CN108775909B - 一种基于多变频ofdr的分布式光纤传感系统及传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法，将窄线宽变频激光器产生连续变频光，经耦合器后分为探测光和参考光，探测光经过电光调制器进行二次调频，通过计算机控制和改变二次调频速率，探测光经EDFA放大后进入传感光纤，在传感光纤尾部加装标定部件，参考光与背向瑞利散射光发生干涉，形成具有多个变频率载波的探测结果，被平衡探测器探测，并转换为数字信号。通过对数字信号进行分段、时频分析、求取斜线边际频率谱、将频率域转化为空间域、利用标定部件反射峰特征对空间子域进行重新排列，从而获得整个传感范围内的散射光强分布。利用二次调频和求取斜线边际频率谱法，实现了重叠空间信号的分离，将传感范围成倍扩大。

Description

一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法。

背景技术

分布式光纤传感利用光纤中的背向散射光实现光纤周届物理量的测量，具有定位准确、可靠性高、可多点同时检测的特性，在光缆状态监测、长距离应力温度检测中具有广泛应用。

分布式光纤传感根据探测光的不同可分为光时域反射技术(OTDR)和光频域反射技术(OFDR)。其中，OTDR技术通过向光纤中注入一个脉冲形式的探测光，在光纤首端光电探测器处，不同时刻将收到不同空间位置的散射光，从而实现空间分辨。受脉冲调制器件以及光电探测器信噪水平的限制，通常采用数十至数百纳秒的脉冲宽度，在单模光纤中对应于数米至数十米的空间分辨率，传感距离从数km至数十km。OFDR技术则通过向光纤中注入一个频率线性变化的连续探测光，在光纤首端构建相干检测结构，检测散射光与探测光的干涉结果。由于有空间不同位置处的散射光与探测光之间具有不同的时间延迟，经过干涉过程将不同的时间延迟转化为不同频率的载波，通过对所检测的干涉结果进行频率域变换，即可将频率域与空间域相对应。OFDR技术的空间分辨率由对干涉结果的频率分辨能力以及探测光的频率变化范围、速率共同决定，可以达到数cm甚至数mm。OFDR的传感距离与探测光的调频时长成正比，受激光器频率可调范围限制，一般为1km以下。在信号处理时，空间位置仅通过载波频率确定，当传感距离大于OFDR最大传感距离时，不同空间位置的信号之间将出现混叠。

综上所述，在现有技术方案中，OFDR技术具有更高的空间分辨率，但其传感距离较短，应用受到限制。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统及传感方法。可在相同光源条件下成倍提高OFDR传感系统的传感距离。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，由窄线宽变频激光器、50:50耦合器、电光调制器、射频放大器、射频信号源、环形器、光纤光栅、压电陶瓷、压电陶瓷控制电路、掺饵光纤放大器(EDFA)、传感光纤、标定部件、平衡探测器以及计算机构成。

窄线宽变频激光器产生连续变频光，经50:50耦合器后分为两路，一路为探测光，一路为参考光，探测光经过电光调制器变频调制后，其输出光谱在原光谱的基础上将附带一个由电光调制器调制频率控制的附加光频变化，形成二次调频，二次调频过程中的光频率的变化大小以及变化速率由计算机控制下的射频信号源输出决定，二次调频的单次调频周期与窄线宽激光器的单次变频周期T一致，但每次调频速率有所改变，在N次二次调频过程中，调频速率依次为{B₁,B₂,B₃,…,B_N}，即N次二次调频组成一个完整检测周期，其中N由传感光纤总长度L和单次变频周期T决定，N＝2L/(υT)，其中υ为光纤中的光速，二次调频后的探测光经过光纤光栅滤波以及EDFA放大后，输入传感光纤，传感光纤中将产生背向瑞利散射光，标定部件在传感光纤尾端，将产生两个具有固定时延的反射峰；

