一种分布式光纤振动传感系统及检测方法

本技术涉及光通信，具体而言，涉及一种分布式光纤振动传感系统及检测方法。

背景技术：

1、目前，得益于低成本、高柔软性、抗电磁干扰和易组网的特点，光纤被广泛应用于传感领域。传统光时域反射计(otdr，optical time-domain reflectometry)利用光纤中背向瑞利散射光的强弱分布来对振动事件进行定位监测。然而瑞利散射光强与光纤应变之间并非呈现线性关系，因此otdr通常仅用作对外界振动信号的定性检测。过去十年间，基于相位敏感光时域反射计(φ-otdr,phase-sensitive otdr)的分布式光纤传感系统发展迅速。由于光纤中给定两点的背向瑞利散射光的相位差与该段光纤的长度变化呈确定的线性关系，φ-otdr技术能对外界振动信号的全方位信息，包括幅度，频率和相位进行精确重构，成为了目前进行动态振动测量的主流光纤分布式传感解决方案。

2、现有技术中，传统的基于φ-otdr的分布式振动传感方案需要本地的参考光与背向传输回本地端的瑞利散射光进行干涉，形成自外差探测结构。该结构为了满足参考光与瑞利散射光之间的干涉约束条件，需要采用窄线宽(khz级)激光器提供的高相干性连续光作为光源，这显著增大了光纤分布式振动传感系统的应用成本。另外，光脉冲初始相位的随机分布，以及光源频率漂移、环境温度起伏和光纤路径抖动等因素引入的相位噪声均会随着传感距离进行积累，提高系统的背景噪声水平，从而限制了系统的探测灵敏度。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种分布式光纤振动传感系统及检测方法，可以降低对光源相干性的要求，以半导体激光器为光源，且降低系统底噪，从而实现低成本高灵敏度探测的技术效果。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种分布式光纤振动传感系统，包括连续激光器、光纤耦合器组件、声光调制器组件、信号发送装置、光环形器组件、光电平衡探测器、偏振控制器和信号处理装置；

3、所述光纤耦合器组包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，所述连续激光器与第一光纤耦合器的输入端连接；

4、所述第一光纤耦合器的输出端连接所述声光调制器组件的光输入端，所述声光调制器组件的光输出端连接所述第二光纤耦合器的输入端，所述信号发送装置连接所述声光调制器组件的电输入端，通过所述信号发送装置向所述声光调制器组件发送时延不同、初始相位锁定的等间隔电脉冲信号，将所述第一光纤耦合器的两路连续光调制为时延不同、频率不同、初始相位锁定的两路光脉冲信号，所述两路光脉冲信号通过所述第二光纤耦合器合成为一个双频率光脉冲序列探测信号；

5、所述光环形器组件包括第一光环形器和第二光环形器；

6、所述第二光纤耦合器的输出端连接所述第一光环形器的第一端口，所述第一光环形器的第二端口连接待测光纤，所述第一光环形器的第三端口连接所述第二光环形器的第一端口，所述第二光环形器的第二端口连接所述第三光纤耦合器的第一输入端，所述第三光纤耦合器的第一输出端、偏振控制器与所述第三光纤耦合器的第二输出端依次连接，所述第二光环形器的第三端口、所述第三光纤耦合器的第二输入端连接所述光电平衡探测器，所述光电平衡探测器的输出端连接所述信号处理装置的信号接收端，所述信号发送装置的时钟端连接所述信号接收装置的时钟接收端。所述双频率光脉冲序列探测信号从所述第一光环形器的第二端口进入所述待测光纤，在所述待测光纤的沿线各处产生背向传输的瑞利散射信号；所述瑞利散射信号通过所述待测光纤回传进入所述第一光环形器的第二端口，从所述第一光环形器的第三端口输出，依此进入由所述第二光环形器、所述第三光纤耦合器和所述偏振控制器组成的sagnac干涉环结构，所述光电平衡探测器、所述信号处理装置。

7、进一步地，所述声光调制器组件包括两个声光调制器，且所述两个声光调制器的移频频率不相同。

8、进一步地，所述声光调制器组件中的每一个声光调制器接收由所述信号发送装置发送的电脉冲，具有相同的初始相位。

9、在上述实现过程中，对所述声光调制器组件中的任一声光调制器而言，所述信号发送装置向其发送的每一个电脉冲，都具有相同的初始相位。

10、进一步地，所述系统还包括第一光纤放大器和第一光滤波器，所述第二光纤耦合器的输出端、所述第一光纤放大器、所述第一光滤波器、所述第一光环形器的第一端口依次连接。

