1.本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，更具體地，涉及一種分布式超高頻振動信號測量方法及光纖傳感器。

背景技術：

2.光纖傳感器具有體積小，頻帶寬，靈敏度高，不受電磁干擾，耐腐蝕，耐高溫，抗高壓，能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點，其中分布式傳感是一種光纖鏈路上每一點都作為傳感元件的技術，光纖既做信息傳輸媒介同時又是傳感元，它可以連續(xù)測量沿光纖長度分布的環(huán)境參量，如溫度，應變等，傳感長度可達幾十公里，鑒于其出色的技術解決方案和低廉的成本，分布式傳感器在石油管道、橋梁、大壩、隧道、電力線、房屋建筑、飛行器、地震預警、邊防等諸多領域中都有應用，是集智能化與環(huán)保于一身的理想的分布式測量工具。
3.在光纖中可應用于信號傳感的信息主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射三種，常見的基于瑞利散射的分布式傳感方案主要有光時域反射儀(otdr)、相位敏感光時域反射儀(φ-otdr)等。otdr技術通過采集光脈沖在光纖中傳播時產生的后向瑞利散射信號，再由其時域信息對信號位置進行定位，從而實現(xiàn)對光纖的分布式傳感。由于使用非相干光源，otdr技術僅能得到光纖損耗、光纖斷點等信息，不能對外界擾動進行實時定位和測量。
4.φ-otdr技術是在otdr技術基礎上，通過采用高度相干光源實現(xiàn)的；由于光源的高度相干性，φ-otdr技術所采集到的后向瑞利散射信號將形成干涉圖樣，反映出光纖上固有的應力狀況等信息，并且當光纖所處環(huán)境出現(xiàn)溫度變化或光纖本身感受到外界應力作用時，瑞利干涉圖樣將發(fā)生改變，從而能夠對外界擾動位置進行實時定位。φ-otdr技術可進一步分為直接檢測和相干檢測兩類：直接檢測方案系統(tǒng)簡單，但外界擾動導致的信號變化與擾動強度之間的關系并非線性，從而無法對外界擾動進行準確測量；而在相干檢測系統(tǒng)中，瑞利信號的相位改變量是可測得的，且擾動位置處瑞利信號相位改變量與光纖所受外界應力之間滿足一定關系，基于該關系，可以通過計算光纖中瑞利信號相位改變量來準確測量光纖所受應力大小。
5.但是該類分布式光時域傳感系統(tǒng)絕大多數均使用的是等時間間隔的均勻采樣脈沖，為使每次探測光脈沖產生的瑞利信號不發(fā)生重疊，需要保證兩個相鄰光脈沖之間的時間間隔大于光脈沖在光纖中的渡越時間的兩倍，而奈奎斯特采樣定理決定系統(tǒng)可探測頻率上限為光脈沖重復頻率的一半，因而其頻率響應受到傳感光纖長度限制。常見的數千米至數十千米傳感場景下該頻率上限不過千赫茲甚至百赫茲量級，在較長光纖上只能測量數khz量級甚至更低頻率的信號，這意味著材料斷裂、油氣泄漏、工程機械入侵等高頻信號事件可能無法監(jiān)測。
6.同時，φ-otdr技術必須在相干探測方案下才能測量信號強度，由于利用了光脈沖內部的瑞利信號干涉，從而存在干涉衰落現(xiàn)象，將導致對衰落位置處信號相位的相干解調錯誤，造成信號解調錯誤率很高，會帶來大量的監(jiān)測盲區(qū)。考慮到干涉衰落出現(xiàn)的概率很高，這使得相干檢測方案難以實際應用。

技術實現(xiàn)要素：

7.針對現(xiàn)有技術的缺陷和改進需求，本發(fā)明提供了一種分布式超高頻振動信號測量方法及光纖傳感器，其目的在于提升現(xiàn)有的分布式傳感系統(tǒng)對信號強度測量的準確性。
8.為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種分布式超高頻振動信號測量方法，包括：
9.步驟s1、輸出單頻連續(xù)光載波信號，并將其分為兩路；將其中一路用多個不同頻率正弦脈沖調制，形成具有多個頻率分量的多邊帶信號；
