CN109489801A - 基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，涉及光纤分布式传感领域；本发明在保持标准单芯光纤分布式声波传感***(DAS)优势的同时，利用信号空分收发阵列实现多芯光纤每根纤芯后向瑞利散射光强度的叠加，可大幅提高DAS的光学信噪比，从而显著提高DAS的总体信噪比及应变分辨率；同时增设光开关调控每根纤芯声波传感信号的延迟时间，可快速解调出带相应编码增益的单脉冲响应，使DAS在不牺牲响应频宽的同时，通过编码增益大幅提升***光学信噪比，从而提高了DAS应变分辨率；基于信号空分收发阵列和光开关，实现精确延迟多芯光纤中每根芯的后向瑞利散射光接收时间，提升了DAS***对于外界声波信号的响应频宽。
Description
技术领域
本发明涉及信号复用技术和光纤分布式传感领域，尤其涉及基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***。
背景技术
由于现代社会对于通信容量需求的急剧增长，各类复用技术不断地发展，使得每根纤维的容量每四年增加10倍；然而，普通单根光纤在未来十年将达到其容量极限。为了解决迫在眉睫的通信容量需求问题，空分复用技术(space-division multiplexing,SDM)在近年蓬勃发展。目前，SDM所需的多芯光纤和多模光纤等器件已达实用指标，同时成本大大降低，因此SDM有望成为下一个信息时代的代表性技术。
分布式光纤传感(distributed optical fiber sensing,DOFS)在地震监测、大型工程安全监测、入侵监测等领域有着广泛应用，是实现广域物联网的核心技术之一。在众多的DOFS技术中，基于光纤后向瑞利散射光相位解调的分布式声波传感(distributedacoustic sensing,DAS)***，因其具有高灵敏度和实时性好的特性，在近年来受到广泛关注。尤其是近两年快速发展的基于频率啁啾脉冲的相干探测技术、互相关解调技术以及脉冲编码技术，把分布式声波传感***的应变分辨率提高至皮应变量级，同时把传感距离提高至大于50km的量级。
但是，现有单芯光纤DAS***仍然存在两个问题：一、输出光纤的探测脉冲能量受到光纤的非线性效应阈值限制，导致后向瑞利散射光的能量较弱，因此***应变分辨率提升程度有限；二、DAS***对于外界声波信号的采样率受到待测光纤长度的限制。现有技术中光脉冲编码可以缓解第一个问题，但是光脉冲编码需要打入几组码字之后才能得到单脉冲响应，所以会降低DAS***对外界声波信号的最高响应频率。现有技术中的频分复用技术(frequency division multiplexing,FDM)在理论上可以解决第二个问题，但是，使用的频率越多，对于前端调制器的带宽要求和后端电信号的采样率要求就越高；另外，为了避免不同中频的信号串扰，使用的频率的间隔需要足够大。基于上述原因，FDM提高外界声波信号响应频宽的能力有限。同时，DAS***由于其单端测量的特性，在极端恶劣环境下，比如井下高温或者深海高压等条件下有突出的应用前景。综上所述，一种在各种环境下都能大幅提高应变分辨率和响应频宽的新型光纤DAS***需要被开发。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，解决现有单芯光纤DAS***应变分辨率低和响应频宽受限的问题。
本发明采用的技术方案如下：
基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，包括信号发生装置、信号接收和解调装置，还包括多芯光纤和信号空分收发阵列，所述信号发生装置、信号空分收发阵列、多芯光纤、信号接收和解调装置依次连接，实现基于多芯光纤后向瑞利散射光的单端分布式声波传感。
优选地，所述信号空分收发阵列包括环形器阵列和扇入扇出，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出输入至多芯光纤进行传输；多芯光纤的后向瑞利散射光从扇入扇出经环形器阵列的端口3进入信号接收和解调装置；
所述信号接收和解调装置包括依次连接的光合束器、光放大及相位提取模块、光电探测器和信号解调模块，多芯光纤的后向瑞利散射光从信号空分收发阵列输出光合束器，实现在光域上后向瑞利散射光的强度叠加。
优选地，所述信号发生装置调制输出M个通道的脉冲序列的峰值功率Qi和重频Radd如下：
Qi＝P+qi
Radd＝c/(2Ln)
其中，M为多芯光纤的纤芯数；P为普通单模光纤中探测脉冲峰值功率的上限；qi为第i个通道的信号从信号分束器到扇入扇出的***损耗，其中i≤M；c为真空光速；L为待测光纤的长度；n为光纤的折射率。
