

帶通濾波器，用于濾除電信號中的寬帶噪聲信號，并將濾波后的電信號輸出至功率放大器；

功率放大器，用于將濾波后的電信號放大，并將放大后的電信號輸出至數(shù)據(jù)采集卡；

數(shù)據(jù)采集卡，用于根據(jù)觸發(fā)脈沖，將放大后的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而獲得擾動(dòng)位置、頻率和振幅。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

（1）通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)提高探測光脈沖的重復(fù)頻率，從而使得基于反射光柵的Φ-OTDR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超高速的擾動(dòng)檢測；

（2）使用相干探測結(jié)構(gòu)，通過希爾伯特變換、正交變換等相位解調(diào)方法，結(jié)合相位解纏算法實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)位置、頻率和振幅的實(shí)時(shí)檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)超高速擾動(dòng)檢測時(shí)分復(fù)用原理圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)定量檢測原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖，基于本發(fā)明一種分布式超高速擾動(dòng)定量檢測方法的裝置，包括脈沖發(fā)生器、激光器、第一耦合器、脈沖調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、光纖傳感單元、第二耦合器、平衡探測器、帶通濾波器、功率放大器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，

脈沖發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制脈沖、觸發(fā)脈沖；調(diào)制脈沖輸出至脈沖調(diào)制器，觸發(fā)脈沖輸出至數(shù)據(jù)采集卡；

激光器，用于產(chǎn)生連續(xù)模式窄線寬激光，并將其輸出至第一耦合器；

第一耦合器，用于將連續(xù)模式窄線寬激光分為兩路：第一路為探測光，第二路為本振光；探測光輸出至脈沖調(diào)制器，本振光輸出至第二耦合器；

脈沖調(diào)制器，用于根據(jù)接收的調(diào)制脈沖，將探測光轉(zhuǎn)換為脈沖光輸出至摻鉺光纖放大器；

摻鉺光纖放大器，用于將脈沖光放大成探測光脈沖后輸出至環(huán)形器；

環(huán)形器，用于將探測光脈沖由其第1端口輸入，并由其第2端口注入至光纖傳感單元；

光纖傳感單元，用于將產(chǎn)生的背向瑞利散射光和反射光輸出至環(huán)形器的第2端口，并由環(huán)形器的第3端口輸出至第二耦合器，所述瑞利散射光為本裝置的噪聲信號，反射光為本裝置的傳感信號，因?yàn)榉瓷涔獾膹?qiáng)度遠(yuǎn)大于瑞利散射光的強(qiáng)度，所以瑞利散射光在本裝置中可忽略不計(jì)；

第二耦合器，用于將反射光與本振光進(jìn)行相干拍頻，輸出兩路光至平衡探測器，這兩路光之間產(chǎn)生180°的相位差；

平衡探測器，用于將第二耦合器輸出的兩路光轉(zhuǎn)換成電信號后輸出至帶通濾波器；

帶通濾波器，用于濾除電信號中的寬帶噪聲信號，并將濾波后的電信號輸出至功率放大器；

功率放大器，用于將濾波后的電信號放大，并將放大后的電信號輸出至數(shù)據(jù)采集卡；

數(shù)據(jù)采集卡，用于根據(jù)觸發(fā)脈沖，將放大后的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而獲得擾動(dòng)位置、頻率和振幅。

實(shí)驗(yàn)室使用器件性能：激光器的型號為RIO激光器，該激光器波長為1550nm，線寬為1kHz，輸出光功率為15dBm；脈沖調(diào)制器選用200M聲光調(diào)制器，可以產(chǎn)生最小10ns的光脈沖；EDFA選用中興的BA系列的放大器，中心頻率在1550nm，工作波長20nm，恒電流增益可以達(dá)到16dBm；第一耦合器為90:10耦合器，第二耦合器為50:50耦合器；光纖的折射率為1.5；反射光柵的反射率為-35dB。

