CN103954308B - 光纤扰动探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤扰动探测方法，本发明在测量时进行分段频率扫描，用同频光的散射曲线测量动态扰动，将K组测量下获得的传感光纤上任一点背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线与第一组测量下获得的对应点的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线进行相关性检测，来测量准静态扰动，从而实现了对动态扰动信号和准静态信号的同时测量，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围；本发明还公开了一种光纤扰动探测装置，本发明的测量系统装置结构简单且成本低；在测量时间上比分别利用两套系统进行动态和准静态扰动的测量时间缩短很多，且可实现动态和准静态扰动的不间断测量。

Description

光纤扰动探测方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是一种光纤扰动探测方法及装置。

背景技术

随着光纤通讯的发展，尤其是骨干传输网、无源光网络和光纤接入技术的快速发展，光纤光缆在通讯领域的作用越来越重要。现如今的信息时代，光纤光缆因受到破坏而导致的通讯意外中断会产生不可估量的损失。为了尽可能的减少损失，迫切需要对光缆线路建立一套安全防护系统，能够尽快发现光缆中的异常情况和其所在位置，以便及时报警、防范和抢修，把损失减为最少。

相位敏感光时域反射技术最早是由H.F.Taylor在1993年提出的，向光纤中注入强相干的探测光，探测到的散射曲线是光纤中各点的散射光相干后的结果，扰动作用于光纤上改变该点的光纤长度和折射率，导致该位置的光相位发生变化，通过测量注入脉冲与接收到的信号之间的时间延迟可以定位扰动。相位敏感光时域反射技术具有灵敏度高、数据处理简单、定位精度高的优点。但是已有的相位敏感光时域反射技术，由于受到系统中光源频漂和其他一些不稳定因素的影响，无法测量静态或低频扰动，准静态扰动就是如应变和温度变化那样的缓慢变化扰动。

基于相干探测的光时域反射技术，引入本振光，与信号光相干后探测差频信号，大大提高了背向散射信号的光功率，提高了光时域反射技术的动态范围。近来，YaheiKoyamada提出了基于相干光时域反射技术的准静态扰动测量方法，通过变频来弥补扰动带来的光相位变化，能够高精度的测出作用于光纤上的温度和应力变化的大小，在8km的传感光纤上，温度分辨率和空间分辨率分别可以达到0.01℃和1m。但是由于需要扫频等原因耗时较长，该方案不宜测量高频扰动。

现实生活中对于光纤的扰动，可能同时存在高频动态扰动或准静态扰动，准静态就是如应变和温度变化那样的缓慢变化扰动，目前还没有能同时测量这两种不同扰动的技术，如何克服现有技术的不足已成为现有光纤传感领域亟待解决的重点难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供光纤扰动探测方法及装置，能够同时测量光纤受到的动态扰动和准静态扰动的信息，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，缩短了测量时间且本发明系统装置结构简单。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的光纤扰动探测方法，包括以下步骤：

步骤一、向被测传感光纤注入探测光；

步骤二、探测光在被测传感光纤中产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光与本振光混频后由平衡探测器探测；具体如下：

(201)调节探测光的频率M次，使得探测光的频率分别为f₁、f₂、……、f_M，每种频率下探测N次背向瑞利散射光信号，得到M×N条背向瑞利散射曲线，提取M×N条背向瑞利散射曲线上所有点作为一组测量数据；

(202)重复(201)的步骤K次，得到K组测量数据，最终获得K×M×N条背向瑞利散射曲线；

步骤三、对步骤二中探测后的信号进行数据处理，获得当前传感光纤的动态扰动和准静态扰动信息；具体步骤如下：

(301)动态扰动的测量：在每组测量中得到N条同频背向瑞利散射曲线后，取N条中时间间隔为预估动态扰动周期1/4至3/4的两条背向瑞利散射曲线，将距光输入端位置相同的点对应的背向瑞利散射光光功率进行相减得到差值曲线，差值曲线尖峰处对应的点即为受扰动点；对每一个受扰动点，取N条同频背向瑞利散射曲线上该扰动点的背向瑞利散射光光功率，将它们按时间顺序排列后进行傅里叶变换获得该点受扰动的频谱图，频谱上峰值对应的频率即为动态扰动的主要频率；