优选地，所述信号空分收发阵列包括环形器阵列和扇入扇出，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出输入至多芯光纤进行传输；
所述信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块、探测器阵列和信号解调模块，所述多芯光纤中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出经环形器阵列的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块、探测器阵列和信号解调模块，实现数字信号叠加后完成信号接收和解调。
优选地，所述信号解调模块的输出信号为探测器阵列接收的每个通道信号的总和；所述信号发生装置调制输出M个通道的脉冲序列的峰值功率Qi和重频Radd如下：
Qi＝P+qi
Radd＝c/(2Ln)
其中，M为多芯光纤的纤芯数；P为普通单模光纤中探测脉冲峰值功率的上限；qi为第i个通道的信号从信号分束器到扇入扇出的***损耗，其中i≤M；c为真空光速；L为待测光纤的长度；n为光纤的折射率。
优选地，所述信号发生装置包括顺次连接的窄线宽激光器、调制出连续的脉冲序列的脉冲调制模块、信号分束器和光开关，光开关的M个输出通道同时输出不同的脉冲编码序列，其中，M为多芯光纤的纤芯数；
所述信号空分收发阵列包括环形器阵列和扇入扇出，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出输入至多芯光纤进行传输；
所述信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块、探测器阵列和信号解调模块；所述多芯光纤中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出经环形器阵列的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块、探测器阵列和信号解调模块。
优选地，所述脉冲调制模块输出的脉冲序列中，相邻脉冲之间的间隔时间w需满足下列条件：
w＞2Δtswitch
其中，Δtswitch为光开关的最快切换时间；
光开关输出的脉冲编码序列需满足下列条件：
m＜M
其中，τ为脉冲调制模块输出脉冲的宽度，m为输出光开关的编码序列的行数，b为每行编码序列含有的比特数，c为真空光速，L为待测光纤的长度，n为光纤的折射率。
基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，包括信号接收和解调装置，还包括产生多通道精确延迟脉冲序列的信号发生装置、多芯光纤和信号空分收发阵列，所述信号发生装置、信号空分收发阵列、多芯光纤、信号接收和解调装置依次连接，实现基于多芯光纤后向瑞利散射光的单端分布式声波传感。
优选地，所述信号发生装置包括依次连接的窄线宽激光器、调制出连续的脉冲序列的脉冲调制模块、信号分束器和用于精确延迟多芯光纤每根芯响应时间的光开关，光开关将信号分束器的每一个输出通道的脉冲进行精确时延错位；
所述信号空分收发阵列包括环形器阵列和扇入扇出，所述信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出输入至多芯光纤进行传输，
所述信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块、探测器阵列和信号解调模块，
所述多芯光纤中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出经环形器阵列的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块、探测器阵列和信号解调模块，实现延时接收每个通道的响应的。
优选地，所述信号发生装置中的脉冲调制模块输出的脉冲序列的重频R为Mc/2Ln；光开关的每个通道输出的脉冲重频为c/2Ln，相邻通道的输入脉冲时间延迟量为2Ln/(M-1)c，其中M为多芯光纤的纤芯数，c为真空光速，L为待测光纤的长度，n为光纤的折射率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明对多芯光纤后向瑞利散射光进行SDM，通过叠加每根芯中后向瑞利散射光的强度，提高DAS***的总体信噪比，进而提升了DAS***的应变分辨率；利用多芯光纤的后向瑞利散射光进行SDM且增设用于精确延迟多芯光纤中每根芯的响应时间的光开关，提高了DAS***对外界声波信号采样率，扩宽了DAS***对于外界声波信号的响应频宽；
2.本发明为了大幅提升后向瑞利散射光强度，利用光合束器、信号空分收发阵列叠加多芯光纤中每根芯接收功率，即叠加光强，突破了标准单光纤分布式声波传感***中探测脉冲功率上限受限于光纤非线性阈值的瓶颈，可大幅提高DAS***的光学信噪比，从而提高DAS***应变分辨率；
