一种基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感装置和解调方法

摘要

一种基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感装置和解调方法，该装置采用线性调谐超窄线宽回音壁摸自注入锁模激光光源的光频域反射拍频干涉的技术方法，其包括得到传感信号的主干涉仪以及为采集装置提供时钟触发信号的辅助干涉仪。解调方法包括通过线性调谐的光源在主干涉得到不同拍频信号，利用快速傅里叶变换将波长域信息转换到对应传感光缆中各个位置的距离域信息。通过移动窗在距离域选取传感光缆上信号通过复数快速傅里叶反变换再转换到波长域，即瑞利散射光谱。将不同时刻的外界扰动的瑞利散射光谱比较，即对不同时刻的扰动下的瑞利散射光谱进行比较，通过相关系数得到传感光缆上是否受到扰动以及扰动的强度的信息的方法。

说明书

技术领域

本发明属于分布式光纤传感仪器技术领域。具体涉及一种基于瑞利散射光谱相关系数 的分布式扰动传感装置和解调方法

背景技术

随着社会的不断发展，机场、军事基地、政府、监狱、银行、油库、油气管线等重要 区域的周界安全、海底或陆地通讯光缆通讯安全等显得尤为重要。分布式光纤扰动传感系 统可以实现入侵扰动检测及定位，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高 环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性。

目前，分布式光纤扰动传感主要有两种，第一种方案是基于激光干涉的方法，该方法 优点是灵敏度高，成本低，但这种方法缺点有定位精度低20米以上，不能对多点同时扰动 定位，需要光缆中两芯以上且终端设备需要架设在传感光缆两端。另一种方案是相位敏感 的光时域反射方法。该方法特点灵敏度高，可对多点同时扰动定位，需要光缆中一芯且终 端设备架设在传感光缆一端。但该方法缺点是定位精度较差，大概在50-100m，测试长度 不超过20km。

发明内容

本发明目的是克服现有方法存在的上述不足，提出一种基于瑞利散射光谱相关系数的 分布式扰动传感装置和解调方法。

本发明提供的基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感装置包括：

可调谐激光器∶用于为光频域反射系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音 壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够进行线性扫描，光源由调谐信号控制模块控制， 该模块根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器；

1∶99光分束器：激光器的出射光由光分束器的a端口进入，并以1∶99的比例分别 从b、c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统和主干涉仪；

基于辅助干涉仪的时钟触发系统：实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线 性扫描；包括隔离器、第一50∶50耦合器、第一法拉第转镜和第二法拉第转镜、延迟光 纤、探测器和时钟倍频电路模块；隔离器用于防止辅助干涉仪中第一50∶50耦合器的第 b端口的反射光进入激光器；第一50∶50耦合器用于光干涉，光从第一50∶50耦合器的 b端口进入，从c、d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜和第二法拉第转镜反射，返 回到第一50∶50耦合器的c、d端口，两束光在第一50∶50耦合器中发生干涉，从a端 口输出；两个法拉第转镜用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延 迟光纤用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器用于 采集第一50∶50耦合器从a端口的出射光，即辅助干涉仪的干涉拍频信号；时钟倍频电 路模块，一端接入辅助干涉仪探测器用于将辅助干涉仪的干涉拍频信号倍频，倍频目的是 辅助干涉仪中采用较短的延迟光纤也可以产生较高的时钟信号，将倍频后的信号接入采集 装置，作为采集装置的外部时钟信号。