10.步驟s2、將所述多邊帶信號通過隨機時序采樣光脈沖調制為帶有正弦調制的隨機脈沖序列；
11.步驟s3、將所述隨機脈沖序列輸入到待測光纖fut，待測光纖fut產生連續(xù)的后向瑞利散射信號，將所述后向瑞利散射信號與另一路光載波信號耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號；
12.步驟s4、提取所述兩路連續(xù)的耦合信號拍頻后的強度信息，對該強度信息濾波使多個頻率分量分離，對分離后的多個頻率信號分別進行相干解調；
13.步驟s5、將相干解調后的多個頻率信號合并，根據隨機時序采樣光脈沖對合并后的信號進行時序重組；
14.步驟s6、對重組后的信號的相位進行離散傅里葉變換，得到該相位對應的頻譜，該頻譜的頻率和振幅分別表征振動信號的振動頻率和強度。
15.進一步地，所述隨機時序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時間間隔不全部相等，并且采樣時間間隔滿足任意兩個光脈沖之間的時間間隔大于光脈沖渡越時間的兩倍。
16.進一步地，步驟s1中，還包括調整所述多個頻率分量的多邊帶信號的偏振態(tài)，使多個頻率分量的能量趨近相等。
17.進一步地，在步驟s3之前還包括步驟：將帶有正弦調制的隨機脈沖序列進行信號放大。
18.進一步地，還包括步驟：濾除信號放大后的隨機脈沖序列中的寬譜噪聲。
19.按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種分布式超高頻振動信號光纖傳感器，包括：
20.激光器laser，用于輸出單頻連續(xù)光載波信號；
21.耦合器coupler11，用于將所述單頻連續(xù)光載波信號分為兩路光載波信號；
22.任意波形發(fā)生器awg，至少為兩通道，其中一個通道連接電光調制器eom，用于產生多個頻率正弦脈沖，另一個通道連接聲光調制器aom，用于產生隨機時序采樣光脈沖；
23.電光調制器eom，將其中一路光載波信號用所述多個頻率正弦脈沖調制，形成具有多個頻率分量的多邊帶信號；
24.聲光調制器aom，用于將所述多個頻率分量的多邊帶信號通過所述隨機時序采樣光脈沖調制為帶有正弦調制的隨機脈沖序列；
25.環(huán)形器b，用于將所述帶有正弦調制的隨機脈沖序列輸出到待測光纖fut，待測光纖fut產生連續(xù)的后向瑞利散射信號通過所述環(huán)形器b另一端口輸出；
26.3db耦合器coupler12，用于將所述后向瑞利散射信號與耦合器coupler11輸出的另一路光載波信號進行耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號；
27.平衡光電探測器bpd，用于探測所述兩路連續(xù)的耦合信號的拍頻信號強度信息，將
所述強度信息輸入高速示波器oscilloscope進行采集。
28.進一步地，所述隨機時序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時間間隔不全部相等，并且采樣時間間隔滿足任意兩個光脈沖之間的時間間隔大于光脈沖渡越時間的兩倍。
29.進一步地，還包括設置在耦合器coupler11與電光調制器eom之間的偏振控制器pc，用于調整所述多個頻率分量的多邊帶信號的偏振態(tài)，使多個頻率分量的能量趨近相等。
30.進一步地，在所述聲光調制器aom與環(huán)形器b之間，還設置有摻鉺光纖放大器edfa。
31.進一步地，在所述摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b之間，還設有環(huán)形器a及布拉格光纖光柵fbg，其中，所述環(huán)形器a的兩個端口分別連接所述摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b，所述布拉格光纖光柵fbg連接環(huán)形器a的另外一個端口。
