CN105699050B - 融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感方法及系统 - Google Patents

融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感方法及系统 Download PDF

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Abstract

融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统，包括激光器模块、偏振控制模块、第一光开关、第一耦合器、脉冲调制加扰偏模块、第二耦合器、反馈装置、第三耦合器、第二光开关、EDFA光放大器、环形器、光纤、第三光开关、第四耦合器、第四光开关、第五光开关、平衡光电探测器、数据采集模块、数据分析处理模块和显示器；系统根据监测需要选择使用相干光时域反射仪或混沌光时域反射仪；通过光开关组合切换，获得相干光时域反射仪或混沌光时域反射仪。本发明的有益效果在于两套测量方案重复利用了系统中的绝大多数测量装置，提高了传感器件的利用效率，两种测量方案共同对系统链路进行监测，优化系统的检测灵敏度、传感距离、定位精度。

Description

融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感方法及 系统
技术领域
本发明涉及一种光纤传感方法及系统，尤其涉及一种融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感方法及系统。
背景技术
光时域反射仪(OTDR)利用背向散射/反射信号对光纤链路中的故障点进行监测，这种技术可以方便的对光纤沿线的损耗、外界挤压、冲击、振动等参数进行无损伤测量，并能反馈出对应故障点的位置信息，在学术研究、工业生产和社会生活中有着广泛的研究和应用，在光纤通信、光纤传感行业中有重要的地位。
传统的OTDR技术通常是光源端发射探测光脉冲，通过监测反射/散射回探测端光信号的功率来得到故障点的距离信息和损耗、应变等参数信息。这一技术的缺陷在于其分辨率受光脉冲宽度的限制，其传感距离受探测光脉冲功率的限制，分辨率和传感距离是这项技术中的一对矛盾，很难兼得。近年来有研究单位提出基于混沌光源的光时域反射仪的测量方法，这种方法的分辨率决定于探测器和采集卡的带宽，可将分辨率提高到厘米甚至毫米量级，但是此方法也有自身的缺陷，一般对光纤损耗较为灵敏，对应变、偏振等的响应灵敏度不太理想。如何充分利用上述两种传感方法的优势，获得一套高分辨率、高灵敏度的测量方案是本发明专利要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种高灵敏度的分布式光纤传感方法，并基于这种方法提出一种融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感方法及系统，以克服现有技术方案的不足。
本发明的所述融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统的测量系统是指一套系统可以实现两种测量方案，一种是基于相干探测的分布式光时域传感方法(下简称相干光时域反射仪)，另一种是基于混沌光信号的分布式光时域传感方法(下简称混沌光时域反射仪)。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统，该系统包括激光器、偏振控制模块、第一光开关、第一耦合器、脉冲调制加扰偏器、第二耦合器、反馈装置、第三耦合器、第二光开关、光放大器、环形器、光纤、第三光开关、第四耦合器、第四光开关、第五光开关、平衡光电探测器、数据采集模块、数据分析处理模块和显示器；根据监测需要选择使用相干光时域反射仪或混沌光时域反射仪；光路连接方式如下：激光器模块与偏振控制模块相连后接第一光开关(1×2：1个输入端口，2个输出端口)的输入端口；第一光开关的第1输出端口接第一耦合器输入端口(1×2：1个输入端口，2个输出端口)；第一耦合器设有两路输出，其中一路输出经脉冲调制加扰偏器接第二光开关(2×1：2个输入端口，1个输出端口)的第1输入端口，另一路输出接到第四耦合器(2×2：2个输入端口，2个输出端口)的第1输入端口；第一光开关的第2个输出端口接第二耦合器(1×2：1个输入端口，2个输出端口)的输入端口，第二耦合器具有两路输出端，其中一路输出接第三耦合器(1×2：1个输入端口，2个输