[发明专利]一种基于频率和强度编解码的瑞利分布式相位解调光纤传感方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于频率和强度编解码的瑞利分布式相位解调光纤传感方法及系统，其中方法包括：光源产生频率编码的连续光信号；对频率编码的连续光进行光强度编码，形成频率和强度编码的光脉冲序列；将频率和强度编码的光脉冲序列放大到合适的功率；将合适功率的频率和强度编码光脉冲序列送入待测光纤，得到后向瑞利散射信号；接收后向瑞利散射光，将其转换成电信号并采集，使用解码矩阵解调出各单一频率下的单脉冲后向瑞利信号，并利用相关算法进一步解调出沿光纤光相位的大小分布。应用本发明提供的技术方案，无需相干探测即可解调瑞利光沿光纤的相位分布，具有探测稳定性高、时间利用率高、信噪比高和结构简单的特点。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于频率和强度编解码的瑞利分布式相位解调光纤传感方法及系统。

背景技术

相位敏感的光时域反射计(Phase Sensitive Optical Time DomainReflectometry，Φ-OTDR)是一种基于光纤后向瑞利散射的分布式多径干涉仪，可实现对外界振动信号位置和相位的准确识别，具有体积小、易弯曲、远程测量、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，在油气勘探、轨道交通、智能电网、边境安防、地震检测等领域具有广泛的应用需求。

现有技术中的基本结构如图1所示，采用直接探测方式，窄线宽激光器101发射的光信号经过强度调制器103被调制成脉冲作为泵浦光，经光放大器105放大后经环形器106从传感光纤107一端输入。反向传输的瑞利散射光经环形器106导入光探测器108检测转换为电信号，即可解出发生应变突变的位置。图1中所示现有技术中，在实际测量中，传感系统将单个光脉冲注入传感光纤中，并探测和处理后向散射的瑞利光信号，可实现微小温度或应变沿光纤分布的定性分析，但无法定量分析。

现有技术改进技术一如图2所示，采用相干探测方式，发射的光脉冲可以是单一频率或频率渐变的啁啾脉冲，可定量解算出瑞利光相位沿光纤的分布，但要求光源线宽极窄，设备本身的振动会引入相干噪声，设备防振动要求高。

现有技术改进技术二结构与图2类似，但调制光信号的脉冲采用编码脉冲，通过注入脉冲序列代替基本结构中的单个脉冲，提高光能量利用率，以此达到传感器综合性能的提升，但所有脉冲采用同一频率，各脉冲响应存在相干噪声恶化传感器性能，，且采用相干解调对设备防振动要求高。

现有技术改进技术三结构与图1相同，测量过程中通过改变脉冲光的频率，得到不同光脉冲频率的单脉冲响应。对得到的不同频率响应进行互相关运算，解算出瑞利光相位延光纤的分布，实现定量测量。该改进技术不需要线宽极窄的光源，对探测端稳定性要求低。但由于该改进技术基于单脉冲直接强度探测而非相干探测，无法利用上述编码技术来提升综合性能。

发明内容

鉴于现有技术及现有技术改进技术中存在的上述问题，，本发明提供了一种在不使用相干探测的前提下，利用频率和强度同时编码的技术突破直接探测Φ-OTDR传感系统综合性能限制的方法和系统。具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于频率和强度编解码的瑞利分布式相位解调光纤传感方法，所述方法包括：

光源产生频率编码的连续光；

对所述频率编码的连续光进行强度编码，形成频率和强度编码的光脉冲序列，强度编码和频率编码单个编码比特持续时间相同；

将所述频率和强度编码的光脉冲序列放大到合适的功率；

将所述合适功率的频率和强度编码光脉冲序列送入待测光纤，得到后向瑞利散射信号；

放大和接收所述后向瑞利散射光，将其转换成电信号并采集；

分析采集的所述电信号，使用解码矩阵解调出各单一频率下的单脉冲后向瑞利信号，并利用经典互相关算法进一步解调出沿光纤光相位的大小分布。

可选地，所述光源产生频率编码的连续光，包括：