CN109238321B - 基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法 - Google Patents

基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施方式提供了一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法。该基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，包括产生装置和探测装置；产生装置包括激光源、声光调制器、任意函数发生器和第一掺铒光纤放大器；探测装置包括环形器、第二掺铒光纤放大器和平衡探测器；激光源输出的连续光通过声光调制器调制为脉冲光，每个周期经过声光调制器调制出N个脉冲，频率各不相同，N为大于或等于3的整数。本发明的上述技术采用至少三个频率的脉冲对待测光纤进行探测，获得从小到大的多个频差对组合，对不同速率变化的温度或应变信号，根据互相关函数的主峰与旁瓣的对比度优选合适的频差的脉冲对，以此对待测信号进行处理。

Description

基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法
技术领域
本发明的实施方式涉及传感技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法。
背景技术
相对于其它分布式传感技术，基于瑞利散射效应的相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)技术具有结构简单、灵敏度高的优点。该技术通过向光纤中注入窄线宽的激光脉冲，获得半脉冲宽度内的后向瑞利散射光的干涉叠加信号，此干涉叠加信号对外界温度或应变变化极其敏感。回波信号的强度变化表明，温度或应变的响应灵敏度分别能够达到mK和nε量级。
Φ-OTDR技术的难点是对温度或应变的定量测量。时域相关法是可以实现定量测量的一类技术。现有的时域相关法通过向待测光纤中注入一定频差的脉冲对，获得两条时域信号，通过对这两条信号进行时域相关计算，得到两时域信号的时延，根据温度或应变变化量与频差的关系确定温度或应变的变化量，从而实现对温度或应变的定量测量。系统的测量范围和测量灵敏度由双脉冲的频差决定。单一频差的Φ-OTDR技术不能够适用于以不同速率变化的温度或应变的测量，高测量灵敏度和大测量范围不可兼得。
发明内容
在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法，以解决现有双频时域相关式Φ-OTDR存在的适用范围小、高测量灵敏度和大测量范围不可兼得的问题。
在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，包括产生装置和探测装置；所述产生装置包括激光源、声光调制器、任意函数发生器和第一掺铒光纤放大器；所述探测装置包括环形器、第二掺铒光纤放大器和平衡探测器；所述激光源输出的连续光通过所述声光调制器调制为脉冲光，使得每个周期经过所述声光调制器调制出N个脉冲，该N个脉冲的频率各不相同，N为大于或等于3的整数，其中，所述任意函数发生器用于产生预设的方波信号输出至所述声光调制器；所述声光调制器输出的脉冲光经由所述第一掺铒光纤放大器放大后、再经所述环形器注入待测光纤中；所述待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经所述环形器输出至所述第二掺铒光纤放大器，被所述第二掺铒光纤放大器放大后由所述平衡探测器探测；其中，经过所述声光调制器调制出的相邻脉冲之间的时间间隔大于光在所述待测光纤中的传播时间。
进一步地，还包括滤波器，所述滤波器设于所述第二掺铒光纤放大器与所述平衡探测器之间，用于滤除所述第二掺铒光纤放大器的自发辐射噪声。
进一步地，所述滤波器采用光纤布拉格光栅(FBG)实现。
进一步地，N等于5。
在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计的测量方法，该测量方法基于如上所述的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计实现；所述测量方法包括：将每个周期经过所述声光调制器调制出的N个脉冲作为一个脉冲组；通过所述产生装置产生多个脉冲组，依次经所述探测装置打入待测光纤，由所述探测装置中的平衡探测器接收所述多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号，其中，所述多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号包括所述多组脉冲中的每个脉冲在所述待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号；针对所述N个脉冲的至少三