一种高保真和高带宽DAS系统及其工作方法

本发明涉及光学，具体涉及一种高保真和高带宽das系统及其工作方法。

背景技术：

1、分布式声波传感系统(das)具有响应速度快和灵敏度高的独特优势，在周界入侵监测、地震波监测、石油勘探等领域具有广阔应用前景。在das系统中，由于高相干散射光信号的干涉效应，相干相消产生的低信噪比位置“死区”导致解调的相位信息失真，在工程应用中频繁误报警；为避免das系统中探测脉冲光之间相互混叠，探测脉冲光的重复周期应大于等于脉冲光信号在传感光纤中往返传播一次所需的时间，根据nyquist采样定理，传统的响应带宽由探测脉冲光的重复频率决定；所以，das系统的响应带宽与传感距离相互制约。

2、因此，同时解决das系统中“死区”导致的解调失真和打破响应带宽与传感距离的相互制约具有重要的研究意义。现有解决“死区”导致解调相位信息失真的主要手段包括：脉冲调制、特种光纤、提取算法等，例如：采用多路调制复用方案实现高保真相位解调；采用多芯光纤进行空分复用实现高保真相位解调；通过设置适当长度的滑动窗口，对检测信号进行短时傅里叶变换(stft)，将检测信号分解为大量不同幅度波动的信号进行复用，实现高保真相位解调。提高das系统响应带宽的主要技术手段有：混合传感结构、时序脉冲序列复用、非均匀周期调制与采集等，例如：将mzi干涉仪与das系统相结合提高响应带宽；采用时序脉冲序列复用；采用非均匀周期调制与采集。上述技术均未同时实现高保真相位和响应带宽。

技术实现思路

1、为此，本发明提出一种高保真和高带宽das系统及其工作方法，用于同步解决das系统中“死区”导致的解调失真和打破响应带宽与传感距离相互制约的问题。

2、根据本发明的一方面，提出一种高保真和高带宽das系统，该系统包括：

3、连续光产生模块，用于产生两路连续光，并将两路连续光分别发送至信号探测模块和参考光调制模块；

4、信号探测模块，用于将接收的一路连续光调制为多频探测脉冲光，并将所述多频探测脉冲光分为两路，利用光学环状结构将其中一路多频探测脉冲光调制为具有不同时延的多频脉冲序列，将调制后不同时延的多频脉冲序列和未经调制的另一路多频探测脉冲光一同注入到待测传感光纤中，将返回的背向瑞利散射光信号发送至信号处理模块；

5、参考光调制模块，用于将接收的一路连续光进行偏振态调节，并将调节后的连续光作为参考光发送至信号处理模块；

6、信号处理模块，用于将接收的参考光和背向瑞利散射光信号进行混合相干，并将相干后的多频拍频光信号进行光电转换后采集记录；

7、任意波形发生器5，用于分别输出微波信号至信号探测模块和信号处理模块。

8、进一步地，所述连续光产生模块包括窄线宽光源1和第一光纤耦合器2；所述窄线宽光源1的光信号输出端与第一光纤耦合器2的光信号输入端连通，第一光纤耦合器2的两个光信号输出端分别与信号探测模块和参考光调制模块连接；所述参考光调制模块包括偏振控制器21，所述偏振控制器21的输出端与所述信号处理模块连接。

9、进一步地，所述信号探测模块包括第一声光调制器3、第二声光调制器4、第二光纤耦合器6、第一掺铒光纤放大器7、密集波分复用器8、第一光环形器9、第三声光调制器14、延时光纤15、第二掺铒光纤放大器16、光隔离器17；其中，第一声光调制器3的光信号输入端与第一光纤耦合器2的输出端连接、光信号输出端与第二声光调制器4的光信号输入端连接；第二声光调制器4的光信号输出端与第二光纤耦合器6的一号光信号输入端口6-1连通，第二光纤耦合器6的一号光信号输出端口6-2与第一掺铒光纤放大器7的光信号输入端连通，第一掺铒光纤放大器7的光信号输出端与密集波分复用器8的光信号输入端连通，密集波分复用器8的光信号输出端与第一光环形器9的一号光信号端口9-1连通，第一光环形器9的二号光信号端口9-2与待测传感光纤连通；

10、所述光学环状结构包括第二光纤耦合器6、第三声光调制器14、延时光纤15、第二掺铒光纤放大器16、光隔离器17；其中第二光纤耦合器6的二号光信号输出端口6-4与第三声光调制器14的光信号输入端连通，第三声光调制器14的光信号输出端与延时光纤15连通，延时光纤15与第二掺铒光纤放大器16的光信号输入端连通，第二掺铒光纤放大器16的光信号输出端与光隔离器17的光信号输入端连通，光隔离器17的光信号输出端与第二光纤耦合器6的二号光信号输入端口6-3连通。

