CN112697181A - 一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法，通过将激光分为两路，经过强度调制器同步调制输出得到多频光脉冲序列，每个光脉冲频谱由一固定单频和频段不重叠的线性啁啾组成；该序列在传感光纤中能够产生频段相互分开的后向瑞利散射信号，通过使用不同频段的数字带通滤波器得到每个多频光脉冲的瑞利散射图样；依次对先后获取的瑞利散射图样进行相关处理，最终获得扰动位置及其扰动大小。本发明提供的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法，解决了传统装置中在重复周期内打入多个脉冲时造成的信号混叠的问题，缩短了探测间隔时间，测量速度提升较大，使得***在宽频大振动测量能力上得到提升。

Description

一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体的，涉及一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法。

背景技术

相位敏感光时域反射计

-OTDR是一种能够实现振动测量的分布式光纤传感技术。当激光光源输出光经过调制器调制成脉冲光注入传感光纤后，通过探测器探测后向瑞利散射光，根据散射光接收的时延来得到相应光纤位置处的信息。由于

-OTDR使用的是窄线宽光源，因此探测器接收到的是脉冲宽度内后向瑞利散射光相互干涉叠加后的结果。当外界扰动作用于光纤时，对应位置处的折射率将发生变化，从而导致该位置处光相位发生了改变，最终表现为该位置处散射光强度的剧烈起伏。

为了保证前后两次测量的散射光在时域上不发生混叠，***必须等待探测器接收到位于光纤末端的散射光后才能进行下一次的测量，这使得其测量速度受限于传感距离，即***对宽频振动的测量能力受到限制。

2016年，西班牙课题组提出了一种基于啁啾脉冲和直接探测型的

-OTDR(CP-

OTDR)***(WO2017093588A1)，其能够通过啁啾脉冲的时频关系对外界扰动引起的瑞利散射谱的频移进行补偿，从而实现对扰动的定量测量。一方面，该方法的测量速度仍然受到传感距离的限制，使其无法测量频率较高的外界扰动；另一方面，由于CP-

OTDR单次测量的频移量仅为啁啾脉冲扫频范围的3％-5％，因此其应变测量范围同样受到测量速度的影响。

频分复用技术是用于提高基于光时域反射技术测量速度的常见方法。例如2012年上海交通大学周俊、蔡海文等人提出的光频分复用相位敏感光时域反射计(CN201210124995.3)，其实现了对高频振动的检测，但其不得不提高脉冲宽度来避免测量过程中的频谱混叠，从而损失了定位精度。另外，2016年上海交通大学何祖源、刘庆文等人提出的分布式光纤传感***及其振动检测定位方法(CN201610719172.3)，在相干结构下采用扫频脉冲实现了多路频分复用，虽然克服了响应带宽与定位精度低的问题，但其***复杂度也提升了许多。目前，由于单个脉冲内与多个脉冲间存在着相互干涉的现象，现有的基于啁啾脉冲和直接探测型的

-OTDR***还无法满足频分复用条件。

发明内容

本发明为克服现有的基于啁啾脉冲和直接探测型的

-OTDR***测量速度存受限于传感距离技术缺陷，提供了一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法来实现对高频扰动的测量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，包括激光光源、频率调制装置、光放大与滤波模块、传感模块、信号采集及解调装置；所述信号采集及解调装置包括光电探测器、采集卡和解调装置；其中：

所述激光光源发出激光经所述频率调制装置进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

所述光放大与滤波模块对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除放大产生的噪声后，经过所述传感模块将光信号输入所述信号采集及解调装置中；

所述信号采集及解调装置通过所述光电探测器将光信号转化为电信号并输出到所述采集卡；

所述解调装置对所述采集卡的数据进行解码处理，通过利用N个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，将频段互不重叠的瑞利散射图样数据从频域上分开，分别取得N个多频脉冲的瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量。

