[发明专利]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

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；