种频率中的每一种频率，根据接收到的与所述多个脉冲组中具有该种频率的脉冲对应的后向瑞利散射回波信号，获得该种频率对应的时域-空域特征图；其中，所述时域-空域特征图以待测光纤上的位置为第一维坐标、以所述平衡探测器的信号接收时间为第二维坐标、以所述平衡探测器接收的信号强度或信号幅值为第三维坐标；针对获得的N个时域-空域特征图中的每两个，计算该两个时域-空域特征图之间的互相关函数，计算该互相关函数的主峰值与旁瓣峰值之比；在获得的所有互相关函数中，选择主峰值与旁瓣峰值之比最大的互相关函数所对应的两种频率作为测量频率，并将该两种频率对应的两个时域-空域特征图作为第一时域-空域特征图和第二时域-空域特征图；在所述第一时域-空域特征图中选取预定尺寸的参考数据区域，在所述第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域，计算所述参考数据区域与所述匹配数据区域在第二维坐标上的位移量，以根据该位移量确定所述第一时域-空域特征图与所述第二时域-空域特征图之间的时间延迟；根据所述第一频率和第二频率之间的频差以及所述时间延迟，计算所述待测光纤的温度变化速度或应变变化速度；根据所述温度变化速度或应变变化速度与对应测量时间的乘积，确定所述待测光纤在所述对应测量时间内的温度变化量或应变变化量。
进一步地，所述参考数据区域包括所述第一时域-空域特征图中预设的第一位置点的预定大小邻域的数据点；在所述第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域的步骤包括：在所述第二时域-空域特征图中，将与所述第一位置点的第一维坐标相同的第二位置点的预定大小邻域的数据点所形成的数据区域作为待匹配数据区域；将待匹配数据区域沿所述第二时域-空域特征图的第二维坐标轴移动，获得移动过程中每次移动所得的待匹配数据区域与所述参考数据区域之间的差异矩阵，并计算每次所得的差异矩阵的所有元素的平方和；确定移动过程中的差异矩阵的所有元素的平方和最小时所对应的差异矩阵，作为所述匹配数据区域。
进一步地，所述待测光纤的应变变化速度通过如下方式获得计算所述待测光纤的温度变化或应变变化的步骤包括：根据如下公式计算所述待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量：
Figure BDA0001850879380000041
其中，Δv表示所述第一频率和第二频率之间的频差，v表示光波基频，pε表示弹光系数，Δε表示所述待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量，Kε表示应变系数；根据所述待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量与所计算的时间延迟之比，获得所述待测光纤的应变变化速度。
进一步地，所述待测光纤的温度变化速度通过如下方式获得：根据如下公式计算所述待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量：
Figure BDA0001850879380000042
其中，Δv表示所述第一频率和第二频率之间的频差，v表示光波基频，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，ΔT表示所述待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量，KT表示温度系数；根据所述待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量与所计算的时间延迟之比，获得所述待测光纤的温度变化速度。
根据本发明实施方式的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法，采用多个频率的脉冲对待测光纤进行探测，以此获得从小到大的多个频差对组合。对于不同速率变化的温度或应变信号，根据互相关函数的主峰与旁瓣的对比度优选合适的频差的脉冲对，以此对待测信号进行处理。
此方法与频域相关型Φ-OTDR技术不同之处在于：首先，该方法为时域相关法；第二，该方法的所需的频率成份远少于频域相关型方法；第三，该方法各频率成份的频率间隔无需等距。
相对于传统的双频时域相关型Φ-OTDR技术，本专利具有以下优点：本专利具备对以不同速率变化的温度或应变信号的自适应测量能力。；本专利同时具备高精度测量和大范围测量的能力。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是示出根据本发明实施方式的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计的光路结构示意图；
图2是示出根据本发明实施方式的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计的测量方法的一个示例性处理的流程图；