3.本发明为了大幅提升后向瑞利散射光强度，利用信号空分收发阵列、多芯光纤和探测器阵列叠加多芯光纤中每根芯输出的电信号，即数字信号叠加，打破了标准单光纤分布式声波传感***中探测脉冲功率上限受限于光纤非线性阈值的瓶颈，提高了DAS***的光学信噪比，从而提高了DAS***应变分辨率；
4.本发明的信号空分收发阵列、多芯光纤和光开关，调制出多行脉冲编码序列，然后分别输入多芯光纤的不同纤芯，使不同编码序列的响应可以同时进行接收，从而可以快速解调出带相应编码增益的单脉冲响应，克服了使用标准单芯光纤进行光脉冲编码造成的对于DAS***响应频宽的影响，使DAS***在不牺牲响应频宽的同时，通过编码增益大幅提升***光学信噪比，从而提高了DAS***应变分辨率；
5.本发明基于信号空分收发阵列和精确延迟多芯光纤中每根芯的后向瑞利散射光接收时间的光开关，实现每个通道响应的精确延时接收，提升了DAS***对外界声波信号的采样率，从而大幅提高了DAS***对于外界声波信号的响应频宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1的***框图；
图2为本发明实施例2的***框图；
图3为本发明实施例3或者4的***框图；
图4为本发明环形器端口结构示意图；
图5为结合4路SDM和7位Golay互补序列光脉冲编码的DAS***中，脉冲在多芯光纤中传输的示意图；
图6为本发明实施例4的原理图；
图7为实施例4中，未使用SDM和使用SDM对于外界声波信号采样时间间隔的对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
外界声波信号可以局部改变待测光纤的长度和折射率，从而对探测脉冲产生的后向瑞利散射光进行相位调制；DAS***通过解调后向瑞利散射光的相位变化，可以定位并定量测量外界的声波信号。
通常情况下，后向瑞利散射光的强度非常弱，使得DAS***的信噪较低，大大限制了DAS***的应变分辨率。增加探测脉冲的宽度和增加探测脉冲的功率均有助于提高后向瑞利散射光的强度；但是，由于DAS***的空间分辨率决定于探测脉冲的宽度，因此为了满足工程需要，脉冲宽度的增量有限。另外，探测脉冲的峰值功率受限于光纤的非线性效应，具体来说，其受限于受激布里渊效应(stimulated Brillouin scattering,SBS)阈值；光纤的SBS阈值估算如式1所示：
Pcr≈21·Aeff/[gB(ΩB)·Leff] (1)
其中，Pcr为SBS阈值功率，Aeff为光纤的有效面积，gB为布里渊增益，ΩB为布里渊频移，Leff为光纤的有效长度。DAS***一般使用高相干的窄线宽激光器，这使得产生SBS的阈值更低；一旦达到布里渊阈值，SBS将把绝大部分探测光功率转移到后向斯托克斯光中，从而造成信号能量的大幅流失。因此，DAS***输出脉冲的峰值功率不可高于光纤的SBS阈值。
本发明运用SDM，通过叠加多芯光纤中每根芯的后向瑞利散射光，大幅提升DAS***的光学信噪比，进而提升DAS***的应变分辨率：
如图1所示，DAS***包括信号发生装置、信号接收和解调装置，还包括多芯光纤600和信号空分收发阵列，信号发生装置、信号空分收发阵列、多芯光纤600、信号接收和解调装置依次连接，实现基于多芯光纤后向瑞利散射光的单端DAS。
其中，信号发生装置包括顺次连接的窄线宽激光器100、脉冲调制模块200和信号分束器300；信号空分收发阵列包括环形器阵列400和扇入扇出500；信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列400的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出500输入至多芯光纤600进行传输；多芯光纤600的后向瑞利散射光从扇入扇出500经环形器阵列400的端口3进入信号接收和解调装置；
信号接收和解调装置包括依次连接光合束器700、光放大及相位提取模块800、光电探测器901和信号解调模块1000；多芯光纤600的后向瑞利散射光从信号空分收发阵列输出光合束器700，实现在光域上后向瑞利散射光的强度叠加，之后依次连接光放大及相位提取模块800、光电探测器901和信号解调模块1000，实现信号接收和解调。