(302)准静态扰动的测量：

a，在每组测量下，将测得的N条同频背向瑞利散射曲线上所有离光信号输入端距离相同的点对应的背向瑞利散射光光功率相加后取平均值，形成平均背向瑞利散射曲线，该平均背向瑞利散射曲线为背向瑞利散射光光功率的平均值随离探测光输入端距离变化的曲线，最终获得M条不同频的平均背向瑞利散射曲线；

b，将M条不同频的平均背向瑞利散射曲线上离探测光输入端距离相同的点的背向瑞利散射光光功率按频率顺序排列，获得传感光纤上任一点的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线；

c，将K组测量下获得的传感光纤z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线分别与第一组测量下获得的z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线进行相关性检测，z为散射点离信号输入端的距离；

d，根据相关性检测的公式，测量出光纤上z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线与第一组z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线相比沿频率坐标的频移量Δf，若Δf＝0，表明该z点未受扰动，若Δf≠0，表明该z点受到扰动，进而获得准静态扰动的信息。

作为本发明的光纤扰动探测方法的进一步优化的方案，所述步骤d中的准静态扰动的信息指扰动的位置、扰动点处外部施加的应力变化量和温度变化量。

作为本发明的光纤扰动探测方法的进一步优化的方案，所述扰动点处外部施加的应力变化量Δε由计算获得，扰动点处外部施加的温度变化量ΔT由计算获得，ν为M次调频的中心探测光频。

作为本发明的光纤扰动探测方法的进一步优化的方案，所述步骤d中的相关性检测的公式为：

$R_{sk}(f,z)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\left(P_k\left(f_i+f,z\right)-\stackrel{\‾}{P_k}\left(z\right)\right)\left(P_1\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_1}\left(z\right)\right)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(P_k\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_k}\left(z\right)\right)}^2\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(P_1\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_1}\left(z\right)\right)}^2}},k=1,2,\mathrm{3......}K;$

上式为第k组测量下任一点z的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线沿频率坐标平移f后与第一组测量下该点曲线的相关性计算式，z为散射点离信号输入端的距离，f_i为M条不同频的平均瑞利背向散射曲线中第i条背向瑞利散射曲线的探测光频，P_k(f_i,z)为第k组测量中第i条平均瑞利背向散射曲线的z点处背向瑞利散射光光功率，为第k组测量下的M条不同频的平均瑞利背向散射曲线在z点处的平均背向瑞利散射光光功率；

改变频移f的大小，当R_sk最大时所对应的f为所需求的频移量Δf，若Δf＝0，表明该点未受准静态扰动；若Δf≠0，表明该点受到准静态扰动。

根据本发明提出的一种基于光纤扰动探测方法上的装置，包括可调谐激光器、第一耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、第二耦合器、平衡探测器、功率检波器、数据采集卡、数据处理模块和脉冲调制器；

可调谐激光器发出连续光经第一耦合器分成第一路连续光和第二路连续光，第一路连续光经声光调制器后被调制成探测光脉冲，探测光脉冲经掺饵光纤放大器放大到指定功率后由光纤环形器的第1端口注入光纤环形器内，由光纤环形器的第2端口注入传感光纤；第二路连续光入射至第二耦合器，为本振光；传感光纤中的背向瑞利散射光沿传感光纤传播至光纤环形器第2端口，由光纤环形器第3端口输出，入射至第二耦合器与本振光混频后由平衡探测器相干探测，相干探测后的信号经过功率检波器后由数据采集卡采集获得，经数据处理模块后确定当前传感光纤的动态、准静态扰动信息，脉冲调制器用于控制声光调制器所产生的脉冲信号并且用来同步数据采集卡的数据采集。