上述方案中，本装置采用频率调制提高了光谱利用率，尽管多个多频脉冲按照一定间隔输入传感光纤会导致其在时域上相互混叠，但是由于多频脉冲频段不同，可根据不同频段的数字带通滤波器从频域上将各个多频脉冲的测量结果给分开，从而在一次测量时间内得到多条散射曲线。通过对多条散射曲线进行相关运算，便可得知相应位置处的扰动信息。有效提高了装置对外界扰动的相应速度，其振动频率测量范围及振动大小测量范围都得到较大的提升。

上述方案中，本装置采用频率调制提高了测量速度，在相同的巡回时间T_R内注入N个脉冲，根据奈奎斯特定律，装置能够响应的扰动频率同时提高了N倍。测量速度的提升意味着两次测量间的扰动变化量更小，使得其相对频移量降低，其测量精度更高，同时也降低了对扫频范围的要求。

上述方案中，本装置采用频率调制仅需在驱动电路和数据处理方式上进行改动，而且光路采用的是直接检测结构，结构更为简单，易于实现。

其中，所述频率调制装置包括信号发生器、第一频率调制器、第二频率调制器、脉冲调制器、第一耦合器和第二耦合器；其中：

所述第一耦合器分光比为50:50，用于将激光分成两束分别输入至所述第一频率调制器、第二频率调制器中；

所述信号发生器的一个通道重复输出N个不同频段的线性调频脉冲用于驱动所述第一频率调制器，重复输出间隔为T；另一通道产生同步输出N个固定频率的正弦脉冲信号用于驱动所述第二频率调制器，重复输出间隔为T；同时使用其中一个通道的同步端口输出信号用于驱动所述脉冲调制器；其中，N和T的乘积需等于光脉冲在传感光纤中的巡回时间T_R；

所述第二耦合器将所述第一频率调制器、第二频率调制器的输出光信号合并为多频光信号；

所述脉冲调制器将多频光信号调制成高消光比多频脉冲信号。

其中，所述巡回时间T_R表达式为：

其中，L为传感长度，n为折射率，c为光在真空中的光速。

上述方案中，所述的激光光源为窄线宽激光器，其线宽范围为100KHz～10MHz，用于抑制不同多频脉冲产生的散射光之间的干涉，避免测量频谱发生混叠。

上述方案中，多频脉冲频域的特点为：每个多频脉冲信号的频谱由两部分组成，一部分为线性扫频；另一部分为固定单频；两部分的最小间隔要大于线性扫频范围，线性部分扫频范围相同但所处频段不重叠。多频脉冲时域特点为：前后多频脉冲时间间隔相同、脉冲宽度相同。所述第一频率调制器和第二频率调制器为光强度调制器，提供偏置电压令其工作于合适的工作区，利用信号发生器产生的多频脉冲信号驱动，从而输出多频光脉冲。

上述方案中，所述脉冲调制器为半导体光放大器，用于输出高消光比的脉冲光。

其中，所述光放大与滤波模块包括光放大器、光滤波器和可调衰减器；其中：

所述光放大器将高消光比多频脉冲信号的光功率进行放大；

所述光滤波器滤除所述光放大器带来的噪声；

所述可调衰减器对滤波后的光功率进行调整，并将信号输入至所述传感模块中。

上述方案中，所述光放大器为掺铒光纤放大器，用于将脉冲光功率进行放大；所述光滤波器为带通滤波器，用于滤除光放大器带来的噪声；所述可调衰减器用于调节光功率防止引发非线性效应并保护电路。

其中，所述传感模块包括环形器和传感光纤；所述传感光纤输入端与所述可调衰减器输出端连接；所述环形器输入端与所述传感光纤相连；所述环形器输出端与所述光电探测器相连；其中：

所述可调衰减器将信号输入所述传感光纤中，由所述环形器接入所述光电探测器中。

上述方案中，所述传感光纤为单模光纤，长度为10Km。

上述方案中，激光光源发出激光分两路经过强度调制器同步调制输出得到多频光脉冲序列，每个光脉冲频谱由一固定单频和频段不重叠的线性啁啾组成，其在传感光纤中能够产生频段相互分开的后向瑞利散射信号，通过使用不同频段的数字带通滤波器可得到每个多频光脉冲的瑞利散射图样；依次对先后获取的瑞利散射图样进行相关处理，最终获得扰动位置及其扰动大小。该方法有效提高了装置对外界扰动的响应速度，其振动大小以及振动频率测量范围都将得到较大提升，适用于宽频大振动检测。