出端口)的输入端口，另一路输出接到反馈装置；第三耦合器第1路输出端口接第二光开关(2×1：2个输入端口，1个输出端口)的第2路输入端口，第三耦合器第2输出端口接第四光开关第2输入端口；第二光开关的输出端口接EDFA放大器，EDFA的输出端口接环形器的第1端口，环形器的第2端口接待测光纤，环形器的第3端口接第三光开关(1×2：1个输入端口，2个输出端口)的输入端口；第三光开关的第1个输出端口与第四耦合器的第1输入端口相连，第三光开关的第2输出端口与第五光开关(2×1：2个输入端口，1个输出端口)的第2个输入端口相连；第四耦合器具有两路输出端分别接第四光开关和第五光开关的第1个输入端口；第四光开关和第五光开关的输出端口分别接到光电探测器的两个光耦合输入端；光电探测器的输出端口连接数据采集模块的数据采集输入端口；数据采集模块的输出端连接数据分析处理模块；数据分析处理模块的输出端口连接显示模块。
本发明系统可以实现两种传感方法：一种是分布式相干光时域传感方法，另一种是分布式混沌光时域传感方法。即光开关(3)组合输出两种方式：激光器发射的信号或经光开关接到一条光路经耦合器直接将激光信号分为直流参考光和探测光信号，后将探测光调制成探测光脉冲；或经光开关接到另外一条光路产生混沌光信号并利用耦合器将其分为混沌探测光和混沌参考光。光脉冲或混沌探测光信号经光开关进入光放大器放大后进入环形器或直接经光开关进入环形器。环形器散射/反射回探测端的光信号或与直流参考光信号经耦合器相干后接入平衡光电探测器的两个输入端口进行相干探测，或与经光纤传输到探测端的混沌参考光一起经光开关分别接至平衡光电探测器的两个输入端口进行直接探测，利用数据采集模块和信号处理单元获取监测结果，并将监测结果输出到显示模块，实现光纤链路的故障监测。
两种传感方法通过两种线路连接方法实现，具体连接方式如下：
第一种连接方式为：激光器模块(1)与偏振控制模块(2)相连后接第一光开关(3)的输入端口，第一光开关(3)拨向第一输出端口接第一耦合器(4)输入端口，第一耦合器(4)的第1输出端口接脉冲调制加扰偏模块(5)，脉冲调制加扰偏模块(5)接第二光开关(9)的第一输入端口，第一耦合器(4)的第2输出端口接到第四耦合器(14)的第1输入端口，第二光开关(9)的输出端口接EDFA(10)放大器，EDFA(10)的输出端口接环形器(11)的第1端口，环形器(11)的第2端口接待测光纤(12)，环形器(11)的第3端口接入第三光开关(13)的输入端口，光开关的第1输出端口与第四耦合器(14)的第2输入端口相连，第四耦合器(14)的两路输出端分别接到第四光开关(15)的第1输入端口和所述第五光开关(16)的第1输入端口，第四光开关(15)的输出端口和第五光开关(16)的输出端口分别接到平衡探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)的差分输出端口连接数据采集模块(18)的数据采集第1输入端口；数据采集模块(18)的输出端连接数据分析处理模块(19)；数据分析处理模块(19)的输出端口连接显示模块(20)。
第二种连接方式为：激光器模块(1)与偏振控制模块(2)相连后接第一光开关(3)的输入端口，第一光开关(3)拨向第2输出端口接第二耦合器(6)输入端口，第二耦合器(6)的两路输出端，第1输出端口接第三耦合器(8)，第2输出端口接到反馈装置(7)，第三耦合器(8)的第1输出端口接第二光开关(9)的第2输入端口，第二光开关(9)的输出端口接EDFA(10)放大器，EDFA(10)的输出端口接环形器(11)的第1端口，环形器的第2端口接待测光纤(12)，环形器(11)的第3端口接入第三光开关(13)的输入端口，第三光开关(13)拨向第2输出端口与第五光开关(16)的第2输入端口相连；第三耦合器(8)的第2输出端口和第四光开关(15)的第2输入端口相连，第四光开关(15)的输出端口和第五光开关(16)的输出端口分别接到所述平衡探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)的两直流信号输出端口分别连接数据采集模块(18)的数据采集卡的第2和第3输入端口；数据采集模块(18)的输出端连接数据分析处理模块(19)；数据分析处理模块(19)的输出端口连接显示模块(20)。
所述传感系统的两种传感方法如下：第一种传感方法为“基于相干探测的分布式光时域传感方法”，对应第一种线路连接方式，其监测步骤如下：