窄线宽激光器100出射的连续光被脉冲调制模块200调制成脉冲序列输入信号分束器300，信号分束器每个通道输出峰值功率为Qi＝P+qi、重频为R＝c/(4Ln)的脉冲序列，其中，M为多芯光纤600的纤芯数；P为普通单模光纤中探测脉冲峰值功率的上限；qi为第i个通道的信号从信号分束器300到扇入扇出500的***损耗，其中i≤M；c为真空光速；L为待测光纤的长度；n为光纤的折射率。脉冲序列从信号分束器300经过环形器阵列400的端口1输入到端口2，再经过扇入扇出500输出至多芯光纤600的每根芯，输入每根芯的脉冲峰值功率为P。每一根芯的后向瑞利散射光经过扇入扇出500通过环形器阵列400的端口3至光合束器700，在经历很少的能量损失后进入光放大及相位提取模块800，然后进入光电探测器901；光电探测器输出的电信号再输入信号解调模块1000，得到外界声波信号的频率和幅度。
光放大及相位提取模块800可采用相干探测即用本振光进行信号放大和相位提取，或者使用掺铒光纤放大器结合干涉仪进行相位提取，因其为现有技术，在此不进行赘述。
本实施例的多芯光纤选择7芯光纤；环形器阵列400中有M个环形器，如图1所示，M值为7，环形器阵列400中有7个相同环形器401-407；单个环形器401-407的端口结构如图4所示。
本发明利用多芯光纤每根芯中后向瑞利散射光的强度叠加，提升DAS***光学信噪比，从而提升DAS***应变分辨率的原理如下：
DAS***的应变分辨率γ计算方式如式2所示：
其中，ε为外界施加的应变，SNR为解调信号功率谱密度(PSD)上得到的信噪比，单位为dB；式2所代表的物理含义为，当PSD上得到的信噪比为0dB时，即信号与噪声基底能量一样时，外界施加的应变量。从式2可以看出，当信号的SNR越大时，γ的值越小，因此提升了DAS***的应变分辨率。
本申请通过利用信号分束器300和信号空分收发阵列使得多芯光纤600中每条芯打入的脉冲峰值功率都可以达到单根光纤的功率上限，而每根芯得到的响应可以通过光合束器700进行叠加，从而提高DAS***接收信号的光强，从而提高DAS***的光学信噪比，进而提升其的应变分辨率，实现基于多芯光纤600后向瑞利散射光的单端DAS。
比起现有的利用多芯光纤600的透射光进行DAS的***，虽然透射光的强度远高于散射光的强度，但是这种***运用不同芯的传播常数差造成的相位差进行对外界扰动的定位和定量测量，其***鲁棒性和应变灵敏度低于现有DAS***；同时这种***需要探测端和接收端分别位于待测光纤的两端，但是在如井下高温或者深海高压等恶劣环境下，双端放置精密仪器非常困难。但是本申请在保持单端探测优势和DAS***对于外界声波信号响应频宽的同时，运用多芯光纤600中每根芯接收功率的叠加效应，突破了标准单光纤分布式声波传感***中探测脉冲功率上限受限于光纤非线性阈值的瓶颈，从而大幅提升后向瑞利散射光强度，从而提高了DAS***的光学信噪比，进而提升了其应变分辨率。
实施例2
如图2所示，基于实施例1，本实施例采用数字信号叠加提高DAS***的信号强度，***区别于实施例1的特征在于：信号空分收发阵列包括环形器阵列400和扇入扇出500，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列经环形器阵列400的端口1输出至端口2，然后通过扇入扇出500输入至多芯光纤600；信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块800、探测器阵列900和信号解调模块1000。多芯光纤600中每根芯的后向瑞利散射光经过扇入扇出500通过环形器阵列400的端口3至光放大及相位提取模块800，然后进入探测器阵列900，再输入信号解调模块1000。信号解调模块1000把接收的各个通道的电信号进行叠加，然后完成信号的解调，得到外界声波信号的频率和幅度。探测器阵列900中有M个光电探测器，在图2中，M的值为7，因此探测器阵列中有7个光电探测器901-907。
该***在保持单端探测优势和DAS***对于外界声波信号响应频宽的同时，利用信号空分收发阵列、多芯光纤和探测器阵列叠加每根芯输出的电信号，即数字信号叠加，突破了标准单光纤分布式声波传感***中探测脉冲功率上限受限于光纤非线性阈值的瓶颈，从而大幅提升了后向瑞利散射光，提高DAS***的光学信噪比，从而提升DAS***应变分辨率。
实施例3
如图3所示，基于实施例2，结合光脉冲编码，DAS***区别于实施例2的特征在于：信号发生装置包括顺次连接的窄线宽激光器100、调制出连续的脉冲序列脉冲调制模块200、信号分束器300和光开关1100，光开关1100的M个输出通道同时输出不同的脉冲编码序列，其中，M为多芯光纤600的纤芯数；信号空分收发阵列包括环形器阵列400和扇入扇出500；信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列400的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出500输入至多芯光纤600进行传输；信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块800、探测器阵列900和信号解调模块1000；多芯光纤600中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出500经环形器阵列400的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块800、探测器阵列900和信号解调模块1000。
