1.本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)量方法及光纖傳感器。

背景技術(shù)：

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(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，其中分布式傳感是一種光纖鏈路上每一點(diǎn)都作為傳感元件的技術(shù)，光纖既做信息傳輸媒介同時(shí)又是傳感元，它可以連續(xù)測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度分布的環(huán)境參量，如溫度，應(yīng)變等，傳感長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里，鑒于其出色的技術(shù)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(yù)警、邊防等諸多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，是集智能化與環(huán)保于一身的理想的分布式測(cè)量工具。
3.在光纖中可應(yīng)用于信號(hào)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(jiàn)的基于瑞利散射的分布式傳感方案主要有光時(shí)域反射儀(otdr)、相位敏感光時(shí)域反射儀(φ-otdr)等。otdr技術(shù)通過(guò)采集光脈沖在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的后向瑞利散射信號(hào)，再由其時(shí)域信息對(duì)信號(hào)位置進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的分布式傳感。由于使用非相干光源，otdr技術(shù)僅能得到光纖損耗、光纖斷點(diǎn)等信息，不能對(duì)外界擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和測(cè)量。
4.φ-otdr技術(shù)是在otdr技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)采用高度相干光源實(shí)現(xiàn)的；由于光源的高度相干性，φ-otdr技術(shù)所采集到的后向瑞利散射信號(hào)將形成干涉圖樣，反映出光纖上固有的應(yīng)力狀況等信息，并且當(dāng)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(yīng)力作用時(shí)，瑞利干涉圖樣將發(fā)生改變，從而能夠?qū)ν饨鐢_動(dòng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。φ-otdr技術(shù)可進(jìn)一步分為直接檢測(cè)和相干檢測(cè)兩類(lèi)：直接檢測(cè)方案系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但外界擾動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)變化與擾動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系并非線性，從而無(wú)法對(duì)外界擾動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；而在相干檢測(cè)系統(tǒng)中，瑞利信號(hào)的相位改變量是可測(cè)得的，且擾動(dòng)位置處瑞利信號(hào)相位改變量與光纖所受外界應(yīng)力之間滿足一定關(guān)系，基于該關(guān)系，可以通過(guò)計(jì)算光纖中瑞利信號(hào)相位改變量來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量光纖所受應(yīng)力大小。
5.但是該類(lèi)分布式光時(shí)域傳感系統(tǒng)絕大多數(shù)均使用的是等時(shí)間間隔的均勻采樣脈沖，為使每次探測(cè)光脈沖產(chǎn)生的瑞利信號(hào)不發(fā)生重疊，需要保證兩個(gè)相鄰光脈沖之間的時(shí)間間隔大于光脈沖在光纖中的渡越時(shí)間的兩倍，而奈奎斯特采樣定理決定系統(tǒng)可探測(cè)頻率上限為光脈沖重復(fù)頻率的一半，因而其頻率響應(yīng)受到傳感光纖長(zhǎng)度限制。常見(jiàn)的數(shù)千米至數(shù)十千米傳感場(chǎng)景下該頻率上限不過(guò)千赫茲甚至百赫茲量級(jí)，在較長(zhǎng)光纖上只能測(cè)量數(shù)khz量級(jí)甚至更低頻率的信號(hào)，這意味著材料斷裂、油氣泄漏、工程機(jī)械入侵等高頻信號(hào)事件可能無(wú)法監(jiān)測(cè)。
6.同時(shí)，φ-otdr技術(shù)必須在相干探測(cè)方案下才能測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，由于利用了光脈沖內(nèi)部的瑞利信號(hào)干涉，從而存在干涉衰落現(xiàn)象，將導(dǎo)致對(duì)衰落位置處信號(hào)相位的相干解調(diào)錯(cuò)誤，造成信號(hào)解調(diào)錯(cuò)誤率很高，會(huì)帶來(lái)大量的監(jiān)測(cè)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(cè)方案難以實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

7.針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)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(duì)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
8.為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)量方法，包括：
9.步驟s1、輸出單頻連續(xù)光載波信號(hào)，并將其分為兩路；將其中一路用多個(gè)不同頻率正弦脈沖調(diào)制，形成具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)；
10.步驟s2、將所述多邊帶信號(hào)通過(guò)隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖調(diào)制為帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列；