1)所述激光器模块(1)输出的直流光信号经偏振控制模块(2)进入第一光开关(3)后送至第一耦合器(4)的输入端口，第一耦合器(4)将输入信号分成两路：其中一路由脉冲调制加扰偏模块(5)调制成探测光脉冲，光脉冲经第二光开关(9)，被EDFA(10)放大后，经环形器(11)进入待测光纤(12)形成探测信号；另一路光信号接到第四耦合器(14)作为参考光信号；
2)待测光纤(12)的背向反射/散射光经环形器(11)、第三光开关后送至第四耦合器(14)，参考光信号与反射/散射光信号在第四耦合器(14)中相干；
3)相干后的信号由第四耦合器(14)的两输出端口输出并分别经第四光开关(15)和第五光开关(16)接到平衡探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)将探测到的差分信号经差分输出端口送至数据采集模块(18)的第一输入端口；
4)数据采集模块(18)将电信号进行模数转换并存储后送到数据分析处理模块(19)；
5)数据分析处理模块(19)通过对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的监测曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示模块(20)，给出监测结果；
第二种传感方法为“基于混沌光源的分布式光时域传感方法”，对应第二种线路连接方式，其监测步骤如下：
1)激光器模块(1)输出的直流光信号经偏振控制模块(2)进入第一光开关(3)送至第二耦合器(6)，第二耦合器(6)将输入光信号分成两路，其中一路接第三耦合器(8)，另一路接到反馈装置(7)，反馈装置(7)与激光器模块(1)一起形成的混沌信号光经第三耦合器(8)分成两路，其中一路作为混沌参考光信号经光纤送至第四光开关(15)，另一路作为混沌探测光信号送至第二光开关(9)；
2)第二光开关(9)输出的混沌光信号被EDFA(10)放大后，经环形器(11)进入待测光纤(12)，待测光纤(12)的背向反射/散射光再经环形器(11)送至第三光开关(13)后直接送至第五光开关(16)；
3)第四光开关(15)和第五光开关(16)的输出信号分别耦合至平衡光电探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)的两直流信号分别由数据采集模块(18)的第2输入端口和第3输入端口采集；
4)数据采集模块(18)将第2、3输入端口接收到的数据进行模数转换并存储后送入数据分析处理模块(19)；
5)数据分析处理模块(19)先将所采集的由平衡光电探测器(17)的负直流输出端口输出的信号全部变为符号相反的数据(即变换为与正直流输出端口所获数据符号一致的数据)，然后通过相应的相关数据处理，继而再对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理，后对所获的监测曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示模块(20)，给出监测结果；
本发明系统可以通过一系列的光开关组合切换，从两种光路连接方案中选择一种对待测光纤进行实时监测。
本发明系统中的反馈装置(7)是可以形成混沌激光的装置。
本发明系统中的平衡光电探测器(17)的带宽既满足相干探测的需求又能满足混沌信号监测的需求，所述系统充分利用了平衡光电探测器(17)的三个电输出端口，其中差分输出信号用于相干传感监测方案，两直流输出端口用混沌传感监测方案。
本发明系统中的数据采集模块(18)与平衡光电探测器(17)的三个电输出端口相对应有三个电信号接收端口专门用于采集传感系统监测所得信号，此处另有两种可替代方案(详见图2、图3)。
本发明系统中的数据分析处理模块(19)对第一种相干探测传感方法所得的信号可直接进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的特征曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理；数据分析处理模块(19)对第二种混沌传感方法所得的信号要先将平衡光电探测器(17)的负直流输出端口获得的信号全部变为符号相反的数据(即变换为与正直流输出端口符号一致的数据)，然后再做相应的相关数据处理，继而通过对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的特征曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理。
