CN110132331A - 一种基于子啁啾脉冲提取的cotdr测量方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，涉及光纤传感测量技术领域，其方法步骤包括：将啁啾脉冲信号注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号的相干瑞利散射信号；基于相干瑞利散射信号，采用子啁啾脉冲提取算法获取子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应；基于子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应分别获取光纤未受到扰动时和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样；基于光纤未受到扰动时和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样，通过合适的延迟估计算法获取光纤扰动信息。本发明还同时公开了一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统。本发明通过子啁啾脉冲提取过程代替扫频过程获取瑞利散射信号，能够提高光纤传感系统的测量速度和测量动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感测量技术领域，尤其涉及一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统。
背景技术
基于瑞利散射的光时域反射计是分布式传感领域中一个十分重要的分支，其具有测量精度高、测量点数多、测量距离长等优点。
按照对于传感信号解调方式，可将基于瑞利散射的光时域反射计分为两大类：相位解调型和频率解调型。相位解调型的主要应用是相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)；频率解调型的主要应用是相干光时域反射计(COTDR)。其中，针对现有的相干光时域反射计COTDR，每次测量都需要通过扫频来得到完整的瑞利散射图样，这极大地降低了测量速度，使COTDR仅能用于进行静态或准静态测量。
目前已有几种提升COTDR测量速度的方法。例如，2016年，西班牙阿尔卡拉大学研究人员提出一种基于啁啾脉冲和直接探测的单次测量方案，该方案提出，在外界扰动(主要是温度和应变)引起的散射信号频移较小的情况下，可以通过啁啾脉冲的时延来对频移进行补偿，从而实现只注入一个啁啾脉冲就得到瑞利散射图样。但这种方法可测量的频移范围比较小，仅有啁啾脉冲扫频范围的2-3％，无法测量速度快、范围大的外界扰动；并且该方法在应变分辨率、采样率、扫频范围和脉宽等参数上具有相互制约的关系，因此缺乏灵活性，只有在采样率非常高的情况下才有比较好的测量结果。又例如，2018年，德国联邦材料研究与测试研究所通过使用快速扫频的直调激光器在几公里的光纤范围内实现了千赫兹(KHz)频率级的重复率测量；但该方法也不能避免耗时的扫频过程。由此可见，有必要提出一种新型的测量方法，既能避免耗时的扫频过程，又能实现对变化速度快、变化范围大的外界扰动测量。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有相干光时域反射计测量速度慢、测量范围小的技术问题，提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；
步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；
步骤3、基于子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。
进一步地，步骤1具体包括：
步骤1.1、使用耦合器将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块调制为啁啾脉冲p(t)，另一个分路信号输入至相干检测模块作为本振信号；
步骤1.2、啁啾脉冲p(t)经光环形器注入待检测光纤，由此产生的瑞利散射信号由光环形器发送至相干检测模块；
步骤1.3、相干检测模块基于本振信号和瑞利散射信号获取相干瑞利散射信号s(t)。
进一步地，调制模块的组成包括：
能输出双路正交扫频信号的信号源和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；
或者，能单路输出扫频信号的信号源、电学90°电桥和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；
或者，能单路输出扫频信号的信号源、马赫·增德尔调制器MZM和光学滤波器；
或者，基于傅里叶域锁模的微波光子振荡器。
进一步地，相干探测模块的组成包括：
耦合器、光电探测器和信号采样设备；
或者，90°光学混频器、光电探测器和信号采样设备。
进一步地，信号采样设备包括：
示波器或数据采集卡。
进一步地，步骤2具体包括：
步骤2.1、根据测量需求，在数字域上生成一系列的子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)；子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)的特征为：频率范围在啁啾脉冲p(t)的频率范围内；持续时间比p(t)的持续时间短；pi(t)的起始频率为f0+i△f，其中f0为啁啾脉冲p(t)的起始频率，△f为子啁啾脉冲的起始频率间隔；
