[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

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种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。

背景技术

分布式光纤传感系统由于其灵敏度高，不受电磁干扰，检测范围广，成本低等特点，广泛应用于长距离油气管道监测及周界安防，建筑结构健康监测等领域，是近数十年的研究热点。

Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布光纤传感系统，利用检测两传感光路中由外界扰动所造成的相位差变化，并通过相关时延估计的方法进行定位，能对振动进行良好的感知。但由于相关时延估计方法本身确定时延的难度性，使得该方法定位精度不高，对振动点的准确判断困难重重。

基于光时域反射仪(OTDR)技术的分布式光纤传感系统利用光波在光纤中传输时发生的瑞丽散射现象，在背向检测瑞利散射光的强度来得到光纤的损耗变化并精确定位光纤故障点。由于这种技术是对瑞利散射光的强度进行测量，因此其测量灵敏度比较低且仅能响应静态损耗的变化。

基于相干瑞利散射的Φ-OTDR(相敏OTDR)技术，通过使用长相干光源，检测光脉冲返回光的相干结果，其干涉方法能有效实现动态响应，能同时实现高定位精度和高灵敏度检测，尤其是对于微弱扰动信号的检测。同时，由于空间分辨率和脉冲长度相关，为了空间分辨率，常使用非常窄的脉冲，常见为数十至数百纳秒，因此返回光强度微弱，在长距离传输后，信号分辨率较低，限制动态范围。

综上所述，在现有的技术方案中，Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布光纤传感系统的传感精度较高但定位能力较弱，且易受干扰；OTDR式分布式传感系统定位的精度高但系统敏感度较差；相位敏感OTDR系统在定位精度和系统灵敏度方面都有较好的表现，但其脉冲宽度窄，返回光信号弱，信号分辨率差，动态范围窄，传感距离有限。

发明内容

本发明提供了一种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，本发明在保证定位精度的条件下，克服现有监检测系统传感灵敏度不足的问题，详见下文描述：

一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，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；

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)；

选取连续K次所发射光脉冲得到的共K条反向回波曲线，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，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，提取解码延迟后回波曲线中每条曲线的第i点数据，得到振动的时域采样信号。

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。

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；

所述N个所需信号r_i(t)为：

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

一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感系统，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，