主干涉仪：是光频域反射仪的核心，为改进型马赫泽德干涉仪，包括环行器、一个 50∶50分束器，一个50∶50耦合器、参考臂、测试臂、偏振控制器、传感光缆和两个偏 振分束器和两个平衡探测器以及采集装置；50∶50分束器作用是马赫泽德干涉仪分束， 光从a端口进入，经过50∶50分束器从b端口进入参考臂的偏振控制器，从c端口进入 测试臂的环行器a端口；参考臂中的偏振控制器作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分 束时两个正交方向上光强基本一致；测试臂上的环行器作用是，光从环行器a端口进入， 从环行器c端口进入传感光缆，而传感光缆的背向散射光从环行器c端口进入，从环行器 b端口输出；50∶50耦合器，将参考臂上参考光与测试臂上背向散射光通过50∶50耦合 器的a端口和b端口进入耦合器进行合束，形成拍频干涉并从耦合器c端口和d端口输出； 两个偏振分束器分别接入50∶50耦合器的c端口和d端口，对信号进行偏振分束，目的 是消除偏振衰落噪声的影响；两个平衡探测器对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的 信号光；采集装置：将两个平衡探测器输出的模拟电信号采集到计算机，其中采集装置的 时钟源来自基于辅助干涉仪的时钟触发系统；

计算机：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，实现基于瑞利散射光谱相关系 数的分布式扰动传感。

本发明同时提供了一种采用以上所述装置实现基于瑞利散射光谱相关系数的分布式 扰动传感解调方法，该解调方法的步骤是：

第一步，在主干涉仪中由传感光缆中背向散射形成的拍频干涉信号，经过偏振分束 器后，得到偏振的两路拍频干涉信号X和Y，并对这两路信号分别进行快速傅里叶变换得 到信号FFT{X}和FFT{Y}，通过移动窗依次选取传感光缆中的各个位置；

第二步，利用移动窗依次选取的传感光缆中距离域信息，将选取部分的FFT{X_i}和 FFT{Y_i}利用复数反傅里叶变换再转换到波长域得到X_i和Y_i；并将二者加和得到在t₁时刻 下的S(t₁)＝X_i+Y_i，去掉直流项；

第三步，在下一时刻t₂，按照前两步计算并得到在传感光缆相同位置S(t₂)＝X_i+Y_i， 对S(t₁)和S(t₂)计算互相关运算，得到互相关系数和相关图的噪声水平，根据互相关峰值 系数和相关图的噪声水平就可以得到传感光缆在此位置上是否存在扰动以及扰动强度。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感装置和方法，其具 有可对多点同时扰动进行精确定位，测试距离可达120km-150km，扰动定位精度可达1m 甚至更低达到厘米级。只利用光缆中的一芯，且终端设备只在传感光缆一端。普通通讯光 缆亦可作为传感光缆。

附图说明

图1是一种基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感装置示意图；

图中，1是可调谐激光器、2是探测器、3是50∶50分束器、4是1∶99分束器、5是 第一50∶50耦合器、6是时钟倍频电路模块、7是延迟光纤、8是第一法拉第转镜、9是第 二法拉第转镜、10是隔离器、11是计算机、12是偏振控制器、13是环形器、14是第二 50∶50耦合器、15是传感光缆、16是第一偏振分束器、17是第二偏振分束器、18是第一 平衡探测器、19是第二平衡探测器，20是采集装置，21是调谐信号控制模块，22是参考 臂，23是测试臂，24，基于辅助干涉仪的时钟触发系统，25是主干涉仪。

图2是基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感的解调方法及步骤；

图3是不存在扰动的瑞利散射光谱互相关图；

图4是存在扰动的瑞利散射光谱互相关图。

具体实施方式

实施例1、基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感的装置

如图1所示，该装置包括：

可调谐激光器1：用于为光频域反射系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音 壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够进行线性扫描，其由调谐信号控制模块21控制， 该模块根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器

1∶99光分束器4：激光器1的出射光由光分束器4的a端口进入，并以1∶99的比 例分别从b、c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统24和主干涉仪25；