11、进一步地，所述系统还包括第二光纤放大器和第二光滤波器，所述第一光环形器的第三端口、所述第二光纤放大器、所述第二光滤波器、所述第二光环形器的第一端口依次连接。

12、进一步地，所述第一光纤放大器、所述第二光纤放大器均为掺铒光纤放大器。

13、进一步地，所述瑞利散射信号依次进入所述第二光环形器的第一端口、所述第三光纤耦合器的第一输入端，分为两束瑞利散射信号，所述瑞利散射信号一束依次经过所述第三光纤耦合器的第一输出端、所述偏振控制器、所述第三光纤耦合器的第二输出端，另一束依次经过所述第三光纤耦合器的第二输出端、所述偏振控制器、所述第三光纤耦合器的第一输出端；所述两束瑞利散射信号相互干涉后，获得两束相位相反的相干信号光；所述相干信号光，一束经过所述第三光纤耦合器的第二输入端进入所述光电平衡探测器，另一束经过所述第二光环形器的第二端口，从所述第二光环形器的第三端口进入所述光电平衡探测器，所述相干信号光经过所述光电平衡探测器转化为电信号，所述电信号由所述信号处理装置进行采集和处理。

14、进一步地，所述连续激光器为半导体连续激光器。

15、在上述实现过程中，该分布式光纤振动传感系统通过声光调制器组件对连续光源进行调制，产生双频率光脉冲序列探测信号，该探测信号的两个频率组分同时在传感光纤中传输，产生的两路背向瑞利散射信号相互拍频，形成等臂干涉结构，即任一时刻接收到的两路背向瑞利散射信号具由相同的光程，因此可以降低对光源相干性的要求，采用更低成本的半导体激光器提供连续光源；另外该等臂干涉结构可以抑制光源频率漂移、环境温度起伏和光纤路径抖动等因素引入的共模相位噪声，同时脉冲初始相位锁定的设计可以消除初始相位随机分布引入的相位噪声，从而降低系统的底噪，提高微弱振动信号的探测灵敏度。因此，该分布式光纤振动传感系统可以实现低应用成本、高灵敏度探测的技术效果。

16、第二方面，本技术实施例提供了一种分布式光纤振动传感的检测方法，应用于第一方面任一项所述的分布式光纤振动传感系统，所述检测方法包括：

17、通过所述信号处理装置采集电信号；

18、对所述电信号进行可变增益放大，获得幅度平坦电信号；

19、并对所述幅度平坦电信号以所述两声光调制器的移频频率差为中心频率进行带通滤波，获得差频背向瑞利散射信号；

20、遍历所述差频背向瑞利散射信号中的每一个脉冲信号，并对遍历到的脉冲信号进行以下处理：对所述脉冲信号获得复振幅信息；对所述复振幅信息进行相位初始化，获得初始化复振幅信息；

21、对所述初始化复振幅信息进行空间滑动平均，获得复振幅结果；

22、将所述复振幅结果中一个平均后的复振幅取相位，获得对应时刻光纤沿线的相位分布数据；

23、将多个对应时刻的相位分布数据进行拼接，获得光纤沿线的应变量-时间变化数据。

24、在上述实现过程中，可变增益放大可补偿由光传输损耗引起的电信号幅度衰落，从而减小由于局部电信号强度过低而导致相位解调出现错误的概率，提高系统振动信号探测的准确性。

25、进一步地，所述对所述电信号进行可变增益放大，获得幅度平坦电信号的步骤，包括：

26、根据传感光纤长度预设步进增益距离和步进增益量；

27、根据所述步进增益距离和步进增益量对所述电信号进行放大，获得幅度平坦电信号。

28、进一步地，所述根据所述脉冲信号获得复振幅信息的步骤，包括：

29、通过预设正交解调算法对所述信号进行处理，将所述脉冲信号分别乘以两个相互正交的余弦信号，获得所述脉冲信号的复振幅信息；其中，所述余弦信号的频率与所述信号的中心频率即所述两声光调制器的移频频率差相等。

30、本技术公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本技术公开的上述技术即可得知。

31、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。