32.總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案，能夠取得以下有益效果：
33.(1)對于每個確定的頻率，在待測光纖內的衰落位置是確定的，對于不同頻率，在待測光纖內的衰落位置一般不同，本發(fā)明通過將光載波調制為具有多個頻率分量的多邊帶信號，并在接收端對多個頻率分量分別進行相干解調后將其合并，使得待測光纖中干涉衰落位置處信號互相補償，從而消除干涉衰落，提升了現(xiàn)有的分布式傳感系統(tǒng)對信號強度測量的準確性。
34.(2)進一步地，本發(fā)明將具有多個頻率分量的多邊帶信號通過隨機時序采樣光脈沖進行調制，使調制后的隨機脈沖序列具有抗頻譜混疊的效果，系統(tǒng)頻率響應上限與隨機時序采樣光脈沖的采樣時間間隔相關，采樣時間間隔的最大公約數越小，系統(tǒng)頻率響應上限越高，實現(xiàn)了在長距離傳感光纖中對數百khz量級超高頻率的振動信號的位置的準確定位及振動強度的準確測量。
35.(3)作為優(yōu)選，調整多邊帶信號的多個頻率分量能量差值趨近相等，在接收端對多個頻率分量分別進行相干解調后，可以提升合并后的目標信號在干涉衰落位置處信號互相補償的效果。
36.(4)作為優(yōu)選，在聲光調制器aom與環(huán)形器b之間設置有摻鉺光纖放大器edfa，用于對聲光調制器aom輸出的隨機脈沖序列進行能量放大。
37.(5)作為優(yōu)選，在所述摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b之間設有環(huán)形器a及布拉格光纖光柵fbg，用于濾去隨機脈沖序列通過摻鉺光纖放大器edfa產生的寬譜噪聲。
38.總而言之，本發(fā)明通過應用頻分復用技術進行干涉衰落現(xiàn)象的抑制，并與隨機采樣技術的結合，解決了現(xiàn)有的分布式φ-otdr系統(tǒng)不能檢測高頻信號的缺陷的同時，避免了相干傳感系統(tǒng)中常出現(xiàn)的信號解調錯誤。
附圖說明
39.圖1為本發(fā)明提供的分布式超高頻振動信號光纖傳感器結構示意圖。
40.圖2為經過電光調制器eom調制后產生的三個頻率分量的雙邊帶信號。
41.圖3為本發(fā)明實施例1提供的隨機時序采樣光脈沖。
42.圖4為本發(fā)明實施例1標定的振動信號響應曲線。
43.圖5為本發(fā)明實施例1測得的振動信號的頻譜。
44.圖6為傳統(tǒng)的單一頻率探測方案下振動信號附近相位圖樣。
45.圖7為本發(fā)明實施例1中的振動信號附近相位圖樣。
46.圖8為本發(fā)明實施例2提供的隨機時序采樣光脈沖。
47.圖9為本發(fā)明實施例2測得的振動信號的頻譜。
具體實施方式
48.為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
49.如圖1所示，本發(fā)明提供的分布式超高頻振動信號光纖傳感器，主要包括：
50.窄線寬激光器laser，用于輸出單頻連續(xù)窄線寬光載波信號。
51.耦合器coupler11，用于將上述單頻連續(xù)光載波信號分為兩路。
52.偏振控制器pc，用于調整耦合器coupler11輸出的一路單頻連續(xù)光載波信號的偏振態(tài)。
53.任意波形發(fā)生器awg，該任意波形發(fā)生器awg至少為兩通道波形發(fā)生器，其中一個通道連接電光調制器eom，用于產生單一頻率正弦脈沖或者產生多個頻率的正弦脈沖，另一個通道連接聲光調制器aom，用于產生預先設定的隨機時序采樣光脈沖。在其它實施例中，也可以是通過其它微波源分別連接電光調制器eom和光調制器aom，產生相應的脈沖。本實施例中，