11.步驟s3、將所述隨機(jī)脈沖序列輸入到待測(cè)光纖fut，待測(cè)光纖fut產(chǎn)生連續(xù)的后向瑞利散射信號(hào)，將所述后向瑞利散射信號(hào)與另一路光載波信號(hào)耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號(hào)；
12.步驟s4、提取所述兩路連續(xù)的耦合信號(hào)拍頻后的強(qiáng)度信息，對(duì)該強(qiáng)度信息濾波使多個(gè)頻率分量分離，對(duì)分離后的多個(gè)頻率信號(hào)分別進(jìn)行相干解調(diào)；
13.步驟s5、將相干解調(diào)后的多個(gè)頻率信號(hào)合并，根據(jù)隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖對(duì)合并后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)序重組；
14.步驟s6、對(duì)重組后的信號(hào)的相位進(jìn)行離散傅里葉變換，得到該相位對(duì)應(yīng)的頻譜，該頻譜的頻率和振幅分別表征振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度。
15.進(jìn)一步地，所述隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時(shí)間間隔不全部相等，并且采樣時(shí)間間隔滿足任意兩個(gè)光脈沖之間的時(shí)間間隔大于光脈沖渡越時(shí)間的兩倍。
16.進(jìn)一步地，步驟s1中，還包括調(diào)整所述多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)的偏振態(tài)，使多個(gè)頻率分量的能量趨近相等。
17.進(jìn)一步地，在步驟s3之前還包括步驟：將帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列進(jìn)行信號(hào)放大。
18.進(jìn)一步地，還包括步驟：濾除信號(hào)放大后的隨機(jī)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(dòng)信號(hào)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(hào)；
21.耦合器coupler11，用于將所述單頻連續(xù)光載波信號(hào)分為兩路光載波信號(hào)；
22.任意波形發(fā)生器awg，至少為兩通道，其中一個(gè)通道連接電光調(diào)制器eom，用于產(chǎn)生多個(gè)頻率正弦脈沖，另一個(gè)通道連接聲光調(diào)制器aom，用于產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖；
23.電光調(diào)制器eom，將其中一路光載波信號(hào)用所述多個(gè)頻率正弦脈沖調(diào)制，形成具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)；
24.聲光調(diào)制器aom，用于將所述多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)通過(guò)所述隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖調(diào)制為帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列；
25.環(huán)形器b，用于將所述帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列輸出到待測(cè)光纖fut，待測(cè)光纖fut產(chǎn)生連續(xù)的后向瑞利散射信號(hào)通過(guò)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(hào)與耦合器coupler11輸出的另一路光載波信號(hào)進(jìn)行耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號(hào)；
27.平衡光電探測(cè)器bpd，用于探測(cè)所述兩路連續(xù)的耦合信號(hào)的拍頻信號(hào)強(qiáng)度信息，將
所述強(qiáng)度信息輸入高速示波器oscilloscope進(jìn)行采集。
28.進(jìn)一步地，所述隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時(shí)間間隔不全部相等，并且采樣時(shí)間間隔滿足任意兩個(gè)光脈沖之間的時(shí)間間隔大于光脈沖渡越時(shí)間的兩倍。
29.進(jìn)一步地，還包括設(shè)置在耦合器coupler11與電光調(diào)制器eom之間的偏振控制器pc，用于調(diào)整所述多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)的偏振態(tài)，使多個(gè)頻率分量的能量趨近相等。
30.進(jìn)一步地，在所述聲光調(diào)制器aom與環(huán)形器b之間，還設(shè)置有摻鉺光纖放大器edfa。
31.進(jìn)一步地，在所述摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b之間，還設(shè)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(gè)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(gè)端口。
32.總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，能夠取得以下有益效果：
33.(1)對(duì)于每個(gè)確定的頻率，在待測(cè)光纖內(nèi)的衰落位置是確定的，對(duì)于不同頻率，在待測(cè)光纖內(nèi)的衰落位置一般不同，本發(fā)明通過(guò)將光載波調(diào)制為具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)，并在接收端對(duì)多個(gè)頻率分量分別進(jìn)行相干解調(diào)后將其合并，使得待測(cè)光纖中干涉衰落位置處信號(hào)互相補(bǔ)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(duì)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