一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，包括以下步骤：

S1：对激光进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

S2：对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除噪声并进行传输；

S3：接收传输过来的光信号，对光信号进行解调；通过利用N个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，将频段互不重叠的瑞利散射图样数据从频域上分开，分别取得N个多频脉冲的瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量，完成对光信号的解调。

其中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：通过耦合器将射入的激光分成两束，分别输入第一频率调制器、第二频率调制器中；

S12：通过信号发生器产生两种驱动信号驱动第一频率调制器、第二频率调制器对两束激光分别进行调制；

其中，信号发生器一个通道重复输出N个不同频段的线性调频脉冲驱动第一频率调制器，重复输出间隔为T；另一通道产生同步输出N个固定频率的正弦脉冲信号驱动第二频率调制器，重复输出间隔为T；N和T的乘积需等于光脉冲在传感光纤中的巡回时间T_R；

S13：通过耦合器将第一频率调制器、第二频率调制器输出光信号合并为多频光信号；

S14：用信号发生器其中一个通道的同步端口输出信号驱动脉冲调制器，由脉冲调制器将多频光信号调制成高消光比多频脉冲信号。

其中，所述巡回时间T_R表达式具体为：

其中，L为传感长度，n为折射率，c为光在真空中的光速。

其中，信号发生器产生两种驱动信号具体为：

其中，V₀为驱动信号振幅；i为第i多频脉冲；K为扫频速率；τ_p为多频脉冲宽度；ΔF为多频脉冲带宽；f₀为多频脉冲起始频率；Δf为第1个多频脉冲线性扫频部分与固定单频的最小间隔；rect(·)为矩形函数；

通过直流偏置电压使得第一频率调制器、第二频率调制器工作在合适的工作点，信号发生器通过多频脉冲信号对第一频率调制器、第二频率调制器进行驱动，并同步输出至脉冲调制器；激光调制后输出的多频光脉冲E(t)为：

E(t)＝E_chirp(t)+E_single(t)

其中，E₀为输出信号振幅；i为第i多频脉冲；K为扫频速率；τ_p为多频脉冲宽度；ΔF为多频脉冲带宽；m为调制深度；Δf为第1个多频脉冲线性扫频部分与固定单频的最小间隔，rect(·)为矩形函数。

其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：高消光比多频脉冲信号在传输过程中，产生的后向瑞利散射信号通过光电探测器转化为电信号并输出到采集卡中；

S32：将数据采集卡得到的N个多频脉冲的后向散射信号I(t)作傅里叶变换得I(f)；其中，I(f)＝I₁(f)+I₂(f)；I₁(f)由每个多频脉冲的频谱线性部分瑞利散射光内干涉与固定单频瑞利散射光内干涉组成；I₂(f)由每个多频脉冲的频谱线性部分与固定单频的瑞利散射光相互干涉组成；

S33：由于I₂(f)中的频段不同且无重叠，I₁(f)与I₂(f)频段不同且无重叠，通过使用N个频段不同且无重叠的数字带通滤波器分别将I₂(f)中的数据分别取出并进行逆傅里叶变换，便还原出由N个多频脉冲得到的N条散射图样；

S34：分别对N条散射图样进行互相关运算，其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即：

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量。因此在相同的巡回时间T_R内，测量速度提升了N倍，响应带宽也提升了N倍。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法，通过将激光分为两路，经过强度调制器同步调制输出得到多频光脉冲序列，每个光脉冲频谱由一固定单频和频段不重叠的线性啁啾组成；该序列在传感光纤中能够产生频段相互分开的后向瑞利散射信号，通过使用不同频段的数字带通滤波器得到每个多频光脉冲的瑞利散射图样；依次对先后获取的瑞利散射图样进行相关处理，最终获得扰动位置及其扰动大小。该方法有效提高了装置对外界扰动的响应速度，其振动频率测量范围及振动大小测量范围都将得到较大提升，