光纤中的背向瑞利散射光与参考光发生干涉，形成具有多个频率载波的探测结果，被平衡探测器探测，并经由计算机中的采集卡采集，转换为数字信号；

由于引入二次调频过程，探测结果中载波的频率不是固定的，而是调频载波，且调频速率与二次调频过程中光频变化速率一致，此时，空间位置将由载波频率和载波频率变化速率共同决定，从而可将重叠在一起的空间信号进行分离。

相应地，本发明实施例还提供了一种用于上述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，包括以下步骤：

根据窄线宽激光器单次变频周期长度T，将所获得的数字信号划分为若干时长为T的数字信号片段；

对某个数字信号片段进行时频分析，得到时间-频率分布强度图；

以二次调频速率为斜率，从时间-频率分布强度图以斜线频率边际谱法获得多个频率边际谱；

将频率边际谱转化为空间谱，实现空间信号分离；

根据标定部件的反射峰特性，标定各个空间谱对应的实际空间位置，并进行重新排列，形成完整的空间检测结果；

对各个数字片段重复上述过程，获得多变频OFDR反射光强的时间-空间分布检测结果。

所述的斜线频率边际谱法为：

其中h和k满足足hf_s/2n＝TB_ik/m+f，其中i为二次调频的序号，j为数字信号段序号，S_jkh为时间-频率分布强度图中元素，k和h分别为该元素的行序号和列序号，n和m分别为时间-频率分布强度图的总行数和总列数，f_s为采集卡采样率，B_i为二次调频的调频速率，T为单次调频周期。

所述频率域与空间域对应关系为：

依据公式z＝υf/2A，其中υ为光纤中光速，A为窄线宽变频激光器的变频速率，将频率域转化为空间域；

所述空间谱重排方法为：

F_j(z)＝[F_(p-1)j,F_(p-2)j,...,F_1j,F_Nj,…,F_(p+1)j,F_pj]，其中[·]代表将各个序列依次首尾相接，F_pj为具有标定部件反射峰特性的空间谱，N为二次调频的总次数。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明拥有和OFDR相同的检测能力，但其传感距离为使用相同光源的OFDR的N倍。在OFDR中，传感距离过长时，尾端信号的载波频率将和首端信号的载波频率重叠，导致无法区分。本发明通过二次调频过程，克服了上述空间信号在频率域的重叠问题。通过二次调频，使得空间位置由载波频率以及载波频率变化速率共同决定，再通过时频分析和斜线边际谱法，在各个斜率条件下分别获得边际频率谱，实现各个重叠频率信号的分离，从而实现传感距离的提升。另一方面，本发明所需的最大采样频率为理论上同等传感距离OFDR的1/N，降低了对光电探测器以及采集卡等硬件性能的要求。同时，本发明保留了分布式光纤传感系统分布式、不受电磁干扰等特征，安装方便，适合长距离的光网络故障诊断、结构健康监测等应用。

附图说明

图1是本发明基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统示意图。

其中，1、窄线宽变频激光器；2、50:50耦合器；3、电光调制器；4、射频放大器；5、射频信号源；6、环形器；7、光纤光栅；8、压电陶瓷；9、压电陶瓷控制电路；10、掺饵光纤放大器(EDFA)；11、环形器；12、光纤光栅；13、环形器；14、传感光纤；15、标定部件；16、50:50耦合器；17、平衡探测器；18、计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例的一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，如图1所示，包括窄线宽变频激光器1、50:50耦合器2、电光调制器3、射频放大器4、射频信号源5、环形器6、光纤光栅7、压电陶瓷8、压电陶瓷控制电路9、掺饵光纤放大器10、环形器11、光纤光栅12、环形器13、传感光纤14、标定部件15、50:50耦合器16、平衡探测器17和计算机18构成。