34.(2)進(jìn)一步地，本發(fā)明將具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)通過(guò)隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖進(jìn)行調(diào)制，使調(diào)制后的隨機(jī)脈沖序列具有抗頻譜混疊的效果，系統(tǒng)頻率響應(yīng)上限與隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖的采樣時(shí)間間隔相關(guān)，采樣時(shí)間間隔的最大公約數(shù)越小，系統(tǒng)頻率響應(yīng)上限越高，實(shí)現(xiàn)了在長(zhǎng)距離傳感光纖中對(duì)數(shù)百khz量級(jí)超高頻率的振動(dòng)信號(hào)的位置的準(zhǔn)確定位及振動(dòng)強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)量。
35.(3)作為優(yōu)選，調(diào)整多邊帶信號(hào)的多個(gè)頻率分量能量差值趨近相等，在接收端對(duì)多個(gè)頻率分量分別進(jìn)行相干解調(diào)后，可以提升合并后的目標(biāo)信號(hào)在干涉衰落位置處信號(hào)互相補(bǔ)償?shù)男Ч?br>36.(4)作為優(yōu)選，在聲光調(diào)制器aom與環(huán)形器b之間設(shè)置有摻鉺光纖放大器edfa，用于對(duì)聲光調(diào)制器aom輸出的隨機(jī)脈沖序列進(jìn)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(shè)有環(huán)形器a及布拉格光纖光柵fbg，用于濾去隨機(jī)脈沖序列通過(guò)摻鉺光纖放大器edfa產(chǎn)生的寬譜噪聲。
38.總而言之，本發(fā)明通過(guò)應(yīng)用頻分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行干涉衰落現(xiàn)象的抑制，并與隨機(jī)采樣技術(shù)的結(jié)合，解決了現(xiàn)有的分布式φ-otdr系統(tǒng)不能檢測(cè)高頻信號(hào)的缺陷的同時(shí)，避免了相干傳感系統(tǒng)中常出現(xiàn)的信號(hào)解調(diào)錯(cuò)誤。
附圖說(shuō)明
39.圖1為本發(fā)明提供的分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
40.圖2為經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器eom調(diào)制后產(chǎn)生的三個(gè)頻率分量的雙邊帶信號(hào)。
41.圖3為本發(fā)明實(shí)施例1提供的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖。
42.圖4為本發(fā)明實(shí)施例1標(biāo)定的振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)曲線。
43.圖5為本發(fā)明實(shí)施例1測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)的頻譜。
44.圖6為傳統(tǒng)的單一頻率探測(cè)方案下振動(dòng)信號(hào)附近相位圖樣。
45.圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中的振動(dòng)信號(hào)附近相位圖樣。
46.圖8為本發(fā)明實(shí)施例2提供的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖。
47.圖9為本發(fā)明實(shí)施例2測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)的頻譜。
具體實(shí)施方式
48.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)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(dòng)信號(hào)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(hào)。
51.耦合器coupler11，用于將上述單頻連續(xù)光載波信號(hào)分為兩路。
52.偏振控制器pc，用于調(diào)整耦合器coupler11輸出的一路單頻連續(xù)光載波信號(hào)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(gè)通道連接電光調(diào)制器eom，用于產(chǎn)生單一頻率正弦脈沖或者產(chǎn)生多個(gè)頻率的正弦脈沖，另一個(gè)通道連接聲光調(diào)制器aom，用于產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖。在其它實(shí)施例中，也可以是通過(guò)其它微波源分別連接電光調(diào)制器eom和光調(diào)制器aom，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。本實(shí)施例中，
54.電光調(diào)制器eom，將偏振控制器pc輸出的光信號(hào)用單一頻率正弦脈沖調(diào)制，形成具有三個(gè)頻率分量的雙邊帶信號(hào)，并通過(guò)控制偏振控制器pc，使該雙邊帶信號(hào)的三個(gè)頻率分量的能量趨近相等，作為優(yōu)選，使該雙邊帶信號(hào)的三個(gè)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(diào)制器aom的固有頻率，作為優(yōu)選，小于聲光調(diào)制器aom固有頻率的一半?；蛘?，電光調(diào)制器eom也可以將偏振控制器pc輸出的光信號(hào)用多個(gè)不同頻率正弦脈沖調(diào)制，形成具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)，并且要求每個(gè)頻率分量均小于聲光調(diào)制器aom的固有頻率。
55.聲光調(diào)制器aom，用于將三個(gè)頻率分量的雙邊帶信號(hào)或者是具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖調(diào)制為帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列。其中，預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時(shí)間間隔不全部相等，并且采樣時(shí)間間隔滿足任意兩個(gè)光脈沖之間的時(shí)間間隔大于光脈沖渡越時(shí)間的兩倍。