附图说明

图1为一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置结构示意图；

图2为频率调制装置输出时序图；

图3为多脉冲注入光纤前后间隔示意图；

图4为多频脉冲的时域示意图；

图5为不同多频脉冲产生的后向瑞利散射光频域示意图；

其中：1、激光光源；2、频率调制装置；201、信号发生器；202、第一频率调制器；203、第二频率调制器；204、脉冲调制器；205、第一耦合器；206、第二耦合器；3、光放大与滤波模块；301、光放大器；302、光滤波器；303、可调衰减器；4、传感模块；401、环形器；402、传感光纤；5、信号采集及解调装置；501、光电探测器；502、采集卡；503、解调装置。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，包括激光光源1、频率调制装置2、光放大与滤波模块3、传感模块4、信号采集及解调装置5；所述信号采集及解调装置5包括光电探测器501、采集卡502和解调装置503；其中：

所述激光光源1发出激光经所述频率调制装置2进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

所述光放大与滤波模块3对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除放大产生的噪声后，经过所述传感模块4将光信号输入所述信号采集及解调装置5中；

所述信号采集及解调装置5通过所述光电探测器501将光信号转化为电信号并输出到所述采集卡502；

所述解调装置503对所述采集卡502的数据进行解码处理，通过利用N个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，将频段互不重叠的瑞利散射图样数据从频域上分开，分别取得N个多频脉冲的瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量。

在具体实施过程中，所述的激光光源1为窄线宽激光器，选用线宽为1MHz，对应相干时间为500ns，相干长度为100m。其目的是为了抑制前后多频光脉冲产生的散射光之间发生相互干涉。

在具体实施过程中，光电探测器501为光电探测器，带宽必须大于为10GHz；采集卡502采样率为15GSa/s；解调装置503为信号处理***，对采集卡502的数据数字滤波并进行相关解调。

更具体的，所述频率调制装置2包括信号发生器201、第一频率调制器202、第二频率调制器203、脉冲调制器204、第一耦合器205和第二耦合器206；其中：

所述第一耦合器205分光比为50:50，用于将激光分成两束分别输入至所述第一频率调制器202、第二频率调制器203中；

所述信号发生器201的一个通道重复输出100ns的线性调频脉冲用于驱动所述第一频率调制器202；另一通道产生同步输出100ns的正弦脉冲信号用于驱动所述第二频率调制器203；同时使用其中一个通道的同步端口输出信号用于驱动所述脉冲调制器204进行脉冲同步输出；其输出时序如图2所示。

所述第二耦合器206将所述第一频率调制器202、第二频率调制器203的输出光信号合并为多频光信号；

所述脉冲调制器204将多频光信号调制成高消光比多频脉冲信号。

更具体的，如图3所示，所述巡回时间T_R表达式具体为：

其中，L为传感长度，n为折射率，c为光在真空中的光速。

多频脉冲频谱特点为：每个多频脉冲信号的频谱由两部分组成，一部分为线性扫频；另一部分为固定单频；两部分的间隔要大于线性扫频范围，线性部分扫频范围相同(F＝1GHz)，不同脉冲之间的线性部分最小间隔为ΔF＝0.1GHz，每个脉冲中单频与线性部分最小间隔为1.1GHz+(N-1)(F+ΔF)，N为多频脉冲个数。多频脉冲时域特点为：重复输出间隔为20us，共输入N＝5个脉宽相同(100ns)。

多频脉冲时域与频域特性如图4所示。

更具体的，所述光放大与滤波模块3包括光放大器301、光滤波器302和可调衰减器303；其中：

所述光放大器301将高消光比多频脉冲信号的光功率进行放大；

所述光滤波器302滤除所述光放大器301带来的噪声；

所述可调衰减器303对滤波后的光功率进行调整，并将信号输入至所述传感模块4中。

在具体实施过程中，所述光放大器301为掺铒光纤放大器，用于将脉冲光功率进行放大；所述光滤波器302为带通滤波器，用于滤除光放大器301带来的噪声；所述可调衰减器303用于调节光功率防止引发非线性效应并保护电路。