图3是示出互相关函数的一个示例的示意图；
图4是示出图2中的步骤S230的一个可能处理的流程图；
图5是示出第一和第二时域-空域特征图时域-空域匹配法示意图。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出了一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计与测量方法。
在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
示例性装置
本发明的实施例提供了一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计(OTDR，Optical Time Domain Reflectometer)，包括产生装置和探测装置；所述产生装置包括激光源、声光调制器、任意函数发生器和第一掺铒光纤放大器；所述探测装置包括环形器、第二掺铒光纤放大器和平衡探测器；所述激光源输出的连续光通过所述声光调制器调制为脉冲光，使得每个周期经过所述声光调制器调制出N个脉冲，该N个脉冲的频率各不相同，N为大于或等于3的整数，其中，所述任意函数发生器用于产生预设的方波信号输出至所述声光调制器；所述声光调制器输出的脉冲光经由所述第一掺铒光纤放大器放大后、再经所述环形器注入待测光纤中；所述待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经所述环形器输出至所述第二掺铒光纤放大器，被所述第二掺铒光纤放大器放大后由所述平衡探测器探测；其中，经过所述声光调制器调制出的相邻脉冲之间的时间间隔大于光在所述待测光纤中的传播时间。
图1示出了本发明的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，包括产生装置和探测装置。
如图1所示，产生装置包括激光源1-1(图1所示的LASER)、声光调制器(AOM)1-2、任意函数发生器(AFG)1-3和第一掺铒光纤放大器(图1所示的EDFA1)1-4，探测装置包括环形器(图1所示的EDFA2)1-5、第二掺铒光纤放大器1-6和平衡探测器(PD)1-7。
激光源1-1输出的连续光通过声光调制器1-2调制为脉冲光，使得每个周期经过声光调制器1-2调制出N个脉冲，该N个脉冲的频率各不相同，N为大于或等于3的整数。例如，N可以等于3、4、5、8或10等。其中，任意函数发生器1-3用于产生预设的方波信号输出至声光调制器1-4。预设的方波信号例如可以根据经验设置，或者也可以通过试验的方法设置，这里不再赘述。
其中，激光器1-1的输出光波长例如为1550.09nm。通过声光调制器1-2调制的每个脉冲宽度例如为20ns，峰值功率例如为1W。
作为示例，该N个脉冲的频率两两不同，并且两两之差也各不相同。
根据排列组合，该N种频率中任选两个频率作差，总共可以有
Figure BDA0001850879380000081
种选择，也就是可以得到
Figure BDA0001850879380000082
个频差，作为示例，该
Figure BDA0001850879380000083
个频差可以互不相同。这样，通过N个不同频率的脉冲便可以获得
Figure BDA0001850879380000084
个不同的频差，即表示为Δf1、Δf2、Δf3、……、
Figure BDA0001850879380000085
如图1所示，N例如等于5，也就是说，每个周期经过声光调制器1-2调制出5个频率互不相同的脉冲，例如频率分别为f0、f1、f2、f3和f4。这样，5个频率互不相同的脉冲，可以最多获得
Figure BDA0001850879380000086
个(即10个)互不相同的频差。
应当理解的是，根据选择频率的不同，也有可能使得不同频率组合对应的频差是相同的，这种情况下则会使得最终获得的频差种类要少于
Figure BDA0001850879380000087
比如，可能存在f1-f0与f2-f1是相等的。在优选情况下，可以使得每两个频率之间的差是互不相等的，这样，利用数量一定的频率种类能够获得最多种频差，将有利于针对不同温度变化速度或应变变化速度的光线进行测量。
声光调制器1-2是将激光器1-1输出的连续光调制成脉冲光。声光调制器1-2输出的脉冲光经由第一掺铒光纤放大器1-4放大后、再经环形器1-5注入待测光纤中。
待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经环形器1-5输出至第二掺铒光纤放大器1-6，被第二掺铒光纤放大器1-6放大后由平衡探测器1-7探测。
其中，经过声光调制器1-2调制出的相邻脉冲之间的时间间隔大于光在待测光纤中的传播时间。
如图1所示，从第一掺铒光纤放大器1-4输出的脉冲光经环形器1-5的第一端口1进入环形器1-5，再从环形器1-5的第二端口2输出至待测光纤中。从待测光纤返回的后向瑞利散射回波信号经环形器1-5的第二端口2进入环形器1-5，再从环形器1-5的第三端口3输出至第二掺铒光纤放大器1-6。