56.環(huán)形器b，用于將該帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列輸出到待測(cè)光纖fut，待測(cè)光纖fut產(chǎn)生的后向瑞利散射信號(hào)通過(guò)該環(huán)形器b另一端口輸出。保證進(jìn)入待測(cè)光纖的后向信號(hào)能夠從同光路中提取出來(lái)。
57.3db耦合器coupler12，用于將后向瑞利散射信號(hào)與耦合器coupler11輸出的另一路光載波信號(hào)進(jìn)行耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號(hào)，該兩路連續(xù)的耦合信號(hào)分別為后向瑞利散射信號(hào)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(cè)器bpd，用于將3db耦合器coupler12輸出的兩路連續(xù)的耦合信號(hào)拍頻，并將拍頻后得到的強(qiáng)度信息輸入高速示波器oscilloscope進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即采集兩路耦合信號(hào)拍頻后的強(qiáng)度信息。
59.將采集到的強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字濾波，使拍頻后信號(hào)的三個(gè)或多個(gè)
頻率分量分離，再分別對(duì)其相干解調(diào)之后，得到每個(gè)載波信號(hào)的處理結(jié)果；之后，令三個(gè)或多個(gè)載波處理結(jié)果經(jīng)旋轉(zhuǎn)矢量和法合成為目標(biāo)信號(hào)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序矩形光脈沖對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行時(shí)序重組，使得待測(cè)光纖上每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的隨機(jī)采樣序列被一一列出。對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)序重組后的信號(hào)的相位通過(guò)離散傅里葉變換得到該相位對(duì)應(yīng)的頻譜，進(jìn)而定位振動(dòng)信號(hào)的位置，并獲得振動(dòng)信號(hào)的相位及頻率信息，進(jìn)而定位振動(dòng)信號(hào)所在位置。該頻譜的頻率和振幅分別表征振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度。
60.作為優(yōu)選，在聲光調(diào)制器aom與環(huán)形器b之間，還設(shè)置有摻鉺光纖放大器edfa，用于對(duì)聲光調(diào)制器aom輸出的帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列進(jìn)行能量放大。
61.進(jìn)一步地，在摻鉺光纖放大器edfa與環(huán)形器b之間，還設(shè)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(gè)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(gè)端口，用于濾去帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列通過(guò)摻鉺光纖放大器edfa產(chǎn)生的寬譜噪聲。
62.本實(shí)施例中，以三個(gè)頻率復(fù)用為例，即電光調(diào)制器eom將偏振控制器pc輸出的光信號(hào)用單一頻率正弦脈沖調(diào)制形成具有三個(gè)頻率分量的雙邊帶信號(hào)，再進(jìn)行隨機(jī)脈沖調(diào)制。
63.工作時(shí)，激光器laser輸出單頻連續(xù)光載波信號(hào)，經(jīng)過(guò)耦合器coupler11后分為兩路，其中一路單頻連續(xù)光信號(hào)通過(guò)偏振控制器pc調(diào)整偏振態(tài)后經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器eom和聲光調(diào)制器aom，其中電光調(diào)制器eom及聲光調(diào)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(diào)制器eom，電光調(diào)制器eom對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，假定該單一頻率為v0，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器eom的調(diào)制后，產(chǎn)生與光載波頻率間隔為v0的雙邊帶信號(hào)，使得該路單頻連續(xù)光信號(hào)的時(shí)域波形呈現(xiàn)正弦圖樣，并產(chǎn)生三個(gè)載波分量的雙邊帶信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器pc及電光調(diào)制器eom控制電壓使得三個(gè)頻率分量的光信號(hào)能量相當(dāng)；含有三個(gè)頻率分量的光信號(hào)輸入至聲光調(diào)制器aom。同時(shí)，任意波形發(fā)生器awg的通道2(ch2)輸出預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序矩形脈沖序列信號(hào)給聲光調(diào)制器aom，將電光調(diào)制器eom輸出的正弦調(diào)制光信號(hào)(即含有三個(gè)頻率分量的雙邊帶信號(hào))調(diào)制為帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列，并附加一個(gè)基準(zhǔn)的光頻移，為后續(xù)相干解調(diào)引入外差。其中，任意波形發(fā)生器awg的通道2(ch2)輸出預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序要求任意兩個(gè)光脈沖之間的時(shí)間間隔大于光脈沖渡越時(shí)間的兩倍，且不要求采樣時(shí)間序列完全隨機(jī)，只需要滿足光脈沖的采樣時(shí)間間隔不全部相等，設(shè)計(jì)的采樣時(shí)間序列可以是任意兩個(gè)脈沖間隔隨機(jī)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(hào)處理時(shí)需要根據(jù)預(yù)設(shè)的隨機(jī)采樣序列來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重排。