作为本发明的光纤扰动探测装置的进一步优化的方案，所述可调谐激光器为可调谐窄线宽激光器，其可调节频率分辨率为百兆赫兹量级。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在测量时进行分段频率扫描，用同频光的散射曲线测量动态扰动，对比不同频的散射曲线之间的相关性用来测量准静态扰动，从而实现了对动态扰动信号和准静态信号的同时测量；本发明既可以测量应力变化、温度变化等准静态扰动事件，又可以测量动态扰动如振动事件，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围；本发明在测量系统装置结构简单且成本低；在测量时间上比分别利用两套系统进行动态和准静态扰动的测量时间缩短很多，且可实现动态和准静态扰动的不间断测量。

附图说明

图1是本发明光纤扰动探测装置的示意图。

图中：1-可调谐激光器；2-第一耦合器；3-声光调制器；4-掺饵光纤放大器；5-光纤环形器；6-传感光纤；7-第二耦合器；8-平衡探测器；9-功率检波器；10-数据采集卡；11-数据处理模块；12-脉冲调制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

光纤扰动探测方法，包括以下步骤：

步骤一、向被测传感光纤注入探测光；

步骤二、探测光在被测传感光纤中产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光与本振光混频后由平衡探测器探测；具体如下：

(201)调节探测光的频率M次，使得探测光的频率分别为f₁、f₂、……、f_M，每种频率下探测N次背向瑞利散射光信号，得到M×N条背向瑞利散射曲线，提取M×N条背向瑞利散射曲线上所有点作为一组测量数据；

(202)重复(201)的步骤K次，得到K组测量数据，最终获得K×M×N条背向瑞利散射曲线；

步骤三、对步骤二中探测后的信号进行数据处理，获得当前传感光纤的动态扰动和准静态扰动信息；具体步骤如下：

(301)动态扰动的测量：在每组测量中得到N条同频背向瑞利散射曲线后，取N条中时间间隔为预估动态扰动周期1/4至3/4的两条背向瑞利散射曲线，将距光输入端位置相同的点对应的背向瑞利散射光光功率进行相减得到差值曲线，差值曲线尖峰处对应的点即为受扰动点；对每一个受扰动点，取N条同频背向瑞利散射曲线上该扰动点的背向瑞利散射光光功率，将它们按时间顺序排列后进行傅里叶变换获得该点受扰动的频谱图，频谱上峰值对应的频率即为动态扰动的主要频率；

(302)准静态扰动的测量：

a，在每组测量下，将测得的N条同频背向瑞利散射曲线上所有离光信号输入端距离相同的点对应的背向瑞利散射光光功率相加后取平均值，形成平均背向瑞利散射曲线，该平均背向瑞利散射曲线为背向瑞利散射光光功率的平均值随离探测光输入端距离变化的曲线，最终获得M条不同频的平均背向瑞利散射曲线；

b，将M条不同频的平均背向瑞利散射曲线上离探测光输入端距离相同的点的背向瑞利散射光光功率按频率顺序排列，获得传感光纤上任一点的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线；

c，将K组测量下获得的传感光纤z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线分别与第一组测量下获得的z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线进行相关性检测，z为散射点离信号输入端的距离；

d，根据相关性检测的公式，测量出光纤上z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线与第一组z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线相比沿频率坐标的频移量Δf，若Δf＝0，表明该z点未受扰动，若Δf≠0，表明该z点受到扰动，进而获得准静态扰动的信息。

步骤d中的准静态扰动的信息指扰动的位置、扰动点处外部施加的应力变化量和温度变化量。

所述扰动点处外部施加的应力变化量Δε由计算获得，扰动点处外部施加的温度变化量ΔT由计算获得，ν为M次调频的中心探测光频。

所述步骤d中的相关性检测的公式为：

$R_{sk}(f,z)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\left(P_k\left(f_i+f,z\right)-\stackrel{\‾}{P_k}\left(z\right)\right)\left(P_1\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_1}\left(z\right)\right)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(P_k\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_k}\left(z\right)\right)}^2\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(P_1\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_1}\left(z\right)\right)}^2}},k=1,2,\mathrm{3......}K;$