设使用在DAS***中的光脉冲编码有m行编码序列，每个编码序列中有n个比特，每个比特之间的时间间隔为w，每一个比特对应的脉冲宽度为τ：
光开关1100输出的脉冲编码序列需满足式3和式4所述条件：
m<M (3)
脉冲调制模块200的脉冲序列中的相邻脉冲之间的间隔时间w需满足式5所述条件：
w＞2Δtswitch (5)
其中，Δtswitch为光开关1100的最快切换时间；
信号解调模块1000得到m条编码序列的响应之后根据编码类型进行解码。
图5展示了结合4路SDM和7位Golay编码的DAS***中，脉冲在多芯光纤600中传输的示意图；如果不使用SDM，则4行7位的Golay互补序列光脉冲编码虽然带来了√7/2的编码增益，但使DAS***的最高响应频率降低了4倍；但是使用SDM，在7芯光纤中选择4条应力环境相似的纤芯进行编码序列的传输，选中的4根芯中每一条芯传输不同的编码序列，则4行编码序列的响应可以同时得到，然后通过互相关解调可以得到带增益的单脉冲响应；因为4条编码序列的响应是同时得到的，所以该DAS***对于外界声波信号的最高响应频率不会产生较大的牺牲。该DAS***对于外界声波信号的最高响应频率如式6所示：
其中，(n-1)w+τ远远小于c/2Ln，因此该***相比于非编码的DAS***，其对外界声波信号的最高响应频率牺牲不大。
该***在保持单端测量优势的同时，其信号发生装置中的光开关1100、信号空分收发阵列结合探测器阵列900，可以使得不同的编码序列同时在多芯光纤600的不同芯中传输，使得带有编码增益的单脉冲响应可以被快速解调，克服了使用标准单芯光纤进行光脉冲编码造成的对于DAS***响应频宽的影响，使DAS***在不牺牲响应频宽的同时通过编码增益大幅提升***信噪比，从而提升DAS***应变分辨率。
实施例4
对于普通的DAS***，当一个探测脉冲的后向瑞利散射光完全被探测器接收器接收后，下一个探测脉冲才能打入；否则，两个脉冲的响应会在时域上发生重叠，从而发生干涉，导致两脉冲的响应发生串扰。一个探测脉冲的后向瑞利散射光响应持续时间T如式7所示：
T＝2Ln/c (7)
其中，L为待测光纤的长度，n为光纤纤芯的折射率，c为真空光速。单脉冲的***响应持续时间受限于光纤的长度。对于外界的声波信号来说，一个脉冲的响应相当于对其进行一次采样。因此，根据奈奎斯特采样定理(Nyquist sampling theorem)，DAS***对于外界声波信号的最高响应频率Q如式8所示：
Q＝c/4Ln (8)
利用FDM技术可以在一定程度上提升DAS***对于外界声波信号的最高响应频率，若FDM运用了F个中频信号，则DAS***的最高响应频率就会提高F倍。但是，由于不同中频信号之间不能发生混叠，并且FDM使用的最高频率受限于采样带宽，所以F的值有限。本发明介绍运用多芯光纤大幅提高对于外界声波信号的响应频宽的DAS***：
如图3所示，基于实施例3，DAS***包括信号接收和解调装置、产生多通道精确延迟脉冲序列的信号发生装置、多芯光纤600和信号空分收发阵列，信号发生装置、信号空分收发阵列、多芯光纤600、信号接收和解调装置依次连接，实现基于多芯光纤后向瑞利散射光的单端DAS。
信号发生装置包括依次连接的窄线宽激光器100、调制出连续的脉冲序列的脉冲调制模块200、信号分束器300和用于精确延迟多芯光纤600每根芯响应时间的光开关1100，光开关1100将信号分束器300的每一个输出通道的脉冲进行精确时延错位后输入信号空分收发阵列，通过多芯光纤600进行传输；信号空分收发阵列包括环形器阵列400和扇入扇出500，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列经环形器阵列400的端口1输出至端口2，然后通过扇入扇出500输入至多芯光纤600；
信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块800、探测器阵列900和信号解调模块1000；多芯光纤600中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出500经环形器阵列400的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块800、探测器阵列900和信号解调模块1000，实现延时接收每个通道的响应的，提升DAS***对外界声波信号采样率，从而大幅提高DAS***对于外界声波信号的响应频宽。