作为示例，基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计还可以包括滤波器，滤波器例如设于第二掺铒光纤放大器1-6与平衡探测器1-7之间，用于滤除第二掺铒光纤放大器1-6的自发辐射噪声。
其中，滤波器例如采用光纤布拉格光栅FBG实现。
示例性方法
本发明的实施例还提供了一种基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计的测量方法，该测量方法基于如上的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计实现；测量方法包括：将每个周期经过声光调制器调制出的N个脉冲作为一个脉冲组；通过产生装置产生多个脉冲组，依次经探测装置打入待测光纤，由探测装置中的平衡探测器接收多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号，其中，多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号包括多组脉冲中的每个脉冲在待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号；针对N个脉冲的至少三种频率中的每一种频率，根据接收到的与多个脉冲组中具有该种频率的脉冲对应的后向瑞利散射回波信号，获得该种频率对应的时域-空域特征图；其中，时域-空域特征图以待测光纤上的位置为第一维坐标、以平衡探测器的信号接收时间为第二维坐标、以平衡探测器接收的信号强度或信号幅值为第三维坐标；针对获得的N个时域-空域特征图中的每两个，计算该两个时域-空域特征图之间的互相关函数，计算该互相关函数的主峰值与旁瓣峰值之比；在获得的所有互相关函数中，选择主峰值与旁瓣峰值之比最大的互相关函数所对应的两种频率作为测量频率，并将该两种频率对应的两个时域-空域特征图作为第一时域-空域特征图和第二时域-空域特征图；在第一时域-空域特征图中选取预定尺寸的参考数据区域，在第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域，计算参考数据区域与匹配数据区域在第二维坐标上的位移量，以根据该位移量确定第一时域-空域特征图与第二时域-空域特征图之间的时间延迟；根据第一频率和第二频率之间的频差以及时间延迟，计算待测光纤的温度变化速度或应变变化速度；根据温度变化速度或应变变化速度与对应测量时间的乘积，确定待测光纤在对应测量时间内的温度变化量或应变变化量。
图2示意性地示出了根据本公开实施例的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计的测量方法的一种示例性的处理流程200。
在处理中，将每个周期经过声光调制器1-2调制出的N个脉冲作为一个脉冲组。
例如，每个周期的一个脉冲组中的N个脉冲的频率例如分别为f0、f1、f2、f3、……、fN-1，其中以上频率f0-fN-1各不相同，可以得到的频差包括
Figure BDA0001850879380000101
种，即Δf1、Δf2、Δf3、……、
Figure BDA0001850879380000102
其中，以上频差
Figure BDA0001850879380000103
各不相同。
在步骤S210中，通过产生装置产生多个脉冲组，依次经探测装置打入待测光纤，由探测装置中的平衡探测器1-7接收多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号，其中，多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号包括多组脉冲中的每个脉冲在待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号。然后，执行步骤S220。
在步骤S220中，针对N个脉冲的至少三种频率中的每一种频率，根据接收到的与多个脉冲组中具有该种频率的脉冲对应的后向瑞利散射回波信号，获得该种频率对应的时域-空域特征图。
其中，时域-空域特征图以待测光纤上的位置为第一维坐标、以平衡探测器1-7的信号接收时间为第二维坐标、以平衡探测器1-7接收的信号强度或信号幅值为第三维坐标。例如，第一、第二和第三维坐标可以分别用XYZ坐标系中的X坐标、Y坐标和Z坐标表示。
其中，接收的后向瑞利散射回波信号所对应的待测光纤上的位置可以根据如下方式确定：对于多个脉冲组中的每个脉冲来说，该脉冲的发送时间已知并记为t0，光电探测器1-11接收到的该脉冲的后向瑞利散射回波信号对应的持续时间例如是从t1到t2(也即，从t1时刻开始接收到该脉冲的后向瑞利散射回波信号，t2时刻接收结束)，则将t1时刻接收到的那个信号强度(或信号幅值)作为待测光纤位置的起点位置，将t2时刻接收到的那个信号强度(或信号幅值)作为待测光纤位置的终点位置(如光纤长度L)。若将待测光纤位置的起点位置作为0点，则待测光纤位置的