64.經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器eom的調(diào)制后，形成如圖2所示的三載波光信號(hào)，圖中，δf表示電光調(diào)制器eom引入的調(diào)制頻率。該雙邊帶信號(hào)再次經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器aom調(diào)制為帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列，該隨機(jī)脈沖序列同樣具有三個(gè)頻率分量，通過(guò)上述方式，由單一光脈沖直接得到三個(gè)頻率的三組信息，而無(wú)需對(duì)三個(gè)頻率分別進(jìn)行頻率調(diào)制，從而大大簡(jiǎn)化了頻率復(fù)用的系統(tǒng)需求。即本發(fā)明與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用不同，三個(gè)頻率一直都是同時(shí)存在，一個(gè)光脈沖內(nèi)同時(shí)存在三個(gè)頻率分量，不需要將其分成三個(gè)脈沖分別進(jìn)行處理。為得到最佳信號(hào)處理結(jié)果，應(yīng)使電光調(diào)制器eom的調(diào)制頻率小于聲光調(diào)制器aom引入的頻移，且通過(guò)電光調(diào)制器eom控制使三個(gè)載波信號(hào)能量差值在3db以內(nèi)。
65.將通過(guò)聲光調(diào)制器aom后形成的帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大
器edfa進(jìn)行信號(hào)放大后，輸出的信號(hào)進(jìn)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(diào)制的隨機(jī)脈沖序信號(hào)通過(guò)環(huán)形器b的第2端口輸出到待測(cè)光纖fut，產(chǎn)生后向瑞利散射信號(hào)。其中，待測(cè)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(chǎn)生的后向瑞利散射信號(hào)通過(guò)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(hào)(作為本地光)通過(guò)3db耦合器coupler12相干，耦合輸出的兩路耦合信號(hào)由平衡光電探測(cè)器bpd進(jìn)行光信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后由高速示波器oscilloscope進(jìn)行數(shù)據(jù)采集用以后續(xù)處理。其中，經(jīng)過(guò)平衡光電探測(cè)器bpd對(duì)兩路耦合信號(hào)拍頻之后，信號(hào)被遷移至中頻。
67.將采集到的數(shù)據(jù)在電腦上進(jìn)行相干解調(diào)之后，根預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)序重組，使得待測(cè)光纖上每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的隨機(jī)采樣序列被一一列出，并排列成矩陣形式，然后通過(guò)離散傅里葉變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜，在振動(dòng)信號(hào)的頻譜上，尋找頻率異變信號(hào)，即可快速定位振動(dòng)事件所在位置。
68.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)超越奈奎斯特采樣定理限制的超高頻率振動(dòng)信號(hào)的定量監(jiān)測(cè)，并將極大提升相位敏感光時(shí)域反射傳感技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用價(jià)值，可在任意傳感光纖上實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)超限制的超高頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
69.進(jìn)一步地，對(duì)于每個(gè)確定的頻率，在待測(cè)光纖內(nèi)的衰落位置是確定的，對(duì)于不同頻率，在待測(cè)光纖內(nèi)的衰落位置一般不同，本發(fā)明通過(guò)復(fù)用三個(gè)或多個(gè)頻率信號(hào)使得待測(cè)光纖中干涉衰落位置處信號(hào)互相補(bǔ)償，從而抑制或消除干涉衰落，進(jìn)而降低了信號(hào)的解調(diào)錯(cuò)誤率，可以真正實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度的精確測(cè)量。具體的：
70.由于振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度變化與瑞利散射信號(hào)的相位變化間成線性關(guān)系，瑞利信號(hào)的相位改變量是可測(cè)得的，且與光纖所受外界應(yīng)力之間滿足：
[0071][0072]
其中，δφ為擾動(dòng)位置處瑞利信號(hào)相位改變量，ε為光纖產(chǎn)生的應(yīng)變值，n為光纖折射率，l為受應(yīng)力影響的光纖長(zhǎng)度，λ為探測(cè)光波長(zhǎng)，ξ為光纖物理性質(zhì)等決定的常數(shù)。
[0073]
而瑞利散射信號(hào)的相位變化又與經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后的到的振動(dòng)信號(hào)的頻譜呈線性關(guān)系。故可以得到振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度變化與經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后的到的振動(dòng)信號(hào)的頻譜呈線性關(guān)系。
[0074]