54.電光調制器eom，將偏振控制器pc輸出的光信號用單一頻率正弦脈沖調制，形成具有三個頻率分量的雙邊帶信號，并通過控制偏振控制器pc，使該雙邊帶信號的三個頻率分量的能量趨近相等，作為優(yōu)選，使該雙邊帶信號的三個頻率分量的能量相等。且該單一頻率正弦脈沖的頻率小于聲光調制器aom的固有頻率，作為優(yōu)選，小于聲光調制器aom固有頻率的一半。或者，電光調制器eom也可以將偏振控制器pc輸出的光信號用多個不同頻率正弦脈沖調制，形成具有多個頻率分量的多邊帶信號，并且要求每個頻率分量均小于聲光調制器aom的固有頻率。
55.聲光調制器aom，用于將三個頻率分量的雙邊帶信號或者是具有多個頻率分量的多邊帶信號通過預先設定的隨機時序采樣光脈沖調制為帶有正弦調制的隨機脈沖序列。其中，預先設定的隨機時序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時間間隔不全部相等，并且采樣時間間隔滿足任意兩個光脈沖之間的時間間隔大于光脈沖渡越時間的兩倍。
56.環(huán)形器b，用于將該帶有正弦調制的隨機脈沖序列輸出到待測光纖fut，待測光纖fut產生的后向瑞利散射信號通過該環(huán)形器b另一端口輸出。保證進入待測光纖的后向信號能夠從同光路中提取出來。
57.3db耦合器coupler12，用于將后向瑞利散射信號與耦合器coupler11輸出的另一路光載波信號進行耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號，該兩路連續(xù)的耦合信號分別為后向瑞利散射信號與耦合器coupler11輸出的另一路光束的能量之和及能量之差。
58.平衡光電探測器bpd，用于將3db耦合器coupler12輸出的兩路連續(xù)的耦合信號拍頻，并將拍頻后得到的強度信息輸入高速示波器oscilloscope進行數據采集，即采集兩路耦合信號拍頻后的強度信息。
59.將采集到的強度信息數據在計算機上進行數字濾波，使拍頻后信號的三個或多個
頻率分量分離，再分別對其相干解調之后，得到每個載波信號的處理結果；之后，令三個或多個載波處理結果經旋轉矢量和法合成為目標信號，并根據預先設定的隨機時序矩形光脈沖對目標信號進行時序重組，使得待測光纖上每個位置對應的隨機采樣序列被一一列出。對經過時序重組后的信號的相位通過離散傅里葉變換得到該相位對應的頻譜，進而定位振動信號的位置，并獲得振動信號的相位及頻率信息，進而定位振動信號所在位置。該頻譜的頻率和振幅分別表征振動信號的振動頻率和強度。
60.作為優(yōu)選，在聲光調制器aom與環(huán)形器b之間，還設置有摻鉺光纖放大器edfa，用于對聲光調制器aom輸出的帶有正弦調制的隨機脈沖序列進行能量放大。
61.進一步地，在摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b之間，還設有環(huán)形器a及布拉格光纖光柵fbg，其中，環(huán)形器a的兩個端口分別連接摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b，布拉格光纖光柵fbg連接環(huán)形器a的另外一個端口，用于濾去帶有正弦調制的隨機脈沖序列通過摻鉺光纖放大器edfa產生的寬譜噪聲。
62.本實施例中，以三個頻率復用為例，即電光調制器eom將偏振控制器pc輸出的光信號用單一頻率正弦脈沖調制形成具有三個頻率分量的雙邊帶信號，再進行隨機脈沖調制。