更具体的，所述传感模块4包括环形器401和传感光纤402；所述传感光纤402输入端与所述可调衰减器303输出端连接；所述环形器401输入端与所述传感光纤402相连；所述环形器401输出端与所述光电探测器501相连；其中：

所述可调衰减器303将信号输入所述传感光纤402中，由所述环形器401接入所述光电探测器501中。

在具体实施过程中，所述传感光纤402为单模光纤，长度为10Km。

在具体实施过程中，本装置采用频率调制提高了光谱利用率，尽管多个多频脉冲按照一定间隔输入传感光纤402会导致其在时域上相互混叠，但是由于多频脉冲频段不同，可根据不同频段的数字带通滤波器从频域上将各个多频脉冲的测量结果给分开，从而在一次测量时间内得到多条散射曲线。通过对多条散射曲线进行相关运算，便可得知相应位置处的扰动信息。有效提高了装置对外界扰动的相应速度，其振动大小及振动频率测量范围都得到较大的提升。

在具体实施过程中，本装置采用频率调制提高了测量速度，在相同的巡回时间T_R内注入N个脉冲，根据奈奎斯特定律，装置能够响应的扰动频率同时提高了N倍。测量速度的提升意味着两次测量间的扰动变化量更小，使得其相对频移量降低，其测量精度更高，同时也降低了对扫频范围的要求。

在具体实施过程中，本装置采用频率调制仅需在驱动电路和数据处理方式上进行改动，而且光路采用的是直接检测结构，结构更为简单，易于实现。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，提供一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，包括以下步骤：

S1：对激光进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

S2：对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除噪声并进行传输；

S3：接收传输过来的光信号，对光信号进行解调；通过利用N个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，将频段互不重叠的瑞利散射图样数据从频域上分开，分别取得N个多频脉冲的瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小Δε由互相关峰的偏移量决定，即

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量，完成对光信号的解调。

更具体的，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：通过耦合器将射入的激光分成两束，分别输入第一频率调制器、第二频率调制器中；

S12：通过信号发生器产生两种驱动信号驱动第一频率调制器、第二频率调制器对两束激光分别进行调制；

其中，信号发生器一个通道重复输出N个不同频段的线性调频脉冲驱动第一频率调制器，重复输出间隔为T；另一通道产生同步输出N个固定频率的正弦脉冲信号驱动第二频率调制器，重复输出间隔为T；N和T的乘积需等于光脉冲在传感光纤中的巡回时间T_R；

S13：通过耦合器将第一频率调制器、第二频率调制器输出光信号合并为多频光信号；

S14：用信号发生器其中一个通道的同步端口输出信号驱动脉冲调制器，由脉冲调制器将多频光信号调制成高消光比多频脉冲信号。

更具体的，所述巡回时间T_R表达式具体为：

其中，L为传感长度，n为折射率，c为光在真空中的光速。

更具体的，信号发生器产生两种驱动信号具体为：

其中，V₀为驱动信号振幅，i为第i多频脉冲；K为扫频速率；τ_p为多频脉冲宽度；ΔF为多频脉冲带宽；f₀为多频脉冲起始频率；Δf为第1个多频脉冲线性扫频部分与固定单频的最小间隔，rect(·)为矩形函数；

通过直流偏置电压使得第一频率调制器、第二频率调制器工作在合适的工作点，信号发生器通过多频脉冲信号对第一频率调制器、第二频率调制器进行驱动，并同步输出至脉冲调制器；激光调制后输出的多频光脉冲E(t)为：

E(t)＝E_chirp(t)+E_single(t)

其中，E₀为输出信号振幅；i为第i多频脉冲；K为扫频速率；τ_p为多频脉冲宽度；ΔF为多频脉冲带宽；m为调制深度；Δf为第1个多频脉冲线性扫频部分与固定单频的最小间隔；rect(·)为矩形函数。

更具体的，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：高消光比多频脉冲信号在传输过程中，产生的后向瑞利散射信号通过光电探测器转化为电信号并输出到采集卡中；

