[发明专利]一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器

说明书

本发明公开了一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器，属于光纤传感领域。方法包括：将连续光载波分为两路，将一路调制为具有多个频率分量的多边带信号；将多边带信号调制为随机脉冲序列后输入到待测光纤，使其产生后向瑞利散射信号，将后向瑞利散射信号与另一路光载波耦合后输出两路耦合信号；提取两路耦合信号拍频后的强度信息，对该强度信息滤波使多个频率分离，然后对其分别相干解调后合并，对合并后的信号时序重组；对重组后信号的相位进行离散傅里叶变换得到频谱。传感器主要包括：耦合器、任意波形发生器、电光调制器、声光调制器、光电探测器。本发明可提升分布式传感系统对信号强度测量的准确性以及系统频率响应上限。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器。

背景技术

光纤传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高压，能适应恶劣环境等优点，其中分布式传感是一种光纤链路上每一点都作为传感元件的技术，光纤既做信息传输媒介同时又是传感元，它可以连续测量沿光纤长度分布的环境参量，如温度，应变等，传感长度可达几十公里，鉴于其出色的技术解决方案和低廉的成本，分布式传感器在石油管道、桥梁、大坝、隧道、电力线、房屋建筑、飞行器、地震预警、边防等诸多领域中都有应用，是集智能化与环保于一身的理想的分布式测量工具。

在光纤中可应用于信号传感的信息主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种，常见的基于瑞利散射的分布式传感方案主要有光时域反射仪(OTDR)、相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)等。OTDR技术通过采集光脉冲在光纤中传播时产生的后向瑞利散射信号，再由其时域信息对信号位置进行定位，从而实现对光纤的分布式传感。由于使用非相干光源，OTDR技术仅能得到光纤损耗、光纤断点等信息，不能对外界扰动进行实时定位和测量。

φ-OTDR技术是在OTDR技术基础上，通过采用高度相干光源实现的；由于光源的高度相干性，φ-OTDR技术所采集到的后向瑞利散射信号将形成干涉图样，反映出光纤上固有的应力状况等信息，并且当光纤所处环境出现温度变化或光纤本身感受到外界应力作用时，瑞利干涉图样将发生改变，从而能够对外界扰动位置进行实时定位。φ-OTDR技术可进一步分为直接检测和相干检测两类：直接检测方案系统简单，但外界扰动导致的信号变化与扰动强度之间的关系并非线性，从而无法对外界扰动进行准确测量；而在相干检测系统中，瑞利信号的相位改变量是可测得的，且扰动位置处瑞利信号相位改变量与光纤所受外界应力之间满足一定关系，基于该关系，可以通过计算光纤中瑞利信号相位改变量来准确测量光纤所受应力大小。

但是该类分布式光时域传感系统绝大多数均使用的是等时间间隔的均匀采样脉冲，为使每次探测光脉冲产生的瑞利信号不发生重叠，需要保证两个相邻光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲在光纤中的渡越时间的两倍，而奈奎斯特采样定理决定系统可探测频率上限为光脉冲重复频率的一半，因而其频率响应受到传感光纤长度限制。常见的数千米至数十千米传感场景下该频率上限不过千赫兹甚至百赫兹量级，在较长光纤上只能测量数kHz量级甚至更低频率的信号，这意味着材料断裂、油气泄漏、工程机械入侵等高频信号事件可能无法监测。

同时，φ-OTDR技术必须在相干探测方案下才能测量信号强度，由于利用了光脉冲内部的瑞利信号干涉，从而存在干涉衰落现象，将导致对衰落位置处信号相位的相干解调错误，造成信号解调错误率很高，会带来大量的监测盲区。考虑到干涉衰落出现的概率很高，这使得相干检测方案难以实际应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器，其目的在于提升现有的分布式传感系统对信号强度测量的准确性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分布式超高频振动信号测量方法，包括：

步骤S1、输出单频连续光载波信号，并将其分为两路；将其中一路用多个不同频率正弦脉冲调制，形成具有多个频率分量的多边带信号；