具體實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)中光纖傳感單元為包括5個(gè)等間隔分布反射光柵的光纖，其中相鄰兩個(gè)反射光柵的間隔H為1us，光纖傳感單元傳輸完一條探測光脈沖所需的時(shí)間T為5us。當(dāng)探測光脈沖的寬度W為50ns時(shí)，反射光柵反射光強(qiáng)為-35dBm，而光纖中的瑞利散射光信號強(qiáng)度為-50~-60dBm，使得光纖光柵反射光強(qiáng)明顯強(qiáng)于瑞利散射信號。令N=4進(jìn)行4分時(shí)分復(fù)用，則對應(yīng)的探測光脈沖重復(fù)周期變?yōu)?.25us，系統(tǒng)的檢測速度也因此變?yōu)槠胀ǖ幕诜瓷涔鈻诺摩?OTDR系統(tǒng)的4倍。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)參數(shù)的具體步驟如下：

步驟一：激光器產(chǎn)生連續(xù)模式窄線寬激光，將連續(xù)模式窄線寬激光分成兩路光信號，其中，第一路為探測光，第二路為本振光；將探測光經(jīng)脈沖調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖光，脈沖寬度在10ns—250ns，周期為1.25us；然后經(jīng)過EDFA放大形成探測光脈沖，經(jīng)過環(huán)形器后進(jìn)入光纖傳感單元。

步驟二：如圖1所示，探測光脈沖在光纖傳感單元中傳輸，在光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射光、在反射光柵處產(chǎn)生反射光，所述反射光的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瑞利散射光的強(qiáng)度，故瑞利散射光可忽略不計(jì)。將反射光與本振光信號通過第二耦合器進(jìn)行相干拍頻后輸出兩路具有180°相位差的光信號R1和R2，將R1和R2輸入到平衡探測器中轉(zhuǎn)換為電信號，通過帶通濾波器濾波，功率放大器放大后被數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號做后續(xù)處理。

步驟三：根據(jù)探測光脈沖的注入時(shí)間和反射光柵在光纖中的位置，從數(shù)字信號中提取出各個(gè)反射光柵處不同時(shí)刻的反射光信號。下面是對時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速檢測的原理的說明：

當(dāng)N=4時(shí)，包含5個(gè)反射光柵光纖傳感單元反射信號疊加過程如圖2所示，發(fā)送第一個(gè)探測光脈沖W1，得到對應(yīng)的反射光柵反射信號；間隔1.25us，在探測光脈沖W1對應(yīng)的第二個(gè)反射光柵后H/4處發(fā)送第二個(gè)探測光脈沖W2，得到對應(yīng)的反射光柵反射信號；間隔1.25us，在探測光脈沖W1對應(yīng)的第三個(gè)反射光柵后2H/4處發(fā)送第三個(gè)探測光脈沖W3，得到對應(yīng)的反射光柵反射信號；間隔1.25us，在探測光脈沖W1對應(yīng)的第四個(gè)反射光柵后3H/4處發(fā)送第三個(gè)探測光脈沖W3，得到對應(yīng)的反射光柵反射信號；間隔1.25us，系統(tǒng)開始重復(fù)以上過程，分別在單個(gè)光柵之后0 *H /4、H/4、2H/4、3H/4處循環(huán)發(fā)送探測光脈沖，以保證得到對應(yīng)的反射光柵反射信號在任何時(shí)候都不會重疊。至此本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對基于反射光柵的Φ-OTDR系統(tǒng)所需探測光脈沖周期5us的4等分時(shí)分復(fù)用，光纖傳感單元中5個(gè)反射光柵反射信號的重復(fù)周期也從原來的5us降低為1.25us，系統(tǒng)對于擾動(dòng)的檢測速度也變?yōu)槠胀ǖ幕诜瓷涔鈻诺摩?OTDR系統(tǒng)的4倍。

這樣通過觸發(fā)脈沖的上升沿和反射光柵在光纖中的位置，我們就可以從數(shù)字信號中提取出各個(gè)反射光柵處不同時(shí)刻的反射光信號，從而實(shí)現(xiàn)超高速的擾動(dòng)檢測。

步驟四：利用相位解調(diào)方法解調(diào)出反射光柵2~5處相對于自己本身前一個(gè)光柵的相對相位信息，如圖3所示。當(dāng)擾動(dòng)事件發(fā)生在反射光柵2和反射光柵3之間時(shí)，將使得反射光柵3處的相位信息相對于反射光柵2處的相位信息產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過對反射光柵2~5處相對于自己前一個(gè)光柵的相對相位信息的變化進(jìn)行檢測，既可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)位置、頻率和幅值的實(shí)時(shí)檢測。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。