S32：将数据采集卡得到的N个多频脉冲的后向散射信号I(t)作傅里叶变换得I(f)；其中，I(f)＝I₁(f)+I₂(f)；I₁(f)由每个多频脉冲的频谱线性部分瑞利散射光内干涉与固定单频瑞利散射光内干涉组成；I₂(f)由每个多频脉冲的频谱线性部分与固定单频的瑞利散射光相互干涉组成；如图5所示。

S33：由于I₂(f)中的频段不同且无重叠，I₁(f)与I₂(f)频段不同且无重叠，通过使用N个频段不同且无重叠的数字带通滤波器分别将I₂(f)中的数据分别取出并进行逆傅里叶变换，便还原出由N个多频脉冲得到的N条散射图样；

S34：分别对N条散射图样进行互相关运算，其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即：

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量。因此在相同的巡回时间T_R内，测量速度提升了N倍，响应带宽也提升了N倍。

在具体实施过程中，本实施例的振动频率响应带宽取决于多频光脉冲的重复频率f，由奈奎斯特定理得到其响应带宽为0.5f。在传感长度为10Km时，典型***的响应带宽为5KHz，本实施例的响应带宽可达25KHz，提高了5倍。

本实施例的振动大小测量范围受多频光脉冲的重复频率f影响。由于两次测量造成的频率变化量不能大于5％，否则前后测量得到的散射图样相关性将下降导致解调错误。当重复频率f提高时，两次测量造成的频率变化量则相对降低，从而振动大小测量范围得到相对提升。

由具体实例可知，本发明提出了一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法，它解决了传统装置中在重复周期内打入多个脉冲时造成的信号混叠的问题，缩短了探测间隔时间，测量速度提升较大，使得***在宽频大振动测量能力上得到提升。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，其特征在于，包括激光光源(1)、频率调制装置(2)、光放大与滤波模块(3)、传感模块(4)、信号采集及解调装置(5)；所述信号采集及解调装置(5)包括光电探测器(501)、采集卡(502)和解调装置(503)；其中：

所述激光光源(1)发出激光经所述频率调制装置(2)进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

所述光放大与滤波模块(3)对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除放大产生的噪声后，经过所述传感模块(4)将光信号输入所述信号采集及解调装置(5)中；

所述信号采集及解调装置(5)通过所述光电探测器(501)将光信号转化为电信号并输出到所述采集卡(502)；

所述解调装置(503)对所述采集卡(502)的数据进行解码处理，通过利用N个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，将频段互不重叠的瑞利散射图样数据从频域上分开，分别取得N个多频脉冲的瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量。

2.根据权利要求1所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，其特征在于，所述频率调制装置(2)包括信号发生器(201)、第一频率调制器(202)、第二频率调制器(203)、脉冲调制器(204)、第一耦合器(205)和第二耦合器(206)；其中：

所述第一耦合器(205)分光比为50:50，用于将激光分成两束分别输入至所述第一频率调制器(202)、第二频率调制器(203)中；

所述信号发生器(201)的一个通道重复输出N个不同频段的线性调频脉冲用于驱动所述第一频率调制器(202)，重复输出间隔为T；另一通道产生同步输出N个固定频率的正弦脉冲信号用于驱动所述第二频率调制器(203)，重复输出间隔为T；同时使用其中一个通道的同步端口输出信号用于驱动所述脉冲调制器(204)；其中，N和T的乘积需等于光脉冲在传感光纤中的巡回时间T_R；

所述第二耦合器(206)将所述第一频率调制器(202)、第二频率调制器(203)的输出光信号合并为多频光信号；

所述脉冲调制器(204)将多频光信号调制成高消光比多频脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，其特征在于，所述巡回时间T_R表达式为：

其中，L为传感长度，n为折射率，c为光在真空中的光速。

4.根据权利要求3所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，其特征在于，所述光放大与滤波模块(3)包括光放大器(301)、光滤波器(302)和可调衰减器(303)；其中：