基于上述關(guān)系，進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)曲線標(biāo)定，即提前測(cè)量振動(dòng)信號(hào)大小和測(cè)定的頻率異變信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系。在隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖確定后，任意位置處的瑞利散射信號(hào)的相位變化時(shí)域曲線與其離散傅里葉變換頻譜峰值之間成線性關(guān)系，其線性關(guān)系函數(shù)與隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖成確定的關(guān)系。對(duì)振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)曲線進(jìn)行標(biāo)定的一種經(jīng)濟(jì)的方法是直接在待測(cè)傳感光纖末端通過(guò)壓電換能器(pzt)等器件引入已知強(qiáng)度與頻率的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)改變振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)得對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率下的信號(hào)頻譜，再將測(cè)得的多個(gè)數(shù)據(jù)線進(jìn)行線性擬合，即可求得具體的線性關(guān)系函數(shù)，即經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后的到的振動(dòng)信號(hào)的頻譜峰值與振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度變化之間的線性關(guān)系。在具體的應(yīng)用中，安裝完成傳感器系統(tǒng)后在待測(cè)光纖末端對(duì)振動(dòng)信號(hào)線性響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)；在后續(xù)工作中，只需對(duì)采集到的光信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換即可定位異常信號(hào)，且可進(jìn)一步根據(jù)異常信號(hào)的頻譜峰值強(qiáng)度及標(biāo)
定線性關(guān)系函數(shù)計(jì)算監(jiān)測(cè)到的信號(hào)大小，可借此對(duì)信號(hào)危險(xiǎn)程度進(jìn)行判斷，或是對(duì)安全小信號(hào)進(jìn)行誤報(bào)排除等。
[0075]
本發(fā)明中的分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)光纖傳感器，最高可探測(cè)頻率不再如傳統(tǒng)均勻采樣方案一般受傳感光纖總長(zhǎng)度限制，而是受預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖的最小時(shí)間分辨率(即序列內(nèi)所有脈沖時(shí)間間隔的最大公約數(shù))所限，理論上滿足最大公約數(shù)越小，頻率響應(yīng)上限越大。當(dāng)不考慮設(shè)備器件的物理限制，本發(fā)明的方案得到的頻率響應(yīng)上限可以任意大。例如，若預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖的所有脈沖時(shí)間間隔之間的最大公約數(shù)為1us，則其頻率響應(yīng)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(cè)最高頻率為
[0076]
實(shí)際上，本發(fā)明中，頻率響應(yīng)上限受波形發(fā)生器或其它能夠產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖的微波源性能限制。
[0077]
實(shí)施例1
[0078]
本實(shí)施例中，通過(guò)兩通道的任意波形發(fā)生器awg產(chǎn)生的預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖，該預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖為每?jī)蓚€(gè)探測(cè)脈沖的時(shí)間間隔均不相同，且均大于光脈沖在待測(cè)光纖中的渡越時(shí)間的兩倍，以保證瑞利信號(hào)之間不發(fā)生重疊，且所有脈沖時(shí)間間隔之間的最大公約數(shù)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(cè)光纖fut為普通單模光纖。
[0080]
根據(jù)目標(biāo)傳感場(chǎng)景，確定傳感光纖長(zhǎng)度、折射率、聲光調(diào)制器aom移頻量等參數(shù)，選擇探測(cè)光波長(zhǎng)、邊帶調(diào)制頻率等參數(shù)，其中邊帶調(diào)制頻率(任意波形發(fā)生器awg產(chǎn)生的單一頻率正弦脈沖的頻率)至少應(yīng)小于聲光調(diào)制器aom引入頻移；再根據(jù)光脈沖在待測(cè)光纖中的渡越時(shí)間來(lái)確定探測(cè)脈沖的時(shí)間間隔。
[0081]
搭建如圖1所示的分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)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(hào)，電光調(diào)制器eom調(diào)制頻率為80mhz，調(diào)制完成后得到的隨機(jī)光脈沖序列在相干解調(diào)后，將同時(shí)存在120mhz、200mhz、280mhz三個(gè)頻移分量。通過(guò)本發(fā)明中的分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)光纖傳感器系統(tǒng)后，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)待測(cè)光纖上每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的隨機(jī)采樣序列，并通過(guò)相應(yīng)的傅里葉變換得到頻率異變信號(hào)。
[0082]