信号发生装置中的脉冲调制模块200输出的脉冲序列的重频R为Mc/2Ln；光开关1100的每个通道输出的脉冲重频为c/2Ln，相邻通道的输入脉冲时间延迟量为2Ln/(M-1)c，其中M为多芯光纤的纤芯数，c为真空光速，L为待测光纤的长度，n为光纤的折射率。图6为运用SDM提高对外界声波信号采样率的原理示意图，该示意图运用了7芯光纤，从图6可以看出，运用SDM，不必等一个脉冲传输出待测光纤之后再打入下一个脉冲，而是7个脉冲可以同时在多芯光纤600中传输。从而，DAS***对于外界声波信号的采样率可以增加7倍。若不运用SDM，图7所示的声波信号无法获取准确的频率，如图7(a)所示；若使用SDM，DAS***对于外界声波信号的采样率可以增加7倍，即对于外界声波信号的响应频宽增加7倍，因此对图6所示的声波信号就可以得到准确的频率，如图7(b)所示。使用SDM的DAS***对于外界声波信号的最高响应频率QSDM如式9所示：
QSDM＝Mc/4Ln (9)
其中，M为多芯光纤纤芯数，c为真空光速，L为探测光纤长度，n为光纤折射率。从式9可以看出，运用了SDM的DAS***，其对于外界扰动响应信号的最高响应频率提升了M倍，即DAS***的响应频宽提升了M倍。
该***在保持单端探测优势的同时，基于多芯光纤和精确延迟多芯光纤中的每根芯的响应时间的光开关，实现多个空间通道响应的精确延时接收，提升了DAS***对外界声波信号采样率，从而大幅提高DAS***对于外界声波信号的响应频宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，包括信号发生装置、信号接收和解调装置，其特征在于：还包括多芯光纤(600)和信号空分收发阵列，所述信号发生装置、信号空分收发阵列、多芯光纤(600)、信号接收和解调装置依次连接，实现基于多芯光纤后向瑞利散射光的单端分布式声波传感。
2.根据权利要求1所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：
所述信号空分收发阵列包括环形器阵列(400)和扇入扇出(500)，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列(400)的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出(500)输入至多芯光纤(600)进行传输；多芯光纤(600)的后向瑞利散射光从扇入扇出(500)经环形器阵列(400)的端口3进入信号接收和解调装置；
所述信号接收和解调装置包括依次连接的光合束器(700)、光放大及相位提取模块(800)、光电探测器(901)和信号解调模块(1000)，多芯光纤(600)的后向瑞利散射光从信号空分收发阵列输出光合束器(700)，实现在光域上后向瑞利散射光的强度叠加。
3.根据权利要求2所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：所述信号发生装置调制输出M个通道的脉冲序列的峰值功率Qi和重频Radd如下：
Qi＝P+qi
Radd＝c/(2Ln)
其中，M为多芯光纤(600)的纤芯数；P为普通单模光纤中探测脉冲峰值功率的上限；qi为第i个通道的信号从信号分束器(300)到扇入扇出(500)的***损耗，其中i≤M；c为真空光速；L为待测光纤的长度；n为光纤的折射率。
4.根据权利要求1所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：
所述信号空分收发阵列包括环形器阵列(400)和扇入扇出(500)，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列(400)的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出(500)输入至多芯光纤(600)进行传输；
所述信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块(800)、探测器阵列(900)和信号解调模块(1000)，所述多芯光纤(600)中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出(500)经环形器阵列(400)的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块(800)、探测器阵列(900)和信号解调模块(1000)，实现数字信号叠加后完成信号接收和解调。