由窄线宽变频激光器1产生连续变频光，其频率变化率为A，单次频率连续变化时间为T，上述两参数均受计算机18控制。连续变频光在50:50耦合器2处分为探测光和参考光。探测光经由电光调制器3进行频率调制，其中电光调制器3的驱动频率由计算机18经由控制射频信号源5和射频放大器4控制，驱动频率线性增加，其中驱动频率的单次连续变化时间为T，频率变化率分别为{B₁,B_2,B₃,…,B_N}，即在时间段[0，T]内，驱动频率的频率变化率为B₁，在时间段[T，2T]内，驱动频率的频率变化率为B₂，在时间段[(i-1)T，iT]内，驱动频率的频率变化率为B_i，经过电光调制器3后，连续变频光的光频将附带电光调制器的驱动频率，称为二次调频。通过计算机18控制电光调制器3与窄线宽变频激光器1的调制起点时刻，使得两次调制的起点重合，则二次调频后，在单次频率连续变化时间[(i-1)T，iT]内，探测光的频率变化率为A+B_i，其中0≤i≤N。经过电光调制器3后，将形成多阶调制旁带，仅正1阶旁带符合上述特性。探测光经过环形器6到达光纤光栅7，光纤光栅7受压电陶瓷8的压迫，可调节反射带频率位置，通过计算机18控制压电陶瓷控制电路9，使得光纤光栅7的反射带处于正1阶旁带中心，通过光栅滤波作用，探测光中仅有正1阶旁带的探测光返回环形器6，之后探测光经掺饵光纤放大器10放大探测光功率，再经过环形器11和光纤光栅12滤除掺饵光纤放大器10的自发辐射，经过环形器13注入传感光纤14，在传感光纤14的末端，连接有两个光纤法兰和一段固定长度光纤(如1m)组成的标定部件15，其可产生两个间距固定的反射峰，用于后续信号处理中进行空间位置标定。探测光在传感光纤14内的各个位置产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器13，到达耦合器16。另一方面，参考光经耦合器2到达耦合器16，与背向瑞利散射光形成干涉，干涉结果被平衡探测器17转化为电信号，再被计算机18中的采集卡以采样率f_s转化为数字信号D。

在OFDR中，最大传感距离为υT/2，其中υ为光纤中的光速，而本系统中，传感光纤的最大长度为NυT/2，即最大传感距离提升N倍。

本发明实施例还公开了一种用于上述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，从数字信号D中提取出各个空间位置的反射光信息，对数字信号D进行如下处理:

在数字信号D中，以时长T为窗口大小，将数字信号D分解为一系列数字信号段{D₁,D₂,D₃,…,D_M}，将D₁、D₂至D_M首尾相接即可得到原始数字信号D。

对数字信号段D_j(1≤j≤M)进行时频分析，时频分析方法包括但不限于短时傅里叶变换法、短时傅里叶脊法、小波变换法、小波变换脊法、希尔伯特变换法等，得到时间-频率强度分布图S_j，S_j的时间轴为x轴，频率轴为y轴，各个元素的大小代表频率强度。即S_j可表示为，

在S_j中，空间位置相差υT/2的传感点的反射信号重叠在一起，但由于各个小周期T内电光调制器3调制频率的斜率不同(分别为B_i)，所生产的载波频率变化在时频分布图上的显示为不同斜率(分别为B_i)的斜线。为实现空间位置相差υT/2的各个传感点的信号分离，分别以斜率B_i求频率轴的边际谱F_ij(f)，即对处于同一斜线y＝B_ix+f上的元素求和，并将求和结果记为F_ij(f)，更一般地说，若元素S_jkh的坐标符合条件hf_s/2n＝TB_ik/m+f，则将元素值S_jkh计入F_ij(f)，表示为，

其中h和k满足足hf_s/2n＝TB_ik/m+f

考虑到频率调制的周期性，当f＜0，取f′＝f+f_s/2，并将F_ij(f)计入F_ij(f′)，此时频率值f∈[0，f_s/2]。

考虑到OFDR中频率域的有效频率范围为[0，AT]，对F_ij(f)中仅保留f∈[0，AT]的部分，此时各个序列F_ij(f)对应空间长度为υT/2，根据频率域与空间域的关系z＝υf/2A，将上述各个序列由频率域序列F_ij(f)转化为空间域序列F_ij(z)。