步骤2.2、计算数字域上的子啁啾脉冲pi(t)的转换函数其中，pi(ω)是pi(t)的频域表达式，p(ω)是p(t)的频域表达式；
步骤2.3、将数字域的相干瑞利散射信号s(t)转换到频域，然后和转换函数hi(ω)相乘并转换到时域，得到时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应，对时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应做取模运算，得到相干瑞利散射图样
进一步地，步骤3具体包括：
基于相干的瑞利散射响应图样和分别获取同一采样点上光纤未受到扰动时和受到扰动时的两个信号曲线；
采用延迟估计算法计算两个信号之间的延迟，基于延迟与扰动的正比关系获取扰动信息；
遍历光纤中所有采样点，获取光纤的扰动情况。
进一步地，第一方面的测量方法还包括：通过改变激光器的频率，获取大频率范围的瑞利散射参考图样，具体步骤如下：
设置激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(0)(t)；
调整激光信号源的工作频率为ν0+iB，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(i)(t)；其中，i＝±1,±2,…,±N，N为正整数，啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B；
采用子啁啾脉冲提取算法分别从s(0)(t)和s(i)(t)中提取所有域的子啁啾脉冲瑞利散射响应，得到扩充瑞利散射参考图样
调整激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤受到扰动时的动态瑞利散射参考图样
进一步地，调整激光信号源工作频率的方法，包括：
采用激光器直接调制；
或者，采用外部调制器调制单频连续光的射频信号；
或者，采用微波光子振荡器调制。
第二方面，本发明提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统，包括：
处理器、存储器和通信总线；
其中，所述通信总线，用于实现所述处理器和所述存储器之间的通信连接；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量程序；
所述处理器，用于实现以下方法步骤：
步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；
步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；
步骤3、基于子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。
采用上述方案后，本发明的有益效果如下：
1、本发明使用子啁啾脉冲提取算法避免了现有技术中相干光时域反射计的耗时扫频过程，提高了系统测量效率。
2、本发明能够充分利用啁啾脉冲扩大扫频范围，实现更大范围的外界扰动测量。
3、本发明可实现数倍于探测器带宽的瑞利散射参考图样测量，从而使得相干光时域反射计系统的测量动态范围也呈倍数级扩大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法流程图；
图2是本发明实施例1提供的一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统的系统框图；
图3是本发明实施例中获取瑞利散射图样的原理图；
图4是本发明实施例2提供的另一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统的系统框图；
图5是本发明实施例中获取扩充瑞利散射参考图样的原理图；
图6是本发明实施例3提供的一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统的硬件结构示意图；
图中标记：1、激光器模块；1-1、窄线宽激光器；1-2、移频单元；2、耦合器；3、调制模块；3-1、调制单元；3-2、信号发生单元；4、光环形器；5、待测传感光纤；6、相干检测模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合附图和实施例对本发明实施例作详细说明。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法。该方法步骤包括：
S101、将啁啾脉冲信号注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号的相干瑞利散射信号；
S102、基于相干瑞利散射信号，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应；
S103、基于啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样；基于光纤未受到扰动和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样获取光纤扰动信息。