上式为第k组测量下任一点z的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线沿频率坐标平移f后与第一组测量下该点曲线的相关性计算式，z为散射点离信号输入端的距离，f_i为M条不同频的平均瑞利背向散射曲线中第i条背向瑞利散射曲线的探测光频，P_k(f_i,z)为第k组测量中第i条平均瑞利背向散射曲线的z点处背向瑞利散射光光功率，为第k组测量下的M条不同频的平均瑞利背向散射曲线在z点处的平均背向瑞利散射光光功率；

改变频移f的大小，当R_sk最大时所对应的f为所需求的频移量Δf，若Δf＝0，表明该点未受准静态扰动；若Δf≠0，表明该点受到准静态扰动。

如图1所示的本发明的光纤扰动探测装置，包括可调谐激光器1、第一耦合器2、声光调制器3、掺饵光纤放大器4、光纤环形器5、传感光纤6、第二耦合器7、平衡探测器8、功率检波器9、数据采集卡10、数据处理模块11和脉冲调制器12；所述可调谐激光器1发出连续光经第一耦合器分成第一路连续光和第二路连续光；第一路连续光经声光调制器3后被调制成探测光脉冲，探测光脉冲经掺饵光纤放大器4放大到指定功率后由光纤环形器5的第1端口注入光纤环形器5内，由光纤环形器5的第2端口注入传感光纤；第二路连续光入射至第二耦合器7，为本振光；传感光纤中的背向瑞利散射光沿传感光纤传播至光纤环形器5第2端口，由光纤环形器5第3端口输出，入射至第二耦合器7与本振光混频后由平衡探测器8相干探测，相干探测后的信号经过功率检波器9后由数据采集卡10采集获得，经数据处理模块11后确定当前传感光纤的动态、准静态扰动信息，脉冲调制器12用于控制声光调制器3所产生的脉冲信号并且用来同步数据采集卡10的数据采集。

本发明中所述可调谐激光器1为可调谐窄线宽激光器，其可调节频率分辨率为百兆赫兹量级；脉冲调制器12用于控制声光调制器3所产生的脉冲信号的同时，还用来同步数据采集卡10的数据采集；功率检波器9用于获得相干信号的包络信号。

本发明在测量过程中需要重复采用不同频率的入射光来进行分组探测，假设在一组测量中需要依次调节M次激光器的出射频率。在每种出射频率下，不改变光频，需探测N次，我们将获得M×N条散射光信号曲线作为一组测量数据，重复以上探测K次，即最后将获得K×M×N条散射光信号曲线。

本发明中，当所述传感光纤出现动态扰动时，探测光脉冲的背向瑞利散射光注入光纤环形器5第2端口后，经由光纤环形器5从其第3端口输出到达第二耦合器7，与本振光混频后由平衡探测器8探测，平衡探测器8前设置电学滤波器使平衡探测器8探测的中心频率被设置在f₀处，f₀即为声光调制器3移动的频率。将所得背向瑞利散射光信号进行包络解调，对比前后N条同频探测光的背向瑞利散射光时域曲线分布，因扰动只影响光纤上对应点的背向瑞利散射光的光功率和相位信息，不影响光纤上其他点的背向瑞利散射光的信息，所以只有动态扰动点的背向瑞利散射光信号持续波动，从而可以实现动态扰动点的定位，在每组测量中得到N条同频背向瑞利散射曲线后，取N条中时间间隔为预估动态扰动周期1/4至3/4的两条背向瑞利散射曲线，将距光输入端位置相同的点对应的背向瑞利散射光光功率进行相减得到差值曲线，差值曲线尖峰处对应的点即为受扰动点；对每一个受扰动点，取N条同频背向瑞利散射曲线上该扰动点的背向瑞利散射光光功率，将该受扰动点的背向瑞利散射光光功率按时间顺序排列后进行傅里叶变换获得该点受扰动的频谱图，频谱上峰值对应的频率即为动态扰动的主要频率。

本发明中，当所述传感光纤出现准静态扰动时，探测光脉冲的背向瑞利散射光注入光纤环形器5第2端口后，经由光纤环形器5从其第3端口输出到达第二耦合器7，与本振光混频后由平衡探测器8探测。将每组测量中的每种同频探测光的N条散射光时域曲线分布叠加平均后，获得M条不同频探测光的背向瑞利散射光时域曲线分布。每组测量下我们都能获得光纤上不同点的背向瑞利散射光光功率与探测频率的关系，将K组测量中获得的曲线进行相关性检测，可以获得准静态扰动的相关信息。

