[发明专利]基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法

说明书

本发明公开基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统和方法，由激光器模块产生光信号后由耦合器将光信号分别输入光信号调制模块和信号检测模块，光信号调制模块将光信号调制为x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后发送给待测传感光纤；经过待测传感光纤之后，x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号所产生的混合的散射光信号被送至信号检测模块；信号检测模块利用耦合器发送的光信号和混合的散射光信号得到拍频信号，信号解调模块对拍频信号进行解调后输出结果；本发明可在相同的传感带宽下设置不同的啁啾率，降低了占用的系统传感带宽，提高频谱利用率，随之测量速度提升了x‑1倍，且本发明只需要单通道即可完成测量，降低系统复杂度。

技术领域

本发明涉及光纤传感测量技术领域，具体涉及一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法。

背景技术

分布式光纤传感(DFOS)在现代社会中有着极为广泛的运用，尤其在石油传输、电力监测、大型结构安全以及国境安防等领域占有非常重要的地位。分布式光纤传感的基本原理为外界环境因素的改变，诸如温度、振动等，导致光纤本身的特性如折射率发生改变，进而影响到光纤中传输光场，并且改变光纤中的散射光场。因此，通过检测散射光(瑞利散射光、布里渊散射光或者拉曼散射光)的特性，可以得到光纤受影响的位置，甚至于可以还原外界温度场或振动场。

相位敏感形光时域反射仪是一种典型的分布式光纤传感系统，它通过解调光纤中瑞利散射光的相位信息来进行对外界干扰的实时监测，原理如下：当相干光源输出的脉冲进入待测光纤后，其沿光纤后向瑞利散射光不断返回输入端；在某一个特定时刻光纤上长度为半个脉冲宽度的瑞利散射光在输入端发生相干，最终输出系统；若外界振动场发生改变，其频率和幅值与散射光两点之间的相位差成正比；因此可以通过解调传感系统的相位来还原外界振动场。

但是现有的分布式传感系统具有一定的局限性。为了避免不同脉冲的散射光信号发生重叠，在光源输出的上一个脉冲进入待测光纤之后，其瑞利散射光全部返回到输出端时，才可以输入下一个脉冲。因此，系统的测量速度f_scan和传感距离L是相互制约的，它们之间满足f_scan≤c/2nL。

近年来，对于打破测量速度和传感距离限制的研究，主要有以下两种：

1、基于频分复用的分布式光纤传感技术，通过向传感光纤中注入M个不同频率范围的啁啾脉冲，通过在频域加窗的方法分别解调出来各个频率范围的散射信号，这些散射信号可以分别恢复出来扰动信息，从而测量速度提升了M-1倍，但是这种方法使得所需的传感带宽增加了M-1倍，频谱的利用率不高；若系统带宽受限，则复用通道数目的增多会增大通道间串扰从而影响信噪比，或降低空间分辨率。

2、基于正负频IQ解调的分布式光纤传感技术，通过向传感光纤中注入正负频率的啁啾脉冲，由于正频和负频在频域上是可以分开的，所以运用傅里叶变换技术，可以将携带反射光信息的正负频率的信号分开，它们可以分别恢复出来扰动信息，使得测量速度提升了1倍。但是这种方法需要双通道探测，增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前的分布式传感系统中由于测量速度与传感距离相互制约，无法保证在系统具有高频谱利用率和单通道探测的同时提高测量速度的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，包括：激光器模块、耦合器、光信号调制模块、待测传感光纤、信号检测模块和信号解调模块；

所述激光器模块产生光信号并将光信号发送给耦合器，耦合器将光信号分别输入光信号调制模块和信号检测模块；

光信号调制模块将光信号调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后发送给待测传感光纤；

经过待测传感光纤之后，x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号所产生的混合的散射光信号被送至信号检测模块；；