Figure BDA0001850879380000111
Figure BDA0001850879380000112
，其中，c表示光在光纤中的传输速度。
然后，在步骤S230中，针对获得的N个时域-空域特征图中的每两个，计算该两个时域-空域特征图之间的互相关函数，计算该互相关函数的主峰值与旁瓣峰值之比。这样，通过步骤S230，便得到了
Figure BDA0001850879380000113
个互相关函数的计算结果。
然后，在步骤S240中，在获得的所有互相关函数中，选择主峰值与旁瓣峰值之比最大的互相关函数所对应的两种频率作为测量频率，并将该两种频率对应的两个时域-空域特征图作为第一时域-空域特征图和第二时域-空域特征图。
如图3所示给出了一个互相关函数的示例性示意图，在图3中，互相关函数主瓣峰值用PA表示，旁瓣峰值用PB表示，则计算的该互相关函数的主峰值与旁瓣峰值之比为PA/PB。需要说明的是，在图3中，没有给出互相关函数的横纵坐标单位，在本发明中，仅需要所有互相关函数的横坐标、纵坐标单位一致即可，换句话说，仅需要所有时域-空域特征图的坐标系单位一致即可。例如，假设共得到3个互相关函数，计算的主峰值与旁瓣峰值之比分别为100、50和20，则取100对应的那两种频率作为测量频率。
接着，在步骤S250中，在第一时域-空域特征图中选取预定尺寸的参考数据区域，以及在第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域。
在步骤S260中，计算参考数据区域与匹配数据区域在第二维坐标上的位移量，以根据该位移量确定第一时域-空域特征图与第二时域-空域特征图之间的时间延迟。
作为示例，参考数据区域例如包括第一时域-空域特征图中预设的第一位置点的预定大小邻域的数据点。
在第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域的步骤例如包括如图4所示的步骤S410-S430。
结合图5来描述上述步骤S410-S430的处理。
图5给出了在第一时域-空域特征图与第二时域-空域特征图之间采用的时域-空域匹配法的示意图。图5中的左图示出了光频为ν1的探测光脉冲在温度持续变化时接收信号强度图(作为第一时域-空域特征图的示例)，右图示出了光频为ν1+Δν的探测光脉冲在温度持续变化时接收信号强度图(作为第二时域-空域特征图的示例)。其中，ν1是上述每个周期的一个脉冲组中的N个脉冲的频率f0、f1、f2、f3、……、fN-1中的其中一个，而ν1+Δν是这N个频率中的另外一个，二者之间的频差为Δν。
需要说明的是，在图5中，将第一时域-空域特征图和第二时域-空域特征图采用二维图的形式表示，也就是说，在图5中，横坐标表示待测光纤上的位置，纵坐标表示光电探测器1-11接收到后向瑞利散射回波信号对应的接收时间，而光电探测器1-11接收的信号强度或信号幅值则采用图像亮度或灰度表示(即不同的信号强度或信号幅值在图5中体现为不同亮度或不同灰度的点)。
例如，假设预设的第一位置点的坐标为(xP，yP，zP)，也即，预设的第一位置点的第一维、第二维坐标为(xP，yP)，假设预定大小邻域为以该点(xP，yP)为中心的ZW×tW大小的矩形(其中，ZW为第一维坐标上的尺寸，tW为第二维坐标上的尺寸)。换句话说，该预设的第一位置点(xP，yP)的预定大小邻域内的数据点所组成的数据区域是第一维坐标
Figure BDA0001850879380000131
范围内、第二维坐标
Figure BDA0001850879380000132
范围内的数据所组成的区域。如图5所示，第一时域-空域特征图(左图)中的M表示参考数据区域。
在步骤S410中，在第二时域-空域特征图(右图)中，将与第一位置点的第一维坐标相同的第二位置点的预定大小邻域的数据点所形成的数据区域作为待匹配数据区域。
其中在第二频域-空域特征图中所选择的第二位置点的初始位置可以是与上述第一频域-空域特征图中的第一位置点的第一维坐标相同的任一点(xp，y'p)，也就是说，第二位置点的初始位置的第一维坐标等于第一位置点的第一维坐标xp，而第二位置点的初始位置的第二维坐标y'p可以与第一位置点的第二维坐标yP不同，也可以相同。这样，待匹配数据区域即第二时域-空域特征图中第一维坐标
Figure BDA0001850879380000141
范围内、第二维坐标
Figure BDA0001850879380000142
范围内的数据所组成的区域S。
在步骤S420中，将待匹配数据区域沿第二时域-空域特征图的第二维坐标轴移动(即图5中的时间轴)，获得移动过程中每次移动所得的待匹配数据区域与参考数据区域之间的差异矩阵，并计算每次所得的差异矩阵的所有元素的平方和。也就是说，在第二频域-空域特征图中选定第二位置点的初始位置之后，通过令第二位置点的第一维坐标不变、改变第二维坐标的方式来移动第二位置点，由此获得每次移动后的待匹配数据区域，进而得到对应的差异矩阵。