本发明平衡光电探测器加数据采集模块加数据分析模块这一结构的另外二种备选方案，其中一种备选方案是在平衡光电探测器和数据采集卡之间添加一个电开关，电开关加在数据采集卡的一个通道前，可用于选择是从平衡光电探测器差分探测输出端口接收数据或者从其中一个直流输出端口接收数据，后期数据处理部分与第一种方案相似；本方案中使二通道数据采集卡即可完成系统的数据采集任务；另一种备选方案是在光电探测器部分选择使用两个具有统一参数标准的光电探测器，使用双通道数据采集卡采集数据，本方案在数据分析处理部分对基于相干探测的分布式光时域传感方法所得的信号需先进行差分计算再进行后期分析处理，对基于混沌光信号的分布式光时域传感方法所得的信号则可直接做相关计算并进行后期分析处理。
系统工作过程中激光器发射的信号或经光开关接到其中一条光路经耦合器直接将激光信号分为直流参考光和探测光信号，后将探测光调制成探测光脉冲；或经光开关接到另外一条光路产生混沌光信号并利用耦合器将其分为混沌探测光和混沌参考光。光脉冲或混沌探测光信号经光开关进入光放大器放大后进入环形器或直接经光开关进入环形器。环形器散射/散射回探测端的光信号或与直流参考光信号经耦合器相干后接入平衡光电探测器的两个输入端口进行相干探测，或与经光纤传输到探测端的混沌参考光一起分别接至平衡光电探测器的两个输入端口进行直接探测，经数据采集模块和信号处理单元获取监测结果，并将监测结果输出到显示模块，实现光纤链路的故障监测。
本发明的上述融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统中所述光电探测、数据采集和数据分析单元可以有多种实施方案，第一种是：系统中的光电探测器使用平衡光电探测器，充分利用了平衡光电探测器的三个电输出端口，其中差分输出信号用于相干传感监测方案，两直流输出端口用混沌传感监测方案。系统中的数据采集模块与平衡光电探测器的三个电输出端口相对应有三个电信号接收端口专门用于采集传感系统监测所得信号。系统中的数据分析处理模块对相干探测传感方法所得的信号可直接进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的特征曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理；数据分析处理模块对混沌传感方法所得的信号要先将平衡光电探测器的负直流输出端口获得的信号全部变为符号相反的数据(即变换为与正直流输出端口符号一致的数据)，然后再做相应的相关数据处理，继而通过对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的监测曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理。第二种是：与第一种方案的区别是数据采集卡模块只使用两个数据采集通道，在其中一个通道前加电开关，可用于选择是从平衡光电探测器差分探测输出端口接收数据或者从其中一个直流输出端口接收数据，后期数据处理部分与第一种方案相似。第三种是在光电探测器部分选择使用两个具有统一参数标准的光电探测器，使用双通道数据采集卡采集数据，本方案在数据分析处理部分对相干探测传感方法所得的信号需先进行差分计算再进行后期分析处理，对混沌传感方法所得的信号则可直接做相关计算并进行后期分析处理。三种实施方案的最终目的是相同的，都是希望从采集数据中获取监测结果。
本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统，公开了一种融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感技术，系统可以通过一系列的开关组合切换，获得两种光路连接形式继而形成两套测试方案，在监测过程中需从中选择一种对待测光纤进行监测。激光器发出的信号或经光开关接到其中一条光路形成相干光时域反射仪，或经光开关接到另外一条光路形成混沌光时域反射仪。两套测量方案重复利用了系统中的绝大多数测量装置，提高了传感器件的利用效率，两种测量方案共同对系统链路进行监测，可优化系统的检测灵敏度、传感距离、定位精度等参数指标。
有益效果：提出一种高灵敏度分布式传感方法，并基于这种方法提出一种融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感方法及系统，使用光开关组合将两种光纤传感系统融合在一起，既可实现基于混沌光源的分布式传感系统，获得高空间分辨率；又可实现基于相干探测的分布式光纤传感系统，获得高灵敏度、长传感距离。克服现有技术方案的不足，与单纯的混沌光时域反射仪或单纯的相干光时域反射仪相比，本发明将两套传感系统进行了集成，提高了系统的监测能力且节省了昂贵的成本代价。