所述光放大器(301)将高消光比多频脉冲信号的光功率进行放大；

所述光滤波器(302)滤除所述光放大器(301)带来的噪声；

所述可调衰减器(303)对滤波后的光功率进行调整，并将信号输入至所述传感模块(4)中。

5.根据权利要求4所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，其特征在于，所述传感模块(4)包括环形器(401)和传感光纤(402)；所述传感光纤(402)输入端与所述可调衰减器(303)输出端连接；所述环形器(401)输入端与所述传感光纤(402)相连；所述环形器(401)输出端与所述光电探测器(501)相连；其中：

所述可调衰减器(303)将信号输入所述传感光纤(402)中，由所述环形器(401)接入所述光电探测器(501)中。

6.一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对激光进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

S2：对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除噪声并进行传输；

S3：接收传输过来的光信号，对光信号进行解调；通过利用N个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，将频段互不重叠的瑞利散射图样数据从频域上分开，分别取得N个多频脉冲的瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小Δε由互相关峰的偏移量决定，即

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量，完成对光信号的解调。

7.根据权利要求1所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：通过耦合器将射入的激光分成两束，分别输入第一频率调制器、第二频率调制器中；

S12：通过信号发生器产生两种驱动信号驱动第一频率调制器、第二频率调制器对两束激光分别进行调制；

其中，信号发生器一个通道重复输出N个不同频段的线性调频脉冲驱动第一频率调制器，重复输出间隔为T；另一通道产生同步输出N个固定频率的正弦脉冲信号驱动第二频率调制器，重复输出间隔为T；N和T的乘积需等于光脉冲在传感光纤中的巡回时间T_R；

S13：通过耦合器将第一频率调制器、第二频率调制器输出光信号合并为多频光信号；

S14：用信号发生器其中一个通道的同步端口输出信号驱动脉冲调制器，由脉冲调制器将多频光信号调制成高消光比多频脉冲信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，其特征在于，所述巡回时间T_R表达式具体为：

其中，L为传感长度，n为折射率，c为光在真空中的光速。

9.根据权利要求7所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，其特征在于，信号发生器产生两种驱动信号具体为：

其中，V₀为驱动信号振幅，i为第i多频脉冲；K为扫频速率；τ_p为多频脉冲宽度；ΔF为多频脉冲带宽；f₀为多频脉冲起始频率；Δf为第1个多频脉冲线性扫频部分与固定单频的最小间隔，rect(·)为矩形函数；

通过直流偏置电压使得第一频率调制器、第二频率调制器工作在合适的工作点，信号发生器通过多频脉冲信号对第一频率调制器、第二频率调制器进行驱动，并同步输出至脉冲调制器；激光调制后输出的多频光脉冲E(t)为：

E(t)＝E_chirp(t)+E_single(t)

其中，E₀为输出信号振幅；i为第i多频脉冲；K为扫频速率；τ_p为多频脉冲宽度；ΔF为多频脉冲带宽；m为调制深度；Δf为第1个多频脉冲线性扫频部分与固定单频的最小间隔；rect(·)为矩形函数。

10.根据权利要求9所述的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：高消光比多频脉冲信号在传输过程中，产生的后向瑞利散射信号通过光电探测器转化为电信号并输出到采集卡中；

S32：将数据采集卡得到的N个多频脉冲的后向散射信号I(t)作傅里叶变换得I(f)；其中，I(f)＝I₁(f)+I₂(f)；I₁(f)由每个多频脉冲的频谱线性部分瑞利散射光内干涉与固定单频瑞利散射光内干涉组成；I₂(f)由每个多频脉冲的频谱线性部分与固定单频的瑞利散射光相互干涉组成；

S33：由于I₂(f)中的频段不同且无重叠，I₁(f)与I₂(f)频段不同且无重叠，通过使用N个频段不同且无重叠的数字带通滤波器分别将I₂(f)中的数据分别取出并进行逆傅里叶变换，便还原出由N个多频脉冲得到的N条散射图样；

S34：分别对N条散射图样进行互相关运算，其相关峰发生偏移位置即振动区域，其应变量大小由互相关峰的偏移量决定，即：

其中，K为扫频速率，υ₀为中心频率，Δt为互相关峰偏移量。

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