其中，将待匹配数据区域S沿第二时域-空域特征图的第二维坐标轴(即图5中的时间轴)移动的方式可以有多种实现方式。
例如，将待匹配数据区域S沿上述时间轴的一侧(例如图5中的上侧)移动，每次移动的步长为预设值(可以根据经验值设定，或者通过试验的方法确定等)，当移动到图像边界时，再回到初始位置将待匹配数据区域S沿上述时间轴的另一侧(如图5中的下侧)移动，每次移动的步长仍为预设值，直到移动到边界。每次移动一个步长，获得上文所述的差异矩阵，并计算差异矩阵的所有元素的平方和。
又或者，可以将待匹配数据区域S从一侧边界按照预设步长依次移动(沿时间轴)，直到移动到另一侧边界为止，并且每次移动一个步长时，获得上文所述的差异矩阵，并计算差异矩阵的所有元素的平方和。
在步骤S430中，确定移动过程中的差异矩阵的所有元素的平方和最小时所对应的差异矩阵，作为匹配数据区域。
比如，假设整个移动过程总共移动了100次，得到了100个差异矩阵，选择这100个差异矩阵中所有元素的平方和最小的那个差异矩阵，将该差异矩阵对应的待匹配数据区域S作为匹配数据区域。
其中，参考数据区域与匹配数据区域在第二维坐标上的位移量例如可以根据各自中心点之间的距离来计算(也可以根据其他方法)，比如，参考数据区域的中心点位置是(xP，yP)，匹配数据区域的中心点位置是(xP，y'P)，则参考数据区域与匹配数据区域在第二维坐标上的位移量是y'P-yP。也即，时间延迟等于y'P-yP。
这样，在步骤S270中，根据第一频率和第二频率之间的频差以及时间延迟，计算待测光纤的温度变化速度或应变变化速度。
作为示例，待测光纤的应变变化速度通过如下方式获得计算待测光纤的温度变化或应变变化的步骤包括：
根据如下公式计算待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量：
Figure BDA0001850879380000151
其中，Δv表示第一频率和第二频率之间的频差，v表示光波基频，pε表示弹光系数，v和pε为已知常数，Δε表示待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量，Kε表示应变系数，Kε＝-1+pε。
这样，得到了时间延迟τ以及与该时间延迟τ对应的那个应变改变量Δε，则可以根据所计算的时间延迟τ所对应的待测光纤的应变改变量Δε与所计算的时间延迟τ之比值(作为第一比值)，获得待测光纤的应变变化速度(即等于上述第一比值Δε/τ)。
作为示例，待测光纤的温度变化速度通过如下方式获得：
根据如下公式计算待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量：
Figure BDA0001850879380000161
其中，Δv表示第一频率和第二频率之间的频差，v表示光波基频，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，ξ和α为已知常数，ΔT表示待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量，KT表示温度系数，KT＝-(ξ+α)。
这样，得到了时间延迟τ以及与该时间延迟τ对应的那个温度改变量ΔT，则可以根据所计算的时间延迟τ所对应的待测光纤的温度改变量ΔT与所计算的时间延迟τ之比值(作为第二比值)，获得待测光纤的温度变化速度(即等于上述第二比值ΔT/τ)。
然后，在步骤S280中，根据温度变化速度或应变变化速度与对应测量时间的乘积，确定待测光纤在对应测量时间内的温度变化量(即等于测量时间乘以温度变化速度ΔT/τ)或应变变化量(即等于测量时间乘以应变变化速度Δε/τ)。
测量时间例如是从测量开始时间到测量结束时间的这一段时间，其中，测量开始时间例如是多组脉冲对中的第一个发出的脉冲的发送时间，测量结束时间例如是多组脉冲对中的最后一个发出的脉冲的发送时间。
通过以上描述可知，本发明中激光光源的输出激光光频为预定的，激光源输出的连续光被任意函数发生器通过声光调制器调制为脉冲光，每个周期调制出N个脉冲，频率互不相同，但不同周期之间调制出的脉冲数量、频率是相同的。然后使用掺铒光纤放大器对探测脉冲光进行功率放大，通过环形器注入待测光纤中，使用待测光纤可以实现对外界环境中的温度和动态应变传感。后向瑞利散射信号经由环形器回收，使用光纤布拉格光栅进行滤波，滤除EDFA的自发辐射噪声，然后使用平衡探测器将光信号转换为电信号。
每一个脉冲的回波信号代表光纤中不同位置的瑞利散射信息，通过进行多次探测，即可获得光纤中每一位置瑞利散射信号随外界温度或者应变的改变。图5中左右两幅图分别为两个频率不同的探测脉冲接收的信号。数据处理即要通过匹配计算，计算二图的时间延迟。