可以理解地，现有技术的COTDR是基于扫频过程获取完整的瑞利散射图样，而扫频过程极大降低了测量速度，而本发明实施例的方案通过子啁啾脉冲提取过程代替扫频过程获取瑞利散射信号，提高光纤传感系统的测量速度和测量动态范围。
参见图2所示，其示出了本发明实施例1提供的基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统，测量系统的结构包括：激光器模块1、耦合器2、调制模块3、光环形器4、待传感光纤5和相干检测模块6。
具体地，S101中，激光器模块1可以发射出初始的激光信号源，耦合器2将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块3调制为啁啾脉冲，另一个分路信号输入至相干检测模块6作为本振信号；啁啾脉冲经光环形器4注入待检测光纤5，由此产生的瑞利散射信号由光环形器4发送至相干检测模块6；相干检测模块6基于本振信号和瑞利散射信号获取相干瑞利散射信号。
可以理解地，一般来说，激光器模块1即是包含有产生红宝石激光的固体激光设备；可选地，该激光器模块1也可以是包含气体激光器、液体激光器、自由电子激光器或半导体激光器的模块设备，此处不再赘述。
可以理解地，啁啾脉冲属于一种激光脉冲信号，其频谱宽度由扫频范围和持续时间决定。使用啁啾脉冲与普通单频脉冲光相比，具有以下优势：1)由于啁啾脉冲产生的是宽谱带信号光，其在光纤中的非线性效应(如：受激布里渊散射等)阈值大，因此啁啾脉冲的峰值功率可以较大；2)因为啁啾脉冲的可压缩特性，使得使用啁啾脉冲的传感系统的空间分辨率不由脉冲宽度决定，而由啁啾脉冲的扫频范围决定，因此啁啾脉冲的宽度可以很宽，从而使得探测脉冲的平均功率可以很高。由此可见，使用啁啾脉冲有助于提高传感信号质量。
具体地，此处调制模块3的组成可以包括：能输出双路正交扫频信号的信号源和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；或者，能单路输出扫频信号的信号源、电学90°电桥和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；或者，能单路输出扫频信号的信号源、马赫·增德尔调制器MZM和光学滤波器；或者，基于傅里叶域锁模的微波光子振荡器。
可选地，也可以采用其他类型用于调制本发明实施例所需要的啁啾脉冲的电子设备，此处不再赘述。
可以理解地，此处的光环形器4(opticalcirculator)也称光环行器，是一种多端口非互易光学器件，其具有光导向作用，其典型结构有N(N大于等于3)个端口，当光由其中任一个端口输入(一般是端口1)时，可以几乎无损失地按照数字顺序由下一个端口(端口2)输出，而其它端口(端口3)处几乎没有光输出；以此类推，当光由端口2输入时，也可以由端口3近乎无损失的输出，于此同时，端口1或其他端口上没有光输出。可选地，本发明实施例中的光环形器类型可以是透射式或反射式的光环形器，此处不再赘述。
本发明实施例中，光环形器4主要用于将入射信号发送至待检测传感光纤5中，并接收待检测传感光纤5返回的散射信号，并将返回的散射信号发送至相干检测模块6中进行相关的运算处理。
可以理解地，本发明实施例中的相干探测模块6的组成可以包括：耦合器、光电探测器和信号采样设备；或者，90°光学混频器、光电探测器和信号采样设备。
进一步地，此处的信号采样设备可以是示波器或数据采集卡，此处不再赘述。
进一步地，步骤S102中采用子啁啾脉冲提取算法获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射响应的过程，具体包括：
根据测量需求，在数字域上生成一系列的所述子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)；所述子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)的特征为：频率范围在啁啾脉冲p(t)的频率范围内；持续时间比p(t)的持续时间短；pi(t)的起始频率为f0+i△f，其中f0为啁啾脉冲p(t)的起始频率，△f为子啁啾脉冲的起始频率间隔；计算数字域上的子啁啾脉冲pi(t)的转换函数其中，pi(ω)是pi(t)的频域表达式，p(ω)是p(t)的频域表达式；
将数字域的相干瑞利散射信号s(t)转换到频域，然后和转换函数hi(ω)相乘并转换到时域，得到时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应，对时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应做取模运算，就可以得到相干瑞利散射图样
进一步地，基于相干的瑞利散射响应图样和可以分别获取同一采样点上光纤未受到扰动时和受到扰动时的两个信号曲线；再采用延迟估计算法计算所述两个信号之间的延迟，由于延迟与扰动往往具有正比关系，藉于此能够获取对应采样点位置的扰动信息，以此为基础，遍历光纤中所有采样点，就可以获取光纤的扰动情况。
此处，对于通过啁啾脉冲p(t)得到相干瑞利散射信号s(t)的原理和运算过程做进一步的解释说明：
一般来说，由啁啾脉冲p(t)得到的相干瑞利散射信号s(t)可以如下公式(1)所示：
其中hFUT(t)为光纤的相干瑞利散射冲激响应，t表示时域采样点。
由公式(1)可见，啁啾脉冲p(t)的相干瑞利散射响应等于相干瑞利散射冲激响应与啁啾脉冲的卷积。