5.根据权利要求4所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：所述信号解调模块(1000)的输出信号为探测器阵列(900)接收的每个通道信号的总和；所述信号发生装置调制输出M个通道的脉冲序列的峰值功率Qi和重频Radd如下：
Qi＝P+qi
Radd＝c/(2Ln)
其中，M为多芯光纤(600)的纤芯数；P为普通单模光纤中探测脉冲峰值功率的上限；qi为第i个通道的信号从信号分束器(300)到扇入扇出(500)的***损耗，其中i≤M；c为真空光速；L为待测光纤的长度；n为光纤的折射率。
6.根据权利要求1所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：
所述信号发生装置包括顺次连接的窄线宽激光器(100)、调制出连续的脉冲序列的脉冲调制模块(200)、信号分束器(300)和光开关(1100)，光开关(1100)的M个输出通道同时输出不同的脉冲编码序列，其中，M为多芯光纤(600)的纤芯数；
所述信号空分收发阵列包括环形器阵列(400)和扇入扇出(500)，信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列(400)的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出(500)输入至多芯光纤(600)进行传输；
所述信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块(800)、探测器阵列(900)和信号解调模块(1000)；所述多芯光纤(600)中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出(500)经环形器阵列(400)的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块(800)、探测器阵列(900)和信号解调模块(1000)。
7.根据权利要求6所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：所述脉冲调制模块(200)输出的脉冲序列中，相邻脉冲之间的间隔时间w需满足下列条件：
w＞2Δtswitch
其中，Δtswitch为光开关(1100)的最快切换时间；
光开关(1100)输出的脉冲编码序列需满足下列条件：
m＜M
其中，τ为脉冲调制模块(200)输出脉冲的宽度，m为输出光开关(1100)的编码序列的行数，b为每行编码序列含有的比特数，c为真空光速，L为待测光纤的长度，n为光纤的折射率。
8.基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，包括信号接收和解调装置，其特征在于：还包括产生多通道精确延迟脉冲序列的信号发生装置、多芯光纤(600)和信号空分收发阵列，所述信号发生装置、信号空分收发阵列、多芯光纤(600)、信号接收和解调装置依次连接，实现基于多芯光纤后向瑞利散射光的单端分布式声波传感。
9.根据权利要求8所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：
所述信号发生装置包括依次连接的窄线宽激光器(100)、调制出连续的脉冲序列的脉冲调制模块(200)、信号分束器(300)和用于精确延迟多芯光纤(600)每根芯响应时间的光开关(1100)，光开关(1100)将信号分束器(300)的每一个输出通道的脉冲进行精确时延错位；
所述信号空分收发阵列包括环形器阵列(400)和扇入扇出(500)，所述信号发生装置输出的多行脉冲编码序列从环形器阵列(400)的端口1输出至端口2后，通过扇入扇出(500)输入至多芯光纤(600)进行传输，
所述信号接收和解调装置包括光放大及相位提取模块(800)、探测器阵列(900)和信号解调模块(1000)，
所述多芯光纤(600)中每根芯的后向瑞利散射光从扇入扇出(500)经环形器阵列(400)的端口3输出后，依次连接光放大及相位提取模块(800)、探测器阵列(900)和信号解调模块(1000)，实现延时接收每个通道的响应的。
10.根据权利要求9所述的基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感***，其特征在于：所述信号发生装置中的脉冲调制模块(200)输出的脉冲序列的重频R为Mc/2Ln；光开关(1100)的每个通道输出的脉冲重频为c/2Ln，相邻通道的输入脉冲时间延迟量为2Ln/(M-1)c，其中M为多芯光纤的纤芯数，c为真空光速，L为待测光纤的长度，n为光纤的折射率。
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