在本发明的实施例的测量方法中，数据的解调采用时域-空域匹配技术，即使用图像匹配方法获得时间延迟量，以此来获得准确的时间延迟量，同时保持高的时间分辨能力。解调某一位置的温度或应变变化值时，选取图5左图该位置处左右空间邻域的数据点作为模板矩阵M(即参考数据区域)，在图5右图中相同位置处的矩形区域S沿时间轴移动，移动过程中将与对应矩阵S的元素相减得到差异矩阵，计算差异矩阵所有元素的平方和，记录平方和最小时所对应的矩阵S的移动量，以此移动量确定左右两图的时间延迟量，根据时间延迟量以及每组脉冲对两个脉冲之间的频差来获得温度或应变的变化速度，进而得到测量时间内的温度或应变变化。
数据处理时，分别计算不同频差组合的脉冲对所对应的回波信号的互相关函数，利用互相关函数的主峰与旁瓣的对比度优选合适的频差的脉冲对，以此计算待测量。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (8)

1.基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，其特征在于包括产生装置和探测装置；
所述产生装置包括激光源(1-1)、声光调制器(1-2)、任意函数发生器(1-3)和第一掺铒光纤放大器(1-4)；
所述探测装置包括环形器(1-5)、第二掺铒光纤放大器(1-6)和平衡探测器(1-7)；
所述激光源(1-1)输出的连续光通过所述声光调制器(1-2)调制为脉冲光，使得每个周期经过所述声光调制器(1-2)调制出N个脉冲，该N个脉冲的频率各不相同，N为大于或等于3的整数，其中，所述任意函数发生器(1-3)用于产生预设的方波信号输出至所述声光调制器(1-4)；
所述声光调制器(1-2)输出的脉冲光经由所述第一掺铒光纤放大器(1-4)放大后、再经所述环形器(1-5)注入待测光纤中；
所述待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经所述环形器(1-5)输出至所述第二掺铒光纤放大器(1-6)，被所述第二掺铒光纤放大器(1-6)放大后由所述平衡探测器(1-7)探测；
其中，经过所述声光调制器(1-2)调制出的相邻脉冲之间的时间间隔大于光在所述待测光纤中的传播时间；
其中，所述基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计用于：
将每个周期经过所述声光调制器(1-2)调制出的N个脉冲作为一个脉冲组；通过所述产生装置产生多个脉冲组，依次经所述探测装置打入待测光纤，由所述探测装置中的平衡探测器(1-7)接收所述多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号，其中，所述多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号包括所述多个脉冲组中的每个脉冲在所述待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号；针对所述N个脉冲的至少三种频率中的每一种频率，根据接收到的与所述多个脉冲组中具有该种频率的脉冲对应的后向瑞利散射回波信号，获得该种频率对应的时域-空域特征图；其中，所述时域-空域特征图以待测光纤上的位置为第一维坐标、以所述平衡探测器(1-7)的信号接收时间为第二维坐标、以所述平衡探测器(1-7)接收的信号强度或信号幅值为第三维坐标；针对获得的N个时域-空域特征图中的每两个，计算该两个时域-空域特征图之间的互相关函数，计算该互相关函数的主峰值与旁瓣峰值之比；在获得的所有互相关函数中，选择主峰值与旁瓣峰值之比最大的互相关函数所对应的两种频率作为测量频率，并将该两种频率对应的两个时域-空域特征图作为第一时域-空域特征图和第二时域-空域特征图；在所述第一时域-空域特征图中选取预定尺寸的参考数据区域，在所述第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域，计算所述参考数据区域与所述匹配数据区域在第二维坐标上的位移量，以根据该位移量确定所述第一时域-空域特征图与所述第二时域-空域特征图之间的时间延迟；根据所述第一频率和第二频率之间的频差以及所述时间延迟，计算所述待测光纤的温度变化速度或应变变化速度；根据所述温度变化速度或应变变化速度与对应测量时间的乘积，确定所述待测光纤在所述对应测量时间内的温度变化量或应变变化量。
2.根据权利要求1所述的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，其特征在于还包括滤波器，所述滤波器设于所述第二掺铒光纤放大器(1-6)与所述平衡探测器(1-7)之间，用于滤除所述第二掺铒光纤放大器(1-6)的自发辐射噪声。
3.根据权利要求2所述的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，其特征在于，所述滤波器采用光纤布拉格光栅(FBG)实现。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计，其特征在于，N等于5。