同理，子啁啾脉冲p1(t)的相干瑞利散射信号的频域表达式如以下公式(2)所示：
也就是说子啁啾脉冲p1(t)的相干瑞利散射响应可以通过p(t)的相干瑞利散射响应做变换得到。子啁啾脉冲的脉宽往往比较宽，需要通过脉冲压缩来将长脉冲压缩为短脉冲从而提升空间分辨率。而在频域上，脉冲压缩的过程便是脉宽与脉冲频域表达式的共轭，即：
参见图3所示的获取瑞利散射图样原理图，图中的Z代表光纤中的采样位置。通过改变子啁啾脉冲参数，即可得到一系列的子啁啾脉冲响应，再将上述信号转换到时域，然后取模，即可得到不同参数下的子啁啾脉冲瑞利散射强度曲线，从而形成瑞利散射图样。
综上所述，通过向光纤中注入一个啁啾脉冲，即可得到一个瑞利散射图样，其频率范围为啁啾脉冲的扫频范围。当光纤受到扰动后，往光纤中注入啁啾脉冲，得到另一个瑞利散射图样。
进一步地，基于相干的瑞利散射响应图样分别获取同一采样点上光纤未受到扰动时和受到扰动时的两个信号曲线；采用延迟估计算法计算两个信号之间的延迟，基于延迟与扰动的正比关系就可以获取同一采样点上的扰动信息；基于这种方法遍历光纤中所有采样点，就获取了光纤的扰动情况。
由此可见，本发明实施例提供的测量方法和系统，采用子啁啾脉冲提取算法替代了传统的扫频过程，解决现有相干光时域反射计在测量速度慢、测量范围小的技术问题。
实施例2
可以理解地，啁啾脉冲的相干瑞利散射的频谱范围与啁啾脉冲的频率范围具有一致性，并且由于需要将相干瑞利散射信号转换到数字域，所以测量系统中相干探测模块中的探测器的带宽需要大于等于啁啾脉冲的带宽，其采样率往往需要大于啁啾脉冲带宽的两倍以上。而由于电学探测和采样设备的限制，啁啾脉冲的扫频范围也会受到一定限制。为了解决该问题，进一步扩大啁啾脉冲的频域区间，参照图4所示，其示出本发明实施例2提供的另一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统，其方案与实施例1方案的区别在于，激光器模块1在本发明实施例2中被分为窄线宽激光器1-1和移频单元1-2，调制模块3在本发明实施例2中被分为调制单元3-1和信号发生单元3-2。
可以理解地，此处的调制单元3-1为双平行马赫-曾德尔电光调制器(即I/Q调制器)，信号发生单元3-2为两路输出的信号发生器。基于窄线宽激光器1-1和移频单元1-2可以产生周期性重复的啁啾光脉冲序列。
可以理解地，本发明实施例2的方案可以通过改变激光器的频率，获取更大频率范围的瑞利散射参考图样，其具体方法步骤如下：
设置激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(0)(t)；
调整激光信号源的工作频率为ν0+iB，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(i)(t)；其中，i＝±1,±2,…,±N，N为正整数，啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B；
采用子啁啾脉冲提取算法分别从s(0)(t)和s(i)(t)中提取所有域的子啁啾脉冲瑞利散射响应，得到扩充瑞利散射参考图样
调整激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤受到扰动时的动态瑞利散射参考图样
可以理解地，在本发明实施例2中，采用基于瑞利散射参考图样的多次测量法。参见图5所示的获取瑞利散射参考图样原理图，图中的Z代表光纤中的采样位置。当频移单元移频为0，而啁啾脉冲频率范围为B时，向静态的光纤中注入一个啁啾脉冲，通过子啁啾脉冲提取算法可以得到带宽为B的瑞利散射图样；然后改变移频单元的频移，使其等于±iB,i＝1,2,…N，由于本振和啁啾脉冲载波的频率都被移动了，所以在相干探测时，得到的信号的带宽仍为B。这样就能通过子啁啾算法将瑞利散射参考图样的频率范围扩充到2NB的范围。当光纤受到扰动时，频移单元的移频保持为0，注入带宽为B的啁啾脉冲，得到带宽为B的瑞利散射测量图样。将带宽为2NB的参考图样与带宽为B的测量图样做延时分析，即可得到光纤的扰动信息，其范围为2NB。
由此可见，基于瑞利散射参考图样的测量方法，可以通过改变激光器的发射输出频率获取大频率范围的瑞利散射参考图样，从而无需进行扫频，减少了测试时间。
具体地，本发明实施例中调整激光信号源工作频率的方法，可以包括：采用激光器直接调制；或者，采用外部调制器调制单频连续光的射频信号；或者，采用微波光子振荡器调制，此处不再赘述。
实施例3
参照图6所示，本发明实施例3提供的一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统的具体硬件结构，该测量系统3可以包括：存储器32和处理器33；各个组件通过通讯总线31耦合在一起。可理解，通讯总线31用于实现这些组件之间的连接通信。通讯总线31除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图6中将各种总线都标为通讯总线31。
存储器32，用于存储能够在处理器33上运行的测量方法程序；
处理器33，用于在运行测量方法程序时，执行以下步骤：
步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；
步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；
步骤3、基于子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。