進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)曲線標(biāo)定，得到如圖4所示的5km待測(cè)光纖(在4.92km處施加振動(dòng)信號(hào))上對(duì)96khz振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)曲線，圖中縱軸為處理得到的信號(hào)頻譜峰值大小，橫軸為pzt輸入信號(hào)的電壓大小(正比于振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度)，處理結(jié)果能夠?qū)φ駝?dòng)信號(hào)強(qiáng)度作線性響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，通過(guò)本發(fā)明中的傳感器，在5km的待測(cè)光纖上探測(cè)得到了頻率高達(dá)384khz的振動(dòng)信號(hào)，而傳統(tǒng)的探測(cè)方案可以探測(cè)到的頻率上限為10khz?？梢钥闯觯捎帽景l(fā)明的方案，雖然低于理論上可探測(cè)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(shù)十倍于傳統(tǒng)探測(cè)方案的上限頻率。
[0083]
如圖5所示，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)為384khz時(shí)，得到的探測(cè)信號(hào)的頻譜，可以從圖5中看出清晰的384khz頻率分量，同時(shí)觀察到500khz頻率上限之后的頻譜重復(fù)。
[0084]
如圖6和圖7所示，圖6為傳統(tǒng)的單一頻率探測(cè)方案下振動(dòng)信號(hào)附近相位圖樣，圖7為本發(fā)明實(shí)施例中的振動(dòng)信號(hào)附近相位圖樣。其中，圖6和圖7為同一次測(cè)量結(jié)果，從振動(dòng)位
置均為4.92km可直接看出。
[0085]
從圖6中可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)的單一頻率探測(cè)方案，相干探測(cè)得到的瑞利散射信號(hào)的相位譜雖然能夠攜帶目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度信息，但不可避免地受到干涉衰落的極大干擾，在應(yīng)對(duì)信號(hào)較小的長(zhǎng)距離傳感場(chǎng)景和對(duì)信號(hào)敏感度較高的隨機(jī)采樣探測(cè)場(chǎng)景下這一問(wèn)題尤為突出。如本實(shí)施例中，針對(duì)目標(biāo)信號(hào)(4.92km處的振動(dòng)信息)，由于受到干涉衰落的影響，完全被淹沒(méi)在干涉衰落帶來(lái)的偽信號(hào)中，試圖提取其中的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度信息是不切實(shí)際的。
[0086]
從圖7中可以看出，在采用本實(shí)施例中所使用的衰落抑制方案后，相比圖6，三頻合成信號(hào)結(jié)果中干涉衰落被完全抑制，能夠直接從信號(hào)相位圖中定位出目標(biāo)信號(hào)位置，同時(shí)排除干涉衰落帶來(lái)的偽信號(hào)影響，準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)信號(hào)導(dǎo)致的瑞利散射信號(hào)相位變化，從而極大提升信噪比，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的定量測(cè)量。
[0087]
實(shí)施例2
[0088]
與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例中隨機(jī)采樣時(shí)序方案為：將隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖分為十組，每組內(nèi)共30-100個(gè)探測(cè)脈沖，同組內(nèi)的探測(cè)脈沖時(shí)間間隔相等且大于脈沖在光纖中的渡越時(shí)間的兩倍，而不同組間的探測(cè)脈沖時(shí)間間隔不同，分別δt1、δt2……
δt
10
，但時(shí)間間隔最大公約數(shù)與實(shí)施例1相同，即對(duì)應(yīng)可探測(cè)的頻率上限相同，如圖8所示。
[0089]
當(dāng)探測(cè)相同的目標(biāo)信號(hào)時(shí)(待測(cè)信號(hào)頻率和強(qiáng)度相同)，得到的探測(cè)信號(hào)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(fù)，但是噪聲基底不如實(shí)施例1的平滑，信噪比較實(shí)施例1略差。即針對(duì)不同的隨機(jī)時(shí)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(dòng)信號(hào)附近相位圖樣與圖7類(lèi)似，不同的是由于采用的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖不同，得到的在4.92km處的振動(dòng)信息灰有所不同。
[0090]
需要說(shuō)明的是，在其它實(shí)施例中，也可以使用其它對(duì)探測(cè)脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)制的隨機(jī)采樣方案，只要不是單一頻率重復(fù)探測(cè)方案即可。在實(shí)際應(yīng)用中，基于探測(cè)脈沖序列隨機(jī)度越高，相同條件下探測(cè)結(jié)果的信噪比越好的原則進(jìn)行選擇隨機(jī)采樣方案。
[0091]
本發(fā)明提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于隨機(jī)采樣技術(shù)的干涉衰落抑制的相干φ-otdr技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在中長(zhǎng)距離傳感場(chǎng)景下對(duì)超越奈奎斯特頻率的超高頻率振動(dòng)信號(hào)的定量檢測(cè)，根據(jù)這一特征可以實(shí)現(xiàn)不受采樣定理限制的分布式長(zhǎng)距離/超長(zhǎng)距離振動(dòng)信號(hào)傳感系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0092]