K组测量下，每组中进行的M次频点扫描所采用频率，分别为f₁、f₂、……、f_M，每种频率进行N次探测。

在每组测量中第i个频点扫描中，光源的出射频率为f_i(i＝1、2、……、M)，声光调制器3的调制频率为f₀，经声光调制器3调制成f_i+f₀，本振光的频率为f_i保持不变。它们混频后由平衡探测器探测。根据相干检测的原理，此时平衡探测器8输出拍频信号的光电流为：

其中，R为平衡探测器8的响应度，P_Lo为本振光的功率，P_s(t)为背向瑞利散射光的功率，为背向瑞利散射光和本振光的相位之差，t为时间。通过平衡探测器8后出射的信号经过功率检波器9检波，去除载波频率的影响，获得背向瑞利散射曲线的包络信号。由于采用的是窄线宽的光源，注入的光是高度相干的，因此反射回来的背向瑞利散射信号是脉冲宽度区域内各点的散射光相干的结果，如果光纤上某一位置受到了较高频扰动，由于弹光效应，该点的折射率会随扰动的大小发生有规律的变化，从而引起该点背向瑞利散射信号的相位和光功率的变化。对每组探测下的同频探测获得的背向瑞利散射曲线做以下处理：将得到的前后时刻的两条瑞利背向散射曲线相减，差值变化很大的点即为受扰动点；再通过将N条曲线上该点的散射光光功率按时间顺序排列进行傅里叶变化后，可以获得该动态扰动的频率信息；对每组同频探测下获得的N条背向散射曲线都做以上处理，就可以实现对传感光纤上的动态扰动信息的不间断测量。

每组测量下，将同频探测的N条曲线累加平均后获得M条不同频探测的背向瑞利散射信号，K组测量后即可获得K组包含M条不同频探测的背向瑞利散射曲线。对于我们所关心的传感光纤中的背向瑞利散射信号光功率P_s(t)，它可以表达成

P_s(t)＝p₁(t)+p₂(t)；

$p_1\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{a}_j^2\exp \left(-2\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{c\τ}}_j}{n_f}\right)rect\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_j}{W}\right);$

$p_2\left(t\right)=2\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=j+1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{a}_k{\mathrm{cos\φ}}_{jk}\exp \[-\mathrm{\α}\frac{c\left({\mathrm{\τ}}_j+{\mathrm{\τ}}_k\right)}{n_f}\]\×rect\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_j}{W}\right)rect\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_k}{W}\right);$

其中，α是光纤衰减常数，n_f是光纤的折射率，a_j、a_k和τ_j、τ_k是第j、k个散射点的背向散射光的光功率和时延；τ_j由散射点离输入端的位置决定，为τ_j＝2n_fz_j/c，J是散射点的总个数，z_j为第j个散射点离输入端的位置，c是真空中光的传播常数，exp表示以e为底的指数函数；当时，其余都为0；φ_jk＝φ_j-φ_k，表示任意两个散射点之间的相位差，φ_j、φ_k为第j、k个散射点的相位，W是输入光脉冲的脉冲宽度。p₁(t)代表各个独立的散射点的散射功率的叠加，它随光纤所受的外界温度和应力等的影响并不大；p₂(t)表示每个散射点散射波之间的相干效果，它造成了背向散射曲线上的不规则波动，组成p₂(t)的每一项中均含有cosφ_jk，即两个散射点之间的相位差会对p₂(t)造成较大的影响，而φ_jk正比于光源频率f_i、光纤折射率n_f以及散射点间距s_jk＝z_j-z_k，可以表达为φ_jk＝4πf_in_fs_jk/c。当光纤受到温度变化或压力时，光纤折射率n_f发生变化，为了使该点的背向瑞利散射光光功率不变，就要使φ_jk不变，则可以通过改变光源频率f_i来弥补n_f所带来的φ_jk的变化，获得同样的P_s(t)；这个所需移动的频率Δf与光纤所受的准静态扰动的大小有关，准静态扰动点处外部施加的应力变化量Δε由计算获得，扰动点处外部施加的温度变化量ΔT由计算获得，ν为M次调频的中心探测光频；所以测出所需移动频率Δf即可测出外界施加的应力变化Δε和温度变化ΔT。