进一步地，步骤1具体包括：
步骤1.1、使用耦合器将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块调制为啁啾脉冲p(t)，另一个分路信号输入至相干检测模块作为本振信号；
步骤1.2、啁啾脉冲p(t)经光环形器注入待检测光纤，由此产生的瑞利散射信号由光环形器发送至相干检测模块；
步骤1.3、相干检测模块基于本振信号和瑞利散射信号获取相干瑞利散射信号s(t)。
进一步地，步骤2具体包括：
步骤2.1、根据测量需求，在数字域上生成一系列的子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)；子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)的特征为：频率范围在啁啾脉冲p(t)的频率范围内；持续时间比p(t)的持续时间短；pi(t)的起始频率为f0+i△f，其中f0为啁啾脉冲p(t)的起始频率，△f为子啁啾脉冲的起始频率间隔；
步骤2.2、计算数字域上的子啁啾脉冲pi(t)的转换函数其中，pi(ω)是pi(t)的频域表达式，p(ω)是p(t)的频域表达式；
步骤2.3、将数字域的相干瑞利散射信号s(t)和转换函数hi(ω)相乘并转换到时域，得到时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应，对时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应做取模运算，得到相干瑞利散射图样
进一步地，步骤3具体包括：
基于相干的瑞利散射响应图样和分别获取同一采样点上光纤未受到扰动时和受到扰动时的两个信号曲线；
采用延迟估计算法计算两个信号之间的延迟，基于延迟与扰动的正比关系获取扰动信息；
遍历光纤中所有采样点，获取光纤的扰动情况。
进一步地，还执行以下步骤：
设置激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(0)(t)；
调整激光信号源的工作频率为ν0+iB，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(i)(t)；其中，i＝±1,±2,…,±N，N为正整数，啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B；
采用子啁啾脉冲提取算法分别从s(0)(t)和s(i)(t)中提取所有域的子啁啾脉冲瑞利散射响应，得到扩充瑞利散射参考图样
调整激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤受到扰动时的动态瑞利散射参考图样
可以理解，本发明实施例中的存储器32可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本文描述的系统和方法的存储器32旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
而处理器33可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器33中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器33可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器32，处理器33读取存储器32中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
基于前述实施例，本发明实施例提供一种计算机可读介质，该计算机可读介质存储有基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量程序，基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量程序被至少一个处理器执行时实现上述任一实施例中测量方法的步骤。
可以理解地，以上实施例中的方法步骤，可以存储在计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本发明实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本文功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
具体来说，用户终端中的处理器33还配置为运行计算机程序时，执行前述实施例中的方法步骤，这里不再进行赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上实施例，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取所述啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；
步骤2、基于所述相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；