本發(fā)明基于隨機(jī)采樣技術(shù)，對(duì)光脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)制，并能夠?qū)崿F(xiàn)衰落抑制的相干相敏分布式超高頻振動(dòng)傳感器，通過(guò)在任意傳感光纖中搭建相干相位敏感光時(shí)域反射傳感系統(tǒng)(φ-otdr)，并使用頻分復(fù)用方案進(jìn)行干涉衰落抑制后，對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行一定規(guī)則下的隨機(jī)調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)采樣，大大降低了系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，極大提升了對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量準(zhǔn)確性，使得該方案在實(shí)踐中的應(yīng)用成為可能。本方案在超長(zhǎng)距離安全監(jiān)測(cè)和超高頻率安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域(如油氣管道安全監(jiān)測(cè)等長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)領(lǐng)域及道路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等特殊信號(hào)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域)具有不可替代的價(jià)值，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
[0093]
同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也證了實(shí)該系統(tǒng)可以在長(zhǎng)距離傳感光纖中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)百khz量級(jí)超高頻率的振動(dòng)信號(hào)的位置的準(zhǔn)確定位，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻率和強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
[0094]
需要指出的是，圖1所展示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能有很多變種，無(wú)法在此一一列舉，但凡
是使用隨機(jī)采樣技術(shù)突破探測(cè)頻率限制、且使用頻分復(fù)用方案進(jìn)行干涉衰落消除的相干φ-otdr探測(cè)系統(tǒng)，均在本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍內(nèi)，而不受所使用的光纖的性質(zhì)、所使用的頻率復(fù)用方案的差異、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的順序和方向、數(shù)據(jù)處理的具體方案差異等改變所影響，不以具體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式的不同而跳出本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。例如不能說(shuō)通過(guò)對(duì)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(shí)施例不同的頻率復(fù)用手段或是相干接收與解調(diào)技術(shù)等，來(lái)繞過(guò)本發(fā)明所要求的保護(hù)。
[0095]
本發(fā)明提供了一種分布式超高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)量方法，包括：
[0096]
步驟s1、輸出單頻連續(xù)光載波信號(hào)，并將其分為兩路；將其中一路用多個(gè)不同頻率正弦脈沖調(diào)制，形成具有多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)；
[0097]
步驟s2、將多邊帶信號(hào)通過(guò)隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖調(diào)制為帶有正弦調(diào)制的隨機(jī)脈沖序列；
[0098]
步驟s3、將隨機(jī)脈沖序列輸入到待測(cè)光纖fut，待測(cè)光纖fut產(chǎn)生連續(xù)的后向瑞利散射信號(hào)，將后向瑞利散射信號(hào)與另一路光載波信號(hào)耦合后輸出兩路連續(xù)的耦合信號(hào)；
[0099]
步驟s4、提取兩路連續(xù)的耦合信號(hào)拍頻后的強(qiáng)度信息，對(duì)該強(qiáng)度信息濾波使多個(gè)頻率分量分離，對(duì)分離后的多個(gè)頻率信號(hào)分別進(jìn)行相干解調(diào)；
[0100]
步驟s5、將相干解調(diào)后的多個(gè)頻率信號(hào)合并，根據(jù)隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖對(duì)合并后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)序重組；
[0101]
步驟s6、對(duì)重組后的信號(hào)的相位進(jìn)行離散傅里葉變換，得到該相位對(duì)應(yīng)的頻譜，該頻譜的頻率和振幅分別表征振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度。
[0102]
其中，隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖滿足光脈沖的采樣時(shí)間間隔不全部相等，并且采樣時(shí)間間隔滿足任意兩個(gè)光脈沖之間的時(shí)間間隔大于光脈沖渡越時(shí)間的兩倍。
[0103]
作為優(yōu)選，步驟s1中，還包括調(diào)整多個(gè)頻率分量的多邊帶信號(hào)的偏振態(tài)，使多個(gè)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(diào)制的隨機(jī)脈沖序列進(jìn)行信號(hào)放大。
[0105]
作為優(yōu)選，還包括步驟：濾除信號(hào)放大后的隨機(jī)脈沖序列中的寬譜噪聲。
[0106]
作為優(yōu)選，預(yù)先設(shè)定的隨機(jī)時(shí)序采樣光脈沖為每?jī)蓚€(gè)采樣脈沖的時(shí)間間隔均不相同，
[0107]
或?yàn)槎嘟M，同組內(nèi)的采樣脈沖時(shí)間間隔相等，不同組間的采樣脈沖時(shí)間間隔不同。
[0108]
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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