[发明专利]基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法及其系统

权利要求书

1.一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

选取编码矩阵S，其大小为N*N，在光电探测器处形成散射回波曲线L_i；以散射回波曲线L_i为行向量，同时考虑背景噪声，形成回波信号矩阵L；

其中，在光电探测器处形成散射回波曲线L_i的步骤具体为：

依次选择编码矩阵S的每一行为编码，计算机通过FPGA控制N个声光/电光调制器及其驱动器组，利用N个相同波长的长相干光源，形成N个互有时延的各自脉宽为τ的短脉冲光，在一个N*1路耦合器处，使N个互有时延的短脉冲光形成编码长度为N，脉冲宽度为N·τ的编码脉冲光，并经由光纤环形器注入传感光纤；编码脉冲光在传感光纤中传播时，会形成背向瑞利散射，各个短脉冲的瑞利散射光在各自脉宽τ内相互干涉，再经由光纤环形器并最终在光电探测器上转化为被计算机采集处理的电学信号，随着编码脉冲沿传感光纤的传播，在光电探测器处形成散射光回波曲线L_i；

对回波信号矩阵L进行解码获取单次回波的瑞利散射信号ω'，同时获取N个所需信号r_i(t)；

所述单次回波的瑞利散射信号ω'为：

ω'＝[ω′₁ ω'₂ … ω'_N]^T＝S^-1·[L₁ L₂ … L_N]^T；ω′₁ ω'₂ … ω'_N表示延时为0、τ、2τ，…，(N-1)τ的瑞利散射回波曲线；

其中，r_i(t)＝ω′_i(t+(i-1)·τ)，其空间分辨率保持为R＝τc/2n_c，c为真空中的光速，n_c为光纤折射率，τ为脉冲宽度；

选取连续K次所发射光脉冲得到的共K条反向回波曲线，即K条反向回波曲线r＝[r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_k]^T；其中r_i对应解调延迟后得到的第i次光脉冲所得到的信号曲线；

预设平均次数M，间隔参数n，获取多条平均曲线；对所得每条平均曲线进行标准化处理；

将标准化后的平均曲线组合成一个2维信号矩阵Y，选取大小a×b局部极差计算范围矩阵，a的取值为3，b的取值为9；

其中，局部极差计算为y_ij＝max(Y_ij)-min(Y_ij),i∈(1,T),j∈(1,n)，y_ij为以第i行、第j列的元素为中心，大小为a×b的范围矩阵内的元素，根据范围矩阵中的每个元素y_ij评价传感光纤的振动强度，并获取振动空间位置；

计算机通过解码程序得到低噪声的单次回波的瑞利散射信号，提取解码延迟后反向回波曲线r中每条曲线的第i点数据，得到振动的时域采样信号；

使用N个光源实现对光脉冲的编码，使光脉冲宽度提高N倍，从而使回光能量提高N倍，增加了信号分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，所述回波信号矩阵L为：

L＝[L₁ L₂ … L_N]^T＝S·[ω₁ ω₂ … ω_N]^T+[e₁ e₂ … e_N]^T，其中ω_i为脉冲P_i的理想散射回波曲线，e_i为背景噪声，i＝1,2,…,N。

3.一种用于实施权利要求1所述的基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法的传感系统，包括：激光光源组、声光/电光调制器及其驱动器组、FPGA、多路光耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集调理装置、计算机和传感光纤，其特征在于，

由所述激光光源组产生连续光，经由所述声光/电光调制器及其驱动器组形成脉冲光，其中所述声光/电光调制器及其驱动器组由所述计算机写入所述FPGA的程序控制通断时序，依次产生相应时延，并使产生的脉冲光符合设定好的编码矩阵S，多路脉冲光在所述多路光耦合器处形成编码脉冲光，编码脉冲光经由所述光纤环形器注入所述传感光纤，在传播过程中，产生的背向散射光与输入编码脉冲光传播方向相反，编码内部的瑞利散射光产生干涉效应，最终反向通过所述光纤环形器进入所述光电探测器形成电信号，通过所述信号采集调理装置进行放大和模数转换形成数字信号，送入所述计算机中完成解码、时延、定位和提取时域处理，获得分布式传感器沿线的振动情况。