63.工作時，激光器laser輸出單頻連續(xù)光載波信號，經過耦合器coupler11后分為兩路，其中一路單頻連續(xù)光信號通過偏振控制器pc調整偏振態(tài)后經過電光調制器eom和聲光調制器aom，其中電光調制器eom及聲光調制器aom均由任意波形發(fā)生器awg控制，任意波形發(fā)生器awg為兩通道(ch1、ch2)的任意波形發(fā)生器，任意波形發(fā)生器awg的通道1(ch1)輸出單一頻率正弦脈沖給電光調制器eom，電光調制器eom對光載波進行強度調制，假定該單一頻率為v0，經過電光調制器eom的調制后，產生與光載波頻率間隔為v0的雙邊帶信號，使得該路單頻連續(xù)光信號的時域波形呈現(xiàn)正弦圖樣，并產生三個載波分量的雙邊帶信號，通過調節(jié)偏振控制器pc及電光調制器eom控制電壓使得三個頻率分量的光信號能量相當；含有三個頻率分量的光信號輸入至聲光調制器aom。同時，任意波形發(fā)生器awg的通道2(ch2)輸出預先設定的隨機時序矩形脈沖序列信號給聲光調制器aom，將電光調制器eom輸出的正弦調制光信號(即含有三個頻率分量的雙邊帶信號)調制為帶有正弦調制的隨機脈沖序列，并附加一個基準的光頻移，為后續(xù)相干解調引入外差。其中，任意波形發(fā)生器awg的通道2(ch2)輸出預先設定的隨機時序要求任意兩個光脈沖之間的時間間隔大于光脈沖渡越時間的兩倍，且不要求采樣時間序列完全隨機，只需要滿足光脈沖的采樣時間間隔不全部相等，設計的采樣時間序列可以是任意兩個脈沖間隔隨機的，也可以是許多組不同采樣頻率的采樣序列的組合，最終信號處理時需要根據預設的隨機采樣序列來對信號進行信號重排。
64.經過電光調制器eom的調制后，形成如圖2所示的三載波光信號，圖中，δf表示電光調制器eom引入的調制頻率。該雙邊帶信號再次經過聲光調制器aom調制為帶有正弦調制的隨機脈沖序列，該隨機脈沖序列同樣具有三個頻率分量，通過上述方式，由單一光脈沖直接得到三個頻率的三組信息，而無需對三個頻率分別進行頻率調制，從而大大簡化了頻率復用的系統(tǒng)需求。即本發(fā)明與傳統(tǒng)的頻分復用不同，三個頻率一直都是同時存在，一個光脈沖內同時存在三個頻率分量，不需要將其分成三個脈沖分別進行處理。為得到最佳信號處理結果，應使電光調制器eom的調制頻率小于聲光調制器aom引入的頻移，且通過電光調制器eom控制使三個載波信號能量差值在3db以內。
65.將通過聲光調制器aom后形成的帶有正弦調制的隨機脈沖序列經過摻鉺光纖放大
器edfa進行信號放大后，輸出的信號進入環(huán)形器a及布拉格光纖光柵(布拉格光纖光柵fbg)濾去噪聲，去噪后的帶有正弦調制的隨機脈沖序信號通過環(huán)形器b的第2端口輸出到待測光纖fut，產生后向瑞利散射信號。其中，待測光纖fut包括但不限于普通單模光纖、多芯光纖、少模光纖等。
66.產生的后向瑞利散射信號通過環(huán)形器b的第3端口輸出并與耦合器coupler11輸出的另一路單頻連續(xù)光信號(作為本地光)通過3db耦合器coupler12相干，耦合輸出的兩路耦合信號由平衡光電探測器bpd進行光信號采樣并轉化為電信號，最后由高速示波器oscilloscope進行數據采集用以后續(xù)處理。其中，經過平衡光電探測器bpd對兩路耦合信號拍頻之后，信號被遷移至中頻。
67.將采集到的數據在電腦上進行相干解調之后，根預先設定的隨機時序采樣光脈沖對信號進行時序重組，使得待測光纖上每個位置對應的隨機采樣序列被一一列出，并排列成矩陣形式，然后通過離散傅里葉變換對數據進行處理，得到振動信號的頻譜，在振動信號的頻譜上，尋找頻率異變信號，即可快速定位振動事件所在位置。
68.本發(fā)明實現(xiàn)了對超越奈奎斯特采樣定理限制的超高頻率振動信號的定量監(jiān)測，并將極大提升相位敏感光時域反射傳感技術在現(xiàn)實中的應用價值，可在任意傳感光纖上實現(xiàn)對遠超限制的超高頻信號進行測量。
69.進一步地，對于每個確定的頻率，在待測光纖內的衰落位置是確定的，對于不同頻率，在待測光纖內的衰落位置一般不同，本發(fā)明通過復用三個或多個頻率信號使得待測光纖中干涉衰落位置處信號互相補償，從而抑制或消除干涉衰落，進而降低了信號的解調錯誤率，可以真正實現(xiàn)對振動信號強度的精確測量。具體的：