5.基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计的测量方法，其特征在于，该测量方法基于权利要求1-4中任一项所述的基于多频时域相关的相位敏感型光时域反射计实现；所述测量方法包括：
将每个周期经过所述声光调制器(1-2)调制出的N个脉冲作为一个脉冲组；
通过所述产生装置产生多个脉冲组，依次经所述探测装置打入待测光纤，由所述探测装置中的平衡探测器(1-7)接收所述多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号，其中，所述多个脉冲组对应的后向瑞利散射回波信号包括所述多个脉冲组中的每个脉冲在所述待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号；
针对所述N个脉冲的至少三种频率中的每一种频率，根据接收到的与所述多个脉冲组中具有该种频率的脉冲对应的后向瑞利散射回波信号，获得该种频率对应的时域-空域特征图；
其中，所述时域-空域特征图以待测光纤上的位置为第一维坐标、以所述平衡探测器(1-7)的信号接收时间为第二维坐标、以所述平衡探测器(1-7)接收的信号强度或信号幅值为第三维坐标；
针对获得的N个时域-空域特征图中的每两个，
计算该两个时域-空域特征图之间的互相关函数，
计算该互相关函数的主峰值与旁瓣峰值之比；
在获得的所有互相关函数中，选择主峰值与旁瓣峰值之比最大的互相关函数所对应的两种频率作为测量频率，并将该两种频率对应的两个时域-空域特征图作为第一时域-空域特征图和第二时域-空域特征图；
在所述第一时域-空域特征图中选取预定尺寸的参考数据区域，
在所述第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域，
计算所述参考数据区域与所述匹配数据区域在第二维坐标上的位移量，以根据该位移量确定所述第一时域-空域特征图与所述第二时域-空域特征图之间的时间延迟；
根据所述第一频率和第二频率之间的频差以及所述时间延迟，计算所述待测光纤的温度变化速度或应变变化速度；
根据所述温度变化速度或应变变化速度与对应测量时间的乘积，确定所述待测光纤在所述对应测量时间内的温度变化量或应变变化量。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述参考数据区域包括所述第一时域-空域特征图中预设的第一位置点的预定大小邻域的数据点；
在所述第二时域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域的步骤包括：
在所述第二时域-空域特征图中，将与所述预设的第一位置点的第一维坐标相同的第二位置点的预定大小邻域的数据点所形成的数据区域作为待匹配数据区域；
将待匹配数据区域沿所述第二时域-空域特征图的第二维坐标轴移动，获得移动过程中每次移动所得的待匹配数据区域与所述参考数据区域之间的差异矩阵，并计算每次所得的差异矩阵的所有元素的平方和；
确定移动过程中的差异矩阵的所有元素的平方和最小时所对应的差异矩阵，作为所述匹配数据区域。
7.根据权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于，所述待测光纤的应变变化速度通过如下方式获得：
根据如下公式计算所述待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量：
Figure FDA0002795273870000051
其中，Δv表示所述第一频率和第二频率之间的频差，v表示光波基频，pε表示弹光系数，Δε表示所述待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量，Kε表示应变系数；
根据所述待测光纤在所计算的时间延迟内的应变改变量与所计算的时间延迟之比，获得所述待测光纤的应变变化速度。
8.根据权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于，所述待测光纤的温度变化速度通过如下方式获得：
根据如下公式计算所述待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量：
Figure FDA0002795273870000052
其中，Δv表示所述第一频率和第二频率之间的频差，v表示光波基频，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，ΔT表示所述待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量，KT表示温度系数；
根据所述待测光纤在所计算的时间延迟内的温度改变量与所计算的时间延迟之比，获得所述待测光纤的温度变化速度。
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