11、进一步地，所述信号处理模块包括第三光纤耦合器22、光电平衡探测器23、数据采集卡24；其中，所述第三光纤耦合器22的光信号输入端分别与偏振控制器21的光信号输出端及信号探测模块连接，第三光纤耦合器22的光信号输出端与光电平衡探测器23的光信号输入端连通，光电平衡探测器23的电信号输出端与数据采集卡24的电信号输入端连通。

12、进一步地，所述信号探测模块和所述信号处理模块之间通过连接模块连接，所述连接模块包括第三掺铒光纤放大器18、第二光环形器19、光纤光栅滤波器20；其中，第二掺铒光纤放大器18的光信号输入端与第一光环形器9的三号光信号端口9-3连接，第二掺铒光纤放大器18的光信号输出端与第二光环形器19的一号光信号端口19-1连通，第二光环形器19的二号光信号端口19-2与光纤光栅滤波器20连通；第二光环形器19的三号光信号端口19-3与所述第三光纤耦合器22的光信号输入端连通；

13、进一步地，所述任意波形发生器5的微波信号输出端分别与一声光调制器3的微波调制信号输入端、第二声光调制器4的微波调制信号输入端、第三声光调制器14的微波调制信号输入端和数据采集卡24的触发信号输入端连通。

14、进一步地，所述待测传感光纤包括第一传感光纤10、压电换能器11、第二传感光纤12；所述第一传感光纤10与压电换能器11连通，压电换能器11与第二传感光纤12连通；所述系统还包括压电换能器驱动13，所述压电换能器驱动13与所述压电换能器11连通。

15、进一步地，所述窄线宽光源1采用窄线宽光纤激光器，输出功率为10dbm～13dbm，输出中心波长为1550nm～1551nm，线宽为100hz～5000hz；所述第一光纤耦合器2为90:10的1×2耦合器，第二光纤耦合器6为50:50的2×2耦合器，第三光纤耦合器22为50:50的2×2耦合器；所述第一声光调制器3的中心频率为100mhz～400mhz，3db带宽为100mhz；所述第二声光调制器4的移频为-60mhz～-360mhz，消光比为45db～55db；所述第三声光调制器14的移频为30mhz～100mhz，消光比为45db～55db；所述密集波分复用器8的工作波段为1480nm和1550nm～1551nm，3db透射带宽为0.2nm～0.25nm；所述光纤光栅滤波器20的反射中心波长为1550nm～1551nm，3db反射带宽为0.08nm～0.1nm。

16、根据本发明的另一方面，提出一种高保真和高带宽das系统的工作方法，所述工作方法基于所述高保真和高带宽das系统实现，所述工作方法包括：

17、连续光产生模块产生两路连续光，其中一路连续光通过参考光调制模块进行偏振态调节后作为参考光，另一路连续光进入信号探测模块进行待测传感光纤的振动信号探测；将探测返回的背向瑞利散射光信号和参考光进行混合相干和光电转换后进行采集记录；其中，所述信号探测模块将接收的一路连续光调制为多频探测脉冲光，并将所述多频探测脉冲光分为两路，利用光学环状结构将其中一路多频探测脉冲光调制为具有不同时延的多频脉冲序列，将调制后不同时延的多频脉冲序列和未经调制的另一路多频探测脉冲光一同注入到待测传感光纤中，获取探测返回的背向瑞利散射光信号。

18、进一步地，所述高保真和高带宽das系统包括窄线宽光源1、第一光纤耦合器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、任意波形发生器5、第二光纤耦合器6、第一掺铒光纤放大器7、密集波分复用器8、第一光环形器9、第三声光调制器14、延时光纤15、第二掺铒光纤放大器16、光隔离器17、第三掺铒光纤放大器18、第二光环形器19、光纤光栅滤波器20、偏振控制器21、第三光纤耦合器22、光电平衡探测器23、数据采集卡24；所述工作方法包括：