基于辅助干涉仪的时钟触发系统24：实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非 线性扫描；包括隔离器10、第一50∶50耦合器5、第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜 9、延迟光纤7、探测器2和时钟倍频电路模块6。隔离器10防止辅助干涉仪中第一50∶ 50耦合器5的b端口的反射光进入激光器；第一50∶50耦合器、用于光干涉，光从第一 50∶50耦合器5的b端口进入，从c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜8和第 二法拉第转镜9反射，返回到第一50∶50耦合器c、d端口，两束光在第一50∶50耦合 器5中发生干涉，从a端口输出；两个法拉第转镜8和9、用于为干涉仪提供反射，且能 够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤7、用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频 和延迟光纤长度得到光频；探测器2用于采集第一50∶50耦合5器从a端口的出射光， 即辅助干涉仪的干涉拍频信号；时钟倍频电路模块6，一端接入辅助干涉仪探测器2用于 将辅助干涉仪的干涉拍频信号倍频，倍频目的是辅助干涉仪中采用较短的延迟光纤也可以 产生较高的时钟信号，将倍频后的信号接入采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信 号。

主干涉仪25：是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪，包括环行器13、 一个50∶50分束器3，一个50∶50耦合器14、参考臂22、测试臂23、偏振控制器12、 传感光缆15和两个偏振分束器16和17，两个平衡探测器18和19以及采集装置20。50∶ 50分束器3作用是马赫泽德干涉仪分束。光从50∶50分束器的a端口进入，经过50∶50 分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23。参考臂22 中的偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基 本一致。测试臂23上的环行器13，其作用是光从环行器13的a端口进入，从环行器13 的c端口进入传感光缆15，而传感光缆的背向散射光从环行器13端口c端口进入，从环 行器13端口b端口输出，第二50∶50耦合器14，将参考臂22上参考光与测试臂23上 背向散射光通过a端口和b端口进入耦合器14合束，形成拍频干涉并从耦合器14的c端 口和d端口输出。两个偏振分束器16和17分别接入第二50∶50耦合器14的c端口和d 端口，对信号进行偏振分束。目的是消除偏振衰落噪声的影响。两个平衡探测器18和19 对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光。采集装置20：将两个平衡探测器18 和19输出的模拟电信号采集到计算机11，其中采集装置20的时钟源来自基于辅助干涉仪 的时钟触发系统24。

计算机11：对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于瑞利散射光谱 相关系数的分布式扰动传感。

实施例2、基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感的解调方法

如图2所示，本发明解调方法的步骤是：

第一步，根据线性调频原理，可调谐激光器1产生的线性调谐激光，进入主干涉仪 25，主干涉仪25中由传感光缆15中背向散射光与参考臂22中参考光形成拍频干涉信号， 经过偏振分束器16和17后，得到正交偏振的两路拍频干涉信号X和Y，并对这两路信号 分别进行快速傅里叶变换得到信号FFT{X}和FFT{Y}，通过移动窗依次选取传感光缆中 的各个位置；

第二步，利用移动窗依次选取的传感光缆中距离域信息，将选取部分的FFT{X_i}和 FFT{Y_i}利用复数反傅里叶变换再转换到波长域得到X_i和Y_i；并将二者加和得到在t₁时刻 下的S(t₁)＝X_i+Y_i，去掉直流项；

第三步，在下一时刻t₂，按照前两步计算并得到在传感光缆相同位置S(t₂)＝X_i+Y_i， 对S(t₁)和S(t₂)计算互相关运算，得到互相关系数和相关图的噪声水平，根据互相关峰值 系数和相关图的噪声水平就可以得到传感光缆在此位置上是否存在扰动以及扰动强度利 用普通通讯光缆进行如图1瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感实验，在传感光缆的 指定位置进行扰动实验，当不存在扰动时，前后两个时刻的瑞利散射光谱互相关系数最大 值为2.5×10^-3。存在扰动(触碰光缆)时，前后两个时刻的瑞利散射光谱互相关系数最大 值为1.2×10^-3。即当光缆存在扰动时，瑞利散射光谱互相关系数显著下降。通过不同的瑞 利散射光谱互相关系数对比，就可以得到存在扰动以及扰动程度。