而对于上述Δf的测量：上面已述每组测量下可以获得M条不同频探测光的背向瑞利散射光时域分布曲线，将每条曲线上离光信号输入端距离相同的点按频率顺序排列，就可以获得光纤上任一点的散射光光功率随频率的变化关系。若需知道第k组测量下光纤上某点是否受到外界的准静态扰动，只需分析第k组测量下该点的散射光光功率随频率分布曲线与第一组测量下该点的散射光光功率随频率分布曲线之间的相关性。若未受扰动，则该点的散射光光功率随频率分布曲线在频率坐标上不发生移动，曲线无需频移则相关性最大；若受到扰动，则该点的散射光光功率随频率分布曲线会沿频率坐标发生平移，若将该点的频率分布曲线沿频率坐标向反方向移动f，获得的曲线将与第一组测量下获得的该点的散射光光功率随频率分布曲线近似重合，此时相关性最大，这里移动的频率大小f即为上面所述的Δf，用来标定外部扰动的大小。第k组与第一组测量下对应点的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线的相关性计算式为

$R_{sk}(f,z)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\left(P_k\left(f_i+f,z\right)-\stackrel{\‾}{P_k}\left(z\right)\right)\left(P_1\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_1}\left(z\right)\right)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(P_k\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_k}\left(z\right)\right)}^2\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(P_1\left(f_i,z\right)-\stackrel{\‾}{P_1}\left(z\right)\right)}^2}},k=1,2,\mathrm{3......}K;$

式中，z为散射点离信号输入端的距离，f_i为M条不同频的平均瑞利背向散射曲线中第i条背向瑞利散射曲线的探测光频，P_k(f_i,z)为第k组测量中第i条平均瑞利背向散射曲线的z点处背向瑞利散射光光功率，为第k组测量下的M条不同频的平均瑞利背向散射曲线在z点处的平均背向瑞利散射光光功率。不加准静态扰动时，对于任意z都有当f＝0时，R_sk最大；当某一点被施加准静态扰动时，未受扰动点仍保持f＝0时相关性最高，而在扰动点则有当光源移频弥补扰动影响时，R_sk最大，即f＝Δf时，R_sk最大。对光纤上任意一点的散射光光功率随频率的变化曲线进行相关检测，若f＝0，则该点未受扰动；若f≠0，则该点受到扰动，从而定位有无准静态扰动和扰动的位置；准静态扰动如应变或温度变化的大小可由计算获得，其中ν为M次调频的中心探测光频。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.光纤扰动探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、向被测传感光纤注入探测光；

步骤二、探测光在被测传感光纤中产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光与本振光混频后由平衡探测器探测；具体如下：

(201)调节探测光的频率M次，使得探测光的频率分别为f₁、f₂、……、f_M，每种频率下探测N次背向瑞利散射光信号，得到M×N条背向瑞利散射曲线，提取M×N条背向瑞利散射曲线上所有点作为一组测量数据；

(202)重复(201)的步骤K次，得到K组测量数据，最终获得K×M×N条背向瑞利散射曲线；

步骤三、对步骤二中探测后的信号进行数据处理，获得当前传感光纤的动态扰动和准静态扰动信息；具体步骤如下：

(301)动态扰动的测量：在每组测量中得到N条同频背向瑞利散射曲线后，取N条中时间间隔为预估动态扰动周期1/4至3/4的两条背向瑞利散射曲线，将距光输入端位置相同的点对应的背向瑞利散射光光功率进行相减得到差值曲线，差值曲线尖峰处对应的点即为受扰动点；对每一个受扰动点，取N条同频背向瑞利散射曲线上该扰动点的背向瑞利散射光光功率，将它们按时间顺序排列后进行傅里叶变换获得该点受扰动的频谱图，频谱上峰值对应的频率即为动态扰动的主要频率；