70.由于振動信號的強度變化與瑞利散射信號的相位變化間成線性關系，瑞利信號的相位改變量是可測得的，且與光纖所受外界應力之間滿足：
[0071][0072]
其中，δφ為擾動位置處瑞利信號相位改變量，ε為光纖產生的應變值，n為光纖折射率，l為受應力影響的光纖長度，λ為探測光波長，ξ為光纖物理性質等決定的常數。
[0073]
而瑞利散射信號的相位變化又與經過離散傅里葉變換后的到的振動信號的頻譜呈線性關系。故可以得到振動信號的強度變化與經過離散傅里葉變換后的到的振動信號的頻譜呈線性關系。
[0074]
基于上述關系，進行振動信號響應曲線標定，即提前測量振動信號大小和測定的頻率異變信號的信號強度之間的關系。在隨機時序采樣光脈沖確定后，任意位置處的瑞利散射信號的相位變化時域曲線與其離散傅里葉變換頻譜峰值之間成線性關系，其線性關系函數與隨機時序采樣光脈沖成確定的關系。對振動信號響應曲線進行標定的一種經濟的方法是直接在待測傳感光纖末端通過壓電換能器(pzt)等器件引入已知強度與頻率的振動信號，通過改變振動信號強度，測得對應振動頻率下的信號頻譜，再將測得的多個數據線進行線性擬合，即可求得具體的線性關系函數，即經過離散傅里葉變換后的到的振動信號的頻譜峰值與振動信號的強度變化之間的線性關系。在具體的應用中，安裝完成傳感器系統(tǒng)后在待測光纖末端對振動信號線性響應函數進行校準；在后續(xù)工作中，只需對采集到的光信號進行離散傅里葉變換即可定位異常信號，且可進一步根據異常信號的頻譜峰值強度及標
定線性關系函數計算監(jiān)測到的信號大小，可借此對信號危險程度進行判斷，或是對安全小信號進行誤報排除等。
[0075]
本發(fā)明中的分布式超高頻振動信號光纖傳感器，最高可探測頻率不再如傳統(tǒng)均勻采樣方案一般受傳感光纖總長度限制，而是受預先設定的隨機時序采樣光脈沖的最小時間分辨率(即序列內所有脈沖時間間隔的最大公約數)所限，理論上滿足最大公約數越小，頻率響應上限越大。當不考慮設備器件的物理限制，本發(fā)明的方案得到的頻率響應上限可以任意大。例如，若預先設定的隨機時序采樣光脈沖的所有脈沖時間間隔之間的最大公約數為1us，則其頻率響應能力等效于以1us為脈沖間隔的均勻采樣，由奈奎斯特定理，其可探測最高頻率為
[0076]
實際上，本發(fā)明中，頻率響應上限受波形發(fā)生器或其它能夠產生預先設定的隨機時序采樣光脈沖的微波源性能限制。
[0077]
實施例1
[0078]
本實施例中，通過兩通道的任意波形發(fā)生器awg產生的預先設定的隨機時序采樣光脈沖，該預先設定的隨機時序采樣光脈沖為每兩個探測脈沖的時間間隔均不相同，且均大于光脈沖在待測光纖中的渡越時間的兩倍，以保證瑞利信號之間不發(fā)生重疊，且所有脈沖時間間隔之間的最大公約數為1us，如圖3所示。
[0079]
采用窄線寬激光器，輸出功率和頻率穩(wěn)定的連續(xù)光。待測光纖fut為普通單模光纖。
[0080]
根據目標傳感場景，確定傳感光纖長度、折射率、聲光調制器aom移頻量等參數，選擇探測光波長、邊帶調制頻率等參數，其中邊帶調制頻率(任意波形發(fā)生器awg產生的單一頻率正弦脈沖的頻率)至少應小于聲光調制器aom引入頻移；再根據光脈沖在待測光纖中的渡越時間來確定探測脈沖的時間間隔。
[0081]
搭建如圖1所示的分布式超高頻振動信號光纖傳感器系統(tǒng)。任意波形發(fā)生器awg生成v0為200mhz的正弦脈沖信號，電光調制器eom調制頻率為80mhz，調制完成后得到的隨機光脈沖序列在相干解調后，將同時存在120mhz、200mhz、280mhz三個頻移分量。通過本發(fā)明中的分布式超高頻振動信號光纖傳感器系統(tǒng)后，將得到的數據進行相干解調，恢復待測光纖上每個位置對應的隨機采樣序列，并通過相應的傅里葉變換得到頻率異變信號。