附图说明
图1为本发明中的融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统的结构框图；
图2为图1中虚线框内部分的可替代方案二；
图3为图1中虚线框内部分的可替代方案三。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的较佳实施例。
本发明的融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统，其较佳具体实施方式如图1所示，包括激光器模块(1)，偏振控制模块(2)，第一光开关(3)，第一耦合器(4)，脉冲调制加扰偏模块(5)，第二耦合器(6)，反馈装置(7)，第三耦合器(8)，第二光开关(9)，光放大器(10)，环形器(11)，光纤(12)，第三光开关(13)，第四耦合器(14)，第四光开关(15)，第五光开关(16)，平衡光电探测器模块(17)，数据采集模块(18)，数据分析处理模块(19)，显示模块(20)。
图中3-1至3-3是第一光开关3的输入输出口；4-1至4-3是第一耦合器4的输入输出口；6-1至6-3是第二耦合器6的输入输出口；8-1至8-3是第三耦合器8的输入输出口；9-1至9-3是第二光开关9的输入输出口；13-1至13-3是第三光开关13的输入输出口；15-1至15-3是第四光开关15的输入输出口。
本发明用于监测时的具体实施步骤如下：
根据监测需要选择使用相干光时域反射仪或混沌光时域反射仪。
选择相干光时域反射仪，则光路连接方式如下：激光器模块(1)与偏振控制模块(2)相连后接第一光开关(3)的输入端口，第一光开关(3)拨向第一输出端口接第一耦合器(4)输入端口，第一耦合器(4)的第1输出端口接脉冲调制加扰偏模块(5)，脉冲调制加扰偏模块(5)接第二光开关(9)的第一输入端口，第一耦合器(4)的第2输出端口接到第四耦合器(14)的第1输入端口，第二光开关(9)的输出端口接EDFA(10)放大器，EDFA(10)的输出端口接环形器(11)的第1端口，环形器(11)的第2端口接待测光纤(12)，环形器(11)的第3端口接入第三光开关(13)的输入端口，光开关的第1输出端口与第四耦合器(14)的第2输入端口相连，第四耦合器(14)的两路输出端分别接到第四光开关(15)的第1输入端口和所述第五光开关(16)的第1输入端口，第四光开关(15)的输出端口和第五光开关(16)的输出端口分别接到平衡探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)的差分输出端口连接数据采集模块(18)的数据采集第1输入端口；数据采集模块(18)的输出端连接数据分析处理模块(19)；数据分析处理模块(19)的输出端口连接显示模块(20)。
监测步骤如下：
1)所述激光器模块(1)输出的直流光信号经偏振控制模块(2)进入第一光开关(3)后送至第一耦合器(4)的输入端口，第一耦合器(4)将输入信号分成两路：其中一路由脉冲调制加扰偏模块(5)调制成探测光脉冲，光脉冲经第二光开关(9)，被EDFA(10)放大后，经环形器(11)进入待测光纤(12)形成探测信号；另一路光信号接到第四耦合器(14)作为参考光信号；
2)待测光纤(12)的背向反射/散射光经环形器(11)、第三光开关后送至第四耦合器(14)，参考光信号与反射/散射光信号在第四耦合器(14)中相干；
3)相干后的信号由第四耦合器(14)的两输出端口输出并分别经第四光开关(15)和第五光开关(16)接到平衡探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)将探测到的差分信号经差分输出端口送至数据采集模块(18)的第一输入端口；
4)数据采集模块(18)将电信号进行模数转换并存储后送到数据分析处理模块(19)；
5)数据分析处理模块(19)通过对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的监测曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示模块(20)，给出监测结果；