步骤3、基于所述子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于所述相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、使用耦合器将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块调制为啁啾脉冲p(t)，另一个分路信号输入至相干检测模块作为本振信号；
步骤1.2、所述啁啾脉冲p(t)经光环形器注入待检测光纤，由此产生的瑞利散射信号由光环形器发送至所述相干检测模块；
步骤1.3、所述相干检测模块基于所述本振信号和所述瑞利散射信号获取所述相干瑞利散射信号s(t)。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述调制模块的组成包括：
能输出双路正交扫频信号的信号源和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；
或者，能单路输出扫频信号的信号源、电学90°电桥和双平行马赫·增德尔调制器DP-MZM；
或者，能单路输出扫频信号的信号源、马赫·增德尔调制器MZM和光学滤波器；
或者，基于傅里叶域锁模的微波光子振荡器。
4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述相干探测模块的组成包括：
耦合器、光电探测器和信号采样设备；
或者，90°光学混频器、光电探测器和信号采样设备。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述信号采样设备包括：
示波器或数据采集卡。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2.1、根据测量需求，在数字域上生成一系列的所述子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)；所述子啁啾脉冲pi(t)(i＝1,2,…,M)的特征为：频率范围在啁啾脉冲p(t)的频率范围内；持续时间比p(t)的持续时间短；pi(t)的起始频率为f0+i△f，其中f0为啁啾脉冲p(t)的起始频率，△f为子啁啾脉冲的起始频率间隔；
步骤2.2、计算所述数字域上的子啁啾脉冲pi(t)的转换函数其中，pi(ω)是pi(t)的频域表达式，p(ω)是p(t)的频域表达式；
步骤2.3、将所述数字域的相干瑞利散射信号s(t)先转换到频域，然后和转换函数hi(ω)相乘并转换到时域，得到时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应，对所述时域上子啁啾脉冲的瑞利散射响应做取模运算，得到相干瑞利散射图样
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
基于所述相干的瑞利散射响应图样和分别获取同一采样点上光纤未受到扰动时和受到扰动时的两个信号曲线；
采用延迟估计算法计算所述两个信号之间的延迟，基于延迟与扰动的正比关系获取扰动信息；
遍历光纤中所有采样点，获取光纤的扰动情况。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：通过改变激光器的频率，获取大频率范围的瑞利散射参考图样，具体步骤如下：
设置激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(0)(t)；
调整激光信号源的工作频率为ν0+iB，获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射信号s(i)(t)；其中，i＝±1,±2,…,±N，N为正整数，啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B；
采用子啁啾脉冲提取算法分别从s(0)(t)和s(i)(t)中提取所有域的子啁啾脉冲瑞利散射响应，得到扩充瑞利散射参考图样
调整激光信号源的工作频率为ν0，设置啁啾脉冲p(t)的扫频范围为B，获取光纤受到扰动时的动态瑞利散射参考图样
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述调整激光信号源工作频率的方法，包括：
采用激光器直接调制；
或者，采用外部调制器调制单频连续光的射频信号；
或者，采用微波光子振荡器调制。
10.一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统，其特征在于，包括：
处理器、存储器和通信总线；
其中，所述通信总线，用于实现所述处理器和所述存储器之间的通信连接；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量程序；
所述处理器，用于实现以下方法步骤：
步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；
步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)；
步骤3、基于子啁啾脉冲信号pi(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应si(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。
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