19、窄线宽光源1输出的连续光经第一光纤耦合器2分为上下两路；上路的连续光经过第一声光调制器3调制为多频连续光，并进入第二声光调制器4调制为多频探测脉冲光，并由第二光纤耦合器6分为两路：一路多频探测脉冲光经第一掺铒光纤放大器7进行脉冲峰值功率放大后注入密集波分复用器8滤除第一掺铒光纤放大器7引入的自发辐射噪声，经第一光环形器9注入到振动的待测传感光纤中；另一路多频脉冲光进入由第三声光调制器14、延时光纤15、第二掺铒光纤放大器16、光隔离器17和第二光纤耦合器6组成的光学环状结构中，其中第三声光调制器14的调制周期与第一声光调制器3和第二声光调制器4同步，均由任意波形发生器5同步控制，第二掺铒光纤放大器16用于补偿第二光纤耦合器6的分光损耗及第三声光调制器14的插损，所述光学环状结构调制产生具有不同时延的多频脉冲序列依次经第一掺铒光纤放大器7、密集波分复用器8和第一光环形器9注入到振动的待测传感光纤中；

20、待测传感光纤返回的背向瑞利散射光信号经第一光环形器9注入第三掺铒光纤放大器18中进行功率放大，放大后的背向瑞利散射光信号经第二光环形器19进入光纤光栅滤波器20滤除自发辐射噪声；

21、下路的连续光经偏振控制器21调节偏振态后作为参考光，并和滤除自发辐射噪声的背向瑞利散射光信号经过第三光纤耦合器22混合相干，相干后的多频拍频光信号由光电平衡探测器23进行光电转换，由数据采集卡24采集记录。

22、进一步地，在采集获得多频拍频信号后，对所述多频拍频信号进行频分解复用处理，将同一探测脉冲光对应的多条不同频率的拍频信号进行复用，将不同时延的探测脉冲光探测到的高保真振动按照时序进行交织，以实现对振动的高密集探测。

23、进一步地，所述第一声光调制器3为宽带声光调制器，通过第一声光调制器3调制输出的多频连续光表示为：

24、

25、式中，a1表示经过第一声光调制器3强度调制后的振幅；m表示任意波形发生器5驱动第一声光调制器3的微波信号个数；fi表示微波信号的频率，fi∈[δf1-0.5δfb,δf1+0.5δfb]，δf1表示第一声光调制器3的中心频率，δfb表示第一声光调制器3的带宽；fc表示窄线宽光源1输出连续光的频率；t表示时间；表示窄线宽光源1输出连续光的初相位；

26、多频连续光经过第二声光调制器4调制输出的多频脉冲光表示为：

27、

28、式中，a2表示经过第二声光调制器4强度调制后的振幅；δf2表示第二声光调制器4的载频；rect为矩形函数；t0为多频脉冲光ep(t)的宽度。

29、进一步地，所述第三声光调制器14的载频δf3满足如下关系：

30、

31、所述光学环状结构调制产生的多频时序脉冲序列中脉冲数量m为：

32、

33、式中，l表示待测传感光纤长度；lr表示所述光学环状结构的长度；表示向上取整；

34、第三声光调制器14的频率调制周期由任意波形发生器5同步控制与第二声光调制器4一致，且通光时间为τr∈(n(2l-lr)/c,2nl/c)，c表示真空中的光波速度，n为对待测传感光纤的有效折射率；所述das系统中探测脉冲光周期由nmlr/c压缩为nlr/c，每个探测脉冲光独立完成一次对待测传感光纤沿线振动的探测；

35、所述光学环状结构调制产生的多频时序脉冲序列的频率范围为：

36、[f1+fc+δf2,fm+fc+δf2+(m-1)δf3]

37、式中，f1表示第1个微波信号的频率。

38、进一步地，所述光电平衡探测器23的响应带宽bbw满足：

39、bbw≥fm+δf2+(m-1)δf3

40、所述数据采集卡24的采样频率fs满足：

41、fs≥2[fm+δf2+(m-1)δf3]。

42、本发明的有益技术效果是：

43、本发明所述的一种高保真和高带宽das系统及其工作方法，同时有效实现高保真相位解调和高响应带宽：通过宽带声光调制产生多频探测脉冲光并由光学环状结构进一步循环调制为具有不同时延和频移的时序脉冲序列注入传感光纤中，并对采集到的多频拍频信号进行频分解复用处理；将同一探测脉冲光对应的多频拍频信号进行复用，避免信号“死区”导致的解调相位失真；将不同时延的探测脉冲光探测到的高保真相位按照时序进行交织，提高系统的响应带宽。

44、本发明所述的一种高保真和高带宽das系统及其工作方法，利用宽带声光和光学环状结构调制产生多频脉冲序列，有效降低了对微波信号源和调制器的带宽性能依赖，有效控制了系统成本，为时序脉冲序列调制提供了一种新方案。