选择混沌光时域反射仪进行监测，则光路连接方式为：激光器模块(1)与偏振控制模块(2)相连后接第一光开关(3)的输入端口，第一光开关(3)拨向第2输出端口接第二耦合器(6)输入端口，第二耦合器(6)的两路输出端，第1输出端口接第三耦合器(8)，第2输出端口接到反馈装置(7)，第三耦合器(8)的第1输出端口接第二光开关(9)的第2输入端口，第二光开关(9)的输出端口接EDFA(10)放大器，EDFA(10)的输出端口接环形器(11)的第1端口，环形器的第2端口接待测光纤(12)，环形器(11)的第3端口接入第三光开关(13)的输入端口，第三光开关(13)拨向第2输出端口与第五光开关(16)的第2输入端口相连；第三耦合器(8)的第2输出端口和第四光开关(15)的第2输入端口相连，第四光开关(15)的输出端口和第五光开关(16)的输出端口分别接到所述平衡探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)的两直流信号输出端口分别连接数据采集模块(18)的数据采集卡的第2和第3输入端口；数据采集模块(18)的输出端连接数据分析处理模块(19)；数据分析处理模块(19)的输出端口连接显示模块(20)。
监测步骤如下：
1)激光器模块(1)输出的直流光信号经偏振控制模块(2)进入第一光开关(3)送至第二耦合器(6)，第二耦合器(6)将输入光信号分成两路，其中一路接第三耦合器(8)，另一路接到反馈装置(7)，反馈装置(7)与激光器模块(1)一起形成的混沌信号光经第三耦合器(8)分成两路，其中一路作为混沌参考光信号经光纤送至第四光开关(15)，另一路作为混沌探测光信号送至第二光开关(9)；
2)第二光开关(9)输出的混沌光信号被EDFA(10)放大后，经环形器(11)进入待测光纤(12)，待测光纤(12)的背向反射/散射光再经环形器(11)送至第三光开关(13)后直接送至第五光开关(16)；
3)第四光开关(15)和第五光开关(16)的输出信号分别耦合至平衡光电探测器(17)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器(17)的两直流信号分别由数据采集模块(18)的第2输入端口和第3输入端口采集；
4)数据采集模块(18)将第2、3输入端口接收到的数据进行模数转换并存储后送入数据分析处理模块(19)；
5)数据分析处理模块(19)先将所采集的由平衡光电探测器(17)的负直流输出端口输出的信号全部变为符号相反的数据(即变换为与正直流输出端口所获数据符号一致的数据)，然后通过相应的相关数据处理，继而再对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理，后对所获的监测曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示模块(20)，给出监测结果；
图2是图1虚线框中第二种较佳实施方案，与第一种方案的区别是本方案中数据采集卡模块仅需两个数据采集通道，在平衡光电探测器的正直流输出、差分输出和数据采集端之间接一个2×1的电开关，如图2(a)所示(也可将此电开关加在负直流输出、差分输出和数据采集端之间，如图2(b)所示)，其中一个数据采集通道前加电开关，可用于选择是从平衡光电探测器差分探测输出端口接收数据或者从其中一个直流输出端口接收数据，后期数据处理分析方法与图1中的实施方案相同。
图3是图1虚线框中第三种较佳实施方案，这里在光电探测器部分选择使用两个具有统一参数标准的光电探测器，使用双通道数据采集卡采集数据，本实施方案在数据分析处理部分对相干探测传感方法所得的信号需先进行差分计算再进行后期分析处理，对混沌传感方法所得的信号则可直接做相关计算并进行后期分析处理。
以上实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.融合混沌光源和相干探测的复合型分布式光纤传感系统，其特征是系统包括激光器模块、偏振控制模块、第一光开关、第一耦合器、脉冲调制加扰偏模块、第二耦合器、反馈装置、第三耦合器、第二光开关、EDFA光放大器、环形器、光纤、第三光开关、第四耦合器、第四光开关、第五光开关、平衡光电探测器、数据采集模块、数据分析处理模块和显示模块；系统根据监测需要选择使用相干光时域反射仪或混沌光时域反射仪；光路连接方式如下：激光器模块与偏振控制模块相连后接包含1个输入端口，2个输出端口的第一光开关的输入端口；第一光开关的第1输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第一耦合器的输入端口，第一耦合器设有两路输出，其中一路输出经脉冲调制加扰偏模块接包含2个输入端口、1个输出端口的第二光开关的第1输入端口，另一路输出接到包含2个