(302)准静态扰动的测量：

a，在每组测量下，将测得的N条同频背向瑞利散射曲线上所有离光信号输入端距离相同的点对应的背向瑞利散射光光功率相加后取平均值，形成平均背向瑞利散射曲线，该平均背向瑞利散射曲线为背向瑞利散射光光功率的平均值随离探测光输入端距离变化的曲线，最终获得M条不同频的平均背向瑞利散射曲线；

b，将M条不同频的平均背向瑞利散射曲线上离探测光输入端距离相同的点的背向瑞利散射光光功率按频率顺序排列，获得传感光纤上任一点的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线；

c，将K组测量下获得的传感光纤z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线分别与第一组测量下获得的z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线进行相关性检测，z为散射点离信号输入端的距离；

d，根据相关性检测的公式，测量出光纤上z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线与第一组z点处的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线相比沿频率坐标的频移量Δf，若Δf＝0，表明该z点未受扰动，若Δf≠0，表明该z点受到扰动，进而获得准静态扰动的信息。

2.根据权利要求1所述的光纤扰动探测方法，其特征在于，所述步骤d中的准静态扰动的信息指扰动的位置、扰动点处外部施加的应力变化量和温度变化量。

3.根据权利要求2所述的光纤扰动探测方法，其特征在于，所述扰动点处外部施加的应力变化量Δε由计算获得，扰动点处外部施加的温度变化量ΔT由计算获得，ν为M次调频的中心探测光频。

4.根据权利要求1所述的光纤扰动探测方法，其特征在于，所述步骤d中的相关性检测的公式为：

$R_{\mathrm{sk}}(f,z)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(P_k(f_i+f,z)-{\stackrel{\‾}{P}}_k\left(z\right))(P_1(f_i,z)-{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(z\right))}{\stackrel{}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(P_k(f_i,z)-{\stackrel{\‾}{P}}_k\left(z\right))}^2\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(P_1(f_i,z)-{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(z\right))}^2}}},k=\mathrm{1,2,3}......K;$

上式为第k组测量下任一点z的背向瑞利散射光光功率随频率的分布曲线沿频率坐标平移f后与第一组测量下该点曲线的相关性计算式，z为散射点离信号输入端的距离，f_i为M条不同频的平均瑞利背向散射曲线中第i条背向瑞利散射曲线的探测光频，P_k(f_i,z)为第k组测量中第i条平均瑞利背向散射曲线的z点处背向瑞利散射光光功率，为第k组测量下的M条不同频的平均瑞利背向散射曲线在z点处的平均背向瑞利散射光光功率；

改变频移f的大小，当R_sk最大时所对应的f为所需求的频移量Δf，若Δf＝0，表明该点未受准静态扰动；若Δf≠0，表明该点受到准静态扰动。

5.一种基于权利要求1所述的光纤扰动探测方法的装置，其特征在于，包括可调谐激光器、第一耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、第二耦合器、平衡探测器、功率检波器、数据采集卡、数据处理模块和脉冲调制器；

可调谐激光器发出连续光经第一耦合器分成第一路连续光和第二路连续光，第一路连续光经声光调制器后被调制成探测光脉冲，探测光脉冲经掺饵光纤放大器放大到指定功率后由光纤环形器的第1端口注入光纤环形器内，由光纤环形器的第2端口注入传感光纤；第二路连续光入射至第二耦合器，为本振光；传感光纤中的背向瑞利散射光沿传感光纤传播至光纤环形器第2端口，由光纤环形器第3端口输出，入射至第二耦合器与本振光混频后由平衡探测器相干探测，相干探测后的信号经过功率检波器后由数据采集卡采集获得，经数据处理模块后确定当前传感光纤的动态、准静态扰动信息，脉冲调制器用于控制声光调制器所产生的脉冲信号并且用来同步数据采集卡的数据采集。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述可调谐激光器为可调谐窄线宽激光器，其可调节频率分辨率为百兆赫兹量级。