在普通OFDR中，上述空间域序列F_ij(z)互相重叠在一起，无法被分离。而在多变频OFDR中，利用二次调频以及斜线边际频率谱法，实现了上述空间域序列的分离。

为确定各个序列F_ij(z)所对应的具体空间位置，在j值固定的条件下，从所有F_ij(z)中检索临近双峰的特征，对应于标定部件15所产生的双反射峰，双峰间空间间隔为标定部件15中两个法兰之间光纤的长度。假设在第p个序列F_ij(z)中检索到上述双峰特征，则将所有j值下的空间序列重新排列为，

F_j(z)＝[F_(p-1)j,F_(p-2)j,…,F_1j,F_Nj,…,F_(p+1)j,F_pj]

其中，[·]代表将各个序列依次首尾相接。至此，F_j(z)即为数字信号段D_j(1≤j≤M)对应的多变频OFDR的检测结果，F_j(z)中各值代表各个空间位置的反射强度，空间长度为NυT/2，为普通OFDR空间长度υT/2的N倍

分别对各个数字信号段D_j(1≤j≤M)进行上述算法操作，即可得到多变频OFDR检测结果的时间-空间分布情况，可应用于缓变量监测、光纤器件状态监测等。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括窄线宽变频激光器、50:50耦合器、电光调制器、射频放大器、射频信号源、环形器、光纤光栅、压电陶瓷、压电陶瓷控制电路、掺饵光纤放大器、传感光纤、标定部件、平衡探测器以及计算机，所述窄线宽变频激光器产生连续变频光，经所述50:50耦合器后分为两路，一路为探测光，一路为参考光，所述探测光经过所述电光调制器变频调制后，其输出光谱在原光谱的基础上将附带一个由所述电光调制器调制频率控制的附加光频变化，形成二次调频，所述二次调频的单次调频周期与所述窄线宽变频激光器的单次变频周期T一致，所述二次调频后的探测光经过光纤光栅滤波以及所述掺饵光纤放大器放大后，输入传感光纤，传感光纤尾部加装标定部件，将产生两个具有固定时延的反射峰；

所述传感光纤中的背向瑞利散射光与所述参考光发生干涉，形成具有多个频率载波的探测结果，被所述平衡探测器探测，并经由所述计算机中的采集卡采集，所述计算机进行信号分离，获得整个传感范围内的散射光强分布。

2.一种用于权利要求1所述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据所述窄线宽变频激光器单次变频周期长度T，将所获得的数字信号划分为若干时长为T的数字信号片段；

对某个数字信号片段进行时频分析，得到时间-频率分布强度图；

以二次调频速率为斜率，从时间-频率分布强度图以斜线频率边际谱法获得多个频率边际谱；

将频率边际谱转化为空间谱；

根据标定部件的反射峰特性，标定各个空间谱对应的实际空间位置，并进行重新排列，形成完整的空间检测结果；

对各个数字片段重复上述过程，获得多变频OFDR反射光强的时间-空间分布检测结果。

3.根据权利要求2所述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，其特征在于，所述以二次调频速率为斜率，从时间-频率分布强度图以斜线频率边际谱法获得多个频率边际谱的具体方法为：

，其中h和k满足

，其中i为二次调频的序号，j为数字信号段序号，

为时间-频率分布强度图中元素，k和h分别为该元素的行序号和列序号，n和m分别为时间-频率分布强度图的总行数和总列数，

为采集卡采样率，

为二次调频的调频速率，T为单次调频周期。

4.根据权利要求2所述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，其特征在于，所述将频率边际谱转化为空间谱的具体方法为：

依据公式

，其中

为光纤中光速，A为所述窄线宽变频激光器的变频速率，将频率域转化为空间域。

5.根据权利要求2-4任一项所述的基于多变频OFDR的分布式光纤传感系统的传感方法，其特征在于，

所述将频率边际谱转化为空间谱根据标定部件的反射峰特性，标定各个空间谱对应的实际空间位置，并进行重新排列，形成完整的空间检测结果的具体方法为：

，其中

为重新排列后的空间谱，

代表将各个序列依次首尾相接，

为具有标定部件反射峰特性的空间谱，N为二次调频的总次数。

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