输入端口、2个输出端口的第四耦合器的第1输入端口；第一光开关的第2个输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二耦合器的输入端口，第二耦合器具有两路输出端，其中一路输出接包含1个输入端口、2个输出端口的第三耦合器，另一路输出接到反馈装置；第三耦合器的第1路输出端口接包含2输入端口、1个输出端口的第二光开关的第2路输入端口，第三耦合器的第2输出端口接第四光开关的第2输入端口；第二光开关的输出端口接EDFA光放大器的输入，EDFA光放大器的输出端口接环形器的第1端口，环形器的第2端口接待测光纤，环形器的第3端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第三光开关的输入端口；第三光开关的第1输出端口与第四耦合器的第2输入端口相连，第三光开关的第2输出端口与包含2个输入端口、1个输出端口的第五光开关的第2个输入端口相连；第四耦合器具有两路输出端分别接第四光开关和第五光开关的第1个输入端口；第四光开关和第五光开关的输出端口分别接到平衡光电探测器的两个光耦合输入端；平衡光电探测器的输出端口连接数据采集模块的数据采集输入端口；数据采集模块的输出端连接数据分析处理模块；数据分析处理模块的输出端口连接显示模块。
2.根据权利要求1的光纤传感系统，其特征是光开关组合输出两种连接方式：第一种连接方式为：激光器模块（1）与偏振控制模块（2）相连后接第一光开关（3）的输入端口，第一光开关（3）拨向第一输出端口接第一耦合器（4）输入端口，第一耦合器（4）的第1输出端口接脉冲调制加扰偏模块（5），脉冲调制加扰偏模块（5）接第二光开关（9）的第一输入端口，第一耦合器（4）的第2输出端口接到第四耦合器（14）的第1输入端口，第二光开关（9）的输出端口接EDFA（10）光放大器，EDFA（10）光放大器的输出端口接环形器（11）的第1端口，环形器（11）的第2端口接待测光纤（12），环形器（11）的第3端口接入第三光开关（13）的输入端口，第三光开关的第1输出端口与第四耦合器（14）的第2输入端口相连，第四耦合器（14）的两路输出端分别接到第四光开关（15）的第1输入端口和所述第五光开关（16）的第1输入端口，第四光开关（15）的输出端口和第五光开关（16）的输出端口分别接到平衡光电探测器（17）的两个光耦合输入端；平衡光电探测器（17）的差分输出端口连接数据采集模块（18）的数据采集第1输入端口；数据采集模块（18）的输出端连接数据分析处理模块（19）；数据分析处理模块（19）的输出端口连接显示模块（20）；
第二种连接方式为：激光器模块（1）与偏振控制模块（2）相连后接第一光开关（3）的输入端口，第一光开关（3）拨向第2输出端口接第二耦合器（6）输入端口，第二耦合器（6）的两路输出端，第1输出端口接第三耦合器（8），第2输出端口接到反馈装置（7），第三耦合器（8）的第1输出端口接第二光开关（9）的第2输入端口，第二光开关（9）的输出端口接EDFA（10）光放大器，EDFA（10）光放大器的输出端口接环形器（11）的第1端口，环形器的第2端口接待测光纤（12），环形器（11）的第3端口接入第三光开关（13）的输入端口，第三光开关（13）拨向第2输出端口与第五光开关（16）的第2输入端口相连；第三耦合器（8）的第2输出端口和第四光开关（15）的第2输入端口相连，第四光开关（15）的输出端口和第五光开关（16）的输出端口分别接到所述平衡光电探测器（17）的两个光耦合输入端；平衡光电探测器（17）的两直流输出端口分别连接数据采集模块（18）的数据采集卡的第2和第3输入端口；数据采集模块（18）的输出端连接数据分析处理模块（19）；数据分析处理模块（19）的输出端口连接显示模块（20）。
3.根据权利要求1或2所述的光纤传感系统，其特征在于系统中的反馈装置（7）是形成混沌激光的装置。
4.根据权利要求1或2所述的光纤传感系统，其特征在于系统中的平衡光电探测器（17）的带宽既满足相干探测的需求又能满足混沌信号监测的需求，所述系统充分利用平衡光电探测器（17）的三个电输出端口，其中差分输出信号用于相干传感监测方案，直流输出端口用混沌传感监测方案。
5.根据权利要求2所述的光纤传感系统，其特征在于系统中的数据采集模块（18）与平衡光电探测器（17）的三个电输出端口相对应有三个电信号接收端口专门用于采集传感系统监测所得信号。