[0082]
進行振動信號響應曲線標定，得到如圖4所示的5km待測光纖(在4.92km處施加振動信號)上對96khz振動信號的響應曲線，圖中縱軸為處理得到的信號頻譜峰值大小，橫軸為pzt輸入信號的電壓大小(正比于振動信號強度)，處理結果能夠對振動信號強度作線性響應。仿真結果表明，通過本發(fā)明中的傳感器，在5km的待測光纖上探測得到了頻率高達384khz的振動信號，而傳統(tǒng)的探測方案可以探測到的頻率上限為10khz?？梢钥闯?，采用本發(fā)明的方案，雖然低于理論上可探測的頻率上限500khz(如前文所述，是由于任意波形發(fā)生器awg的物理限制)，但仍數十倍于傳統(tǒng)探測方案的上限頻率。
[0083]
如圖5所示，當目標信號為384khz時，得到的探測信號的頻譜，可以從圖5中看出清晰的384khz頻率分量，同時觀察到500khz頻率上限之后的頻譜重復。
[0084]
如圖6和圖7所示，圖6為傳統(tǒng)的單一頻率探測方案下振動信號附近相位圖樣，圖7為本發(fā)明實施例中的振動信號附近相位圖樣。其中，圖6和圖7為同一次測量結果，從振動位
置均為4.92km可直接看出。
[0085]
從圖6中可以看出，對于傳統(tǒng)的單一頻率探測方案，相干探測得到的瑞利散射信號的相位譜雖然能夠攜帶目標信號的強度信息，但不可避免地受到干涉衰落的極大干擾，在應對信號較小的長距離傳感場景和對信號敏感度較高的隨機采樣探測場景下這一問題尤為突出。如本實施例中，針對目標信號(4.92km處的振動信息)，由于受到干涉衰落的影響，完全被淹沒在干涉衰落帶來的偽信號中，試圖提取其中的目標信號強度信息是不切實際的。
[0086]
從圖7中可以看出，在采用本實施例中所使用的衰落抑制方案后，相比圖6，三頻合成信號結果中干涉衰落被完全抑制，能夠直接從信號相位圖中定位出目標信號位置，同時排除干涉衰落帶來的偽信號影響，準確測量目標信號導致的瑞利散射信號相位變化，從而極大提升信噪比，真正實現(xiàn)對目標信號的定量測量。
[0087]
實施例2
[0088]
與實施例1不同的是，本實施例中隨機采樣時序方案為：將隨機時序采樣光脈沖分為十組，每組內共30-100個探測脈沖，同組內的探測脈沖時間間隔相等且大于脈沖在光纖中的渡越時間的兩倍，而不同組間的探測脈沖時間間隔不同，分別δt1、δt2……
δt
10
，但時間間隔最大公約數與實施例1相同，即對應可探測的頻率上限相同，如圖8所示。
[0089]
當探測相同的目標信號時(待測信號頻率和強度相同)，得到的探測信號的頻譜如圖9所示，可以從圖中看出，能夠分辨出清晰的384khz頻率分量，觀察到500khz頻率上限之后的頻譜重復，但是噪聲基底不如實施例1的平滑，信噪比較實施例1略差。即針對不同的隨機時序采樣光脈沖，所得到的頻譜信噪比不同。而最終得到的振動信號附近相位圖樣與圖7類似，不同的是由于采用的隨機時序采樣光脈沖不同，得到的在4.92km處的振動信息灰有所不同。
[0090]
需要說明的是，在其它實施例中，也可以使用其它對探測脈沖時間間隔進行調制的隨機采樣方案，只要不是單一頻率重復探測方案即可。在實際應用中，基于探測脈沖序列隨機度越高，相同條件下探測結果的信噪比越好的原則進行選擇隨機采樣方案。
[0091]
本發(fā)明提出并實驗驗證了基于隨機采樣技術的干涉衰落抑制的相干φ-otdr技術，實現(xiàn)了在中長距離傳感場景下對超越奈奎斯特頻率的超高頻率振動信號的定量檢測，根據這一特征可以實現(xiàn)不受采樣定理限制的分布式長距離/超長距離振動信號傳感系統(tǒng)或結構安全監(jiān)測系統(tǒng)。
[0092]