6.根据权利要求2所述的光纤传感系统，其特征在于，系统中的数据分析处理模块（19）对第一种相干探测传感方法即分布式相干光时域传感方法，所得的信号直接进行放大、降噪、滤波基本处理后对传感器的特征曲线进行特征识别、关键点提取分析处理；数据分析处理模块（19）对第二种混沌传感方法即分布式混沌光时域传感方法所得的信号要先将平衡光电探测器（17）的负直流输出端口获得的信号全部变为符号相反的数据、即变换为与正直流输出端口符号一致的数据，然后再做相应的相关数据处理，继而通过对数据进行放大、降噪、滤波基本处理后对传感器的特征曲线进行特征识别、关键点提取分析处理。
7.根据权利要求1-6之一所述的系统的光纤传感方法，其特征在于系统实现两种传感方法：一种是分布式相干光时域传感方法，另一种是分布式混沌光时域传感方法；即激光器发射的信号或经光开关接到一条光路经耦合器直接将激光信号分为直流参考光和探测光信号，后将探测光调制成探测光脉冲；或经光开关接到另外一条光路产生混沌光信号并利用耦合器将其分为混沌探测光和混沌参考光；光脉冲或混沌探测光信号经光开关进入EDFA光放大器放大后进入环形器或直接经光开关进入环形器；环形器散射/反射回探测端的光信号或与直流参考光信号经耦合器相干后接入平衡光电探测器的两个输入端口进行相干探测，或与经光纤传输到探测端的混沌参考光一起经光开关分别接至平衡光电探测器的两个输入端口进行直接探测，利用数据采集模块和数据分析处理模块获取监测结果，并将监测结果输出到显示模块，实现光纤链路的故障监测。
8.根据权利要求1-6之一所述的系统的光纤传感方法，其特征在于第一种传感方法：基于相干探测的分布式光时域传感方法，对应第一种光路连接方式，其监测步骤如下：
1）所述激光器模块（1）输出的直流光信号经偏振控制模块（2）进入第一光开关（3）后送至第一耦合器（4）的输入端口，第一耦合器（4）将输入信号分成两路：其中一路由脉冲调制加扰偏模块（5）调制成探测光脉冲，光脉冲经第二光开关（9），被EDFA（10）光放大器放大后，经环形器（11）进入待测光纤（12）形成探测信号；另一路光信号接到第四耦合器（14）作为参考光信号；
2）待测光纤（12）的背向反射/散射光经环形器（11）、第三光开关后送至第四耦合器（14），参考光信号与反射/散射光信号在第四耦合器（14）中相干；
3）相干后的信号由第四耦合器（14）的两输出端口输出并分别经第四光开关（15）和第五光开关（16）接到平衡光电探测器（17）的两个光耦合输入端；平衡光电探测器（17）将探测到的差分信号经差分输出端口送至数据采集模块（18）的第一输入端口；
4）数据采集模块（18）将电信号进行模数转换并存储后送到数据分析处理模块（19）；
5）数据分析处理模块（19）通过对数据进行放大、降噪、滤波基本处理后对传感器的监测曲线进行特征识别、关键点提取分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示模块（20），给出监测结果；
第二种传感方法：基于混沌光源的分布式光时域传感方法，对应第二种光路连接方式，其监测步骤如下：
1）激光器模块（1）输出的直流光信号经偏振控制模块（2）进入第一光开关（3）送至第二耦合器（6），第二耦合器（6）将输入光信号分成两路，其中一路接第三耦合器（8），另一路接到反馈装置（7），反馈装置（7）与激光器模块（1）一起形成的混沌信号光经第三耦合器（8）分成两路，其中一路作为混沌参考光信号经光纤送至第四光开关（15），另一路作为混沌探测光信号送至第二光开关（9）；
2）第二光开关（9）输出的混沌光信号被EDFA（10）光放大器放大后，经环形器（11）进入待测光纤（12），待测光纤（12）的背向反射/散射光再经环形器（11）送至第三光开关（13）后直接送至第五光开关（16）；
3）第四光开关（15）和第五光开关（16）的输出信号分别耦合至平衡光电探测器（17）的两个光耦合输入端；平衡光电探测器（17）的两直流信号分别由数据采集模块（18）的第2输入端口和第3输入端口采集；
4）数据采集模块（18）将第2、3输入端口接收到的数据进行模数转换并存储后送入数据分析处理模块（19）；
数据分析处理模块（19）先将所采集的由平衡光电探测器（17）的负直流输出端口输出的信号全部变为符号相反的数据、即变换为与正直流输出端口所获数据符号一致的数据，然后经相关数据处理，继而再对数据进行放大、降噪、滤波基本处理，而后对所获的监测曲线进行特征识别、关键点提取分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示模块（20）给出监测结果。
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