本發(fā)明基于隨機采樣技術，對光脈沖時間間隔進行調制，并能夠實現(xiàn)衰落抑制的相干相敏分布式超高頻振動傳感器，通過在任意傳感光纖中搭建相干相位敏感光時域反射傳感系統(tǒng)(φ-otdr)，并使用頻分復用方案進行干涉衰落抑制后，對系統(tǒng)的探測脈沖時間間隔進行一定規(guī)則下的隨機調制，從而實現(xiàn)隨機采樣，大大降低了系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的風險，極大提升了對于信號強度的測量準確性，使得該方案在實踐中的應用成為可能。本方案在超長距離安全監(jiān)測和超高頻率安全監(jiān)測等領域(如油氣管道安全監(jiān)測等長距離監(jiān)測領域及道路橋梁結構健康監(jiān)測等特殊信號監(jiān)測領域)具有不可替代的價值，具有廣闊的市場前景。
[0093]
同時，實驗也證了實該系統(tǒng)可以在長距離傳感光纖中實現(xiàn)對數百khz量級超高頻率的振動信號的位置的準確定位，并對振動信號的頻率和強度進行準確測量。
[0094]
需要指出的是，圖1所展示的系統(tǒng)結構可能有很多變種，無法在此一一列舉，但凡
是使用隨機采樣技術突破探測頻率限制、且使用頻分復用方案進行干涉衰落消除的相干φ-otdr探測系統(tǒng)，均在本發(fā)明所要求的保護范圍內，而不受所使用的光纖的性質、所使用的頻率復用方案的差異、系統(tǒng)結構的順序和方向、數據處理的具體方案差異等改變所影響，不以具體系統(tǒng)的實現(xiàn)方式的不同而跳出本發(fā)明所要求保護的范圍。例如不能說通過對系統(tǒng)做一些變化，如多使用或少使用某些儀器，或者采用另一種與實施例不同的頻率復用手段或是相干接收與解調技術等，來繞過本發(fā)明所要求的保護。
[0095]
本發(fā)明提供了一種分布式超高頻振動信號測量方法，包括：
[0096]
步驟s1、輸出單頻連續(xù)光載波信號，并將其分為兩路；將其中一路用多個不同頻率正弦脈沖調制，形成具有多個頻率分量的多邊帶信號；
[0097]
步驟s2、將多邊帶信號通過隨機時序采樣光脈沖調制為帶有正弦調制的隨機脈沖序列；
[0098]
步驟s3、將隨機脈沖序列輸入到待測光纖fut，待測光纖fut產生連續(xù)的后向瑞利散射信號，將后向瑞利散射信號與另一路光載波信號耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號；
[0099]
步驟s4、提取兩路連續(xù)的耦合信號拍頻后的強度信息，對該強度信息濾波使多個頻率分量分離，對分離后的多個頻率信號分別進行相干解調；
[0100]
步驟s5、將相干解調后的多個頻率信號合并，根據隨機時序采樣光脈沖對合并后的信號進行時序重組；
[0101]
步驟s6、對重組后的信號的相位進行離散傅里葉變換，得到該相位對應的頻譜，該頻譜的頻率和振幅分別表征振動信號的振動頻率和強度。
[0102]
其中，隨機時序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時間間隔不全部相等，并且采樣時間間隔滿足任意兩個光脈沖之間的時間間隔大于光脈沖渡越時間的兩倍。
[0103]
作為優(yōu)選，步驟s1中，還包括調整多個頻率分量的多邊帶信號的偏振態(tài)，使多個頻率分量的能量趨近相等。
[0104]
作為優(yōu)選，在步驟s3之前還包括步驟：將帶有正弦調制的隨機脈沖序列進行信號放大。
[0105]
作為優(yōu)選，還包括步驟：濾除信號放大后的隨機脈沖序列中的寬譜噪聲。
[0106]
作為優(yōu)選，預先設定的隨機時序采樣光脈沖為每兩個采樣脈沖的時間間隔均不相同，
[0107]
或為多組，同組內的采樣脈沖時間間隔相等，不同組間的采樣脈沖時間間隔不同。
[0108]
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。

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