CN110375842A - 一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，包括在两个相邻的测量脉冲间隙插入n个脉冲，对传感光纤的后向散射信号进行相干接收，得到多个散射增强峰的后向复合散射信号，对后向复合散射信号进行相位解调得到传感信息。本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，在单次测量周期内插入n个脉冲，突破了传统系统的距离带宽积限制，提升距离带宽积到原本的(n+1)倍；引入等间隔的连续散射增强点提升后向散射光信号强度和散射光稳定性，使得传感信号更加稳定可靠，散射增强点使光纤后向散射曲线呈离散峰形式，可使多条散射曲线无串扰复合。

Description

一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法

技术领域

本发明属于声波传感技术领域，更具体地，涉及一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法。

背景技术

近年来，光纤分布式声波传感系统在多个应用领域得到应用，包括管道监测、资源勘探、地震检测、水声测量以及铁路安全等。目前最常见的为基于(Time Domain Reflectometry，相敏光时域反射计)的光纤分布式声波传感系统，其对光纤上的散射光相位进行解调，进而由相位信息表征作用在光纤上的外界声波信息。对于铁路安全等应用领域的声波检测，其通常需要同时满足长距离与高频率响应的条件，即在数十公里距离基础上实现数kHz的高频信号检测。然而，由于传感机理的限制，采用普通单模光纤作为传感光纤时，单次测量即发射一个脉冲进入光纤需使其返回接收后再发送下一个脉冲，否则会使得后向散射信号有串扰交叠，因此脉冲重复频率即采样频率和光纤长度相关，使得传感光纤长度与系统测量采样频率之间有制约关系，即距离带宽积受限，无法满足长距离与大带宽的同时测量。

为解决上述距离带宽积的限制问题，国内外学者提出了一些关于系统扩频的方法。例如采用结合马赫增德干涉仪的方式，利用马赫增德干涉仪带宽不受限的特性实现高频检测，然而该种方法难以实现工程应用；基于频分复用的方式，将多个频率的光注入传感光纤，再在接收端将不同频率的光分开解调，实现一次测量周期的多次测量，然而该种方法受限于多个频率分量之间的串扰；另一种方式为脉冲编码的方式来区分各个脉冲，接收端进行解码来分开不同脉冲，然而其引入编码调制格式使得系统复杂度提升。中国发明专利《一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法和装置》(授权号：CN104266752B，授权日：2017.1.4)公开了一种利用DPSK相位调制格式的光纤背向散射测量的扩频技术，其通过注入调制脉冲并进行编码解扩实现测量，然而其编码方式增加了系统复杂度且不涉及后向散射相位解调，因此不适用于系统的扩频；中国专利申请《基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感系统》(申请号：CN109489801A，申请日：2019.3.19)公开了一种基于空分复用的多芯光纤分布式声波传感扩频方法，利用光开关调控每根纤芯所反射回来的散射信号，对多根纤芯的传感信号进行组合实现扩频，然而该种方法需严格调控纤芯之间的时间间隙，增加了系统复杂度。

因此，亟需一种新型有效的提升基于的分布式声波传感系统测量带宽的方法，以突破距离带宽积的限制，实现长距离与大带宽的分布式测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，旨在解决现有光纤分布式声波传感系统距离带宽积受限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，包括在两个相邻的测量脉冲间隙插入n个脉冲，对传感光纤的后向散射信号光进行相干接收，得到多个散射增强峰的后向复合散射信号，对所述后向散射信号光进行相位解调得到传感信息；

其中，n为正整数。

进一步地，采用的传感光纤为离散增强光纤，在普通单模光纤的基础上，形成连续等间隔的散射增强点。散射增强点的空间尺度与普通散射点尺度相同，远小于入射测量脉冲空间宽度，散射增强点对入射光无波长选择性，其后向散射光信号强度和稳定性大幅提升。

进一步地，插入脉冲的最大数量n由散射增强点间距l和散射增强峰宽度w决定，其最多为n＝floor(l/w)。

进一步地，由多个脉冲所得的散射曲线构成复合散射曲线，测量脉冲的发射周期T为：

T＝2n_eL/c

其中，n_e为传感光纤的有效折射率，L为传感光纤的长度，c为光速，单个测量周期即单次脉冲发送接收周期T内增加发送n个脉冲，每个脉冲信号插入到单个脉冲增强峰之间的时间间隙t_s中，使得单个测量周期增加n次测量，脉冲重复周期缩短到T/(n+1)，系统采样频率提升n+1倍，距离带宽积提升到BL＝(n+1)v_g/2，B为系统的频率响应带宽，v_g为光纤中的光速。

进一步地，相位解调包括将后向复合散射信号进行互相关解耦，对每个独立的后向散射信号的每个散射增强点进行相位提取，得到单个测量脉冲下两个相邻的散射增强点之间的相位变化，将多个后向散射信号的相位变化进行重构得到最终的相位解调结果。

进一步地，互相关解耦包括，将后向复合散射信号与插入脉冲前的标准后向散射信号做互相关运算，通过互相关运算所得的相关峰位置确定各个散射增强点的位置，并将后向复合散射信号进行分离。

进一步地，重构为将多个后向散射信号的相位变化按脉冲发射顺序排列，构成最终的相位解调结果。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，在单次测量周期内插入n个脉冲，突破了传统系统的距离带宽积限制，提升距离带宽积到原本的(n+1)倍；

2、本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统扩频方法采用离散增强光纤替代普通单模光纤，引入等间隔的连续散射增强点提升后向散射光信号强度和散射光稳定性，使得传感信号更加稳定可靠，散射增强点使光纤后向散射曲线呈离散峰形式，可使多条散射曲线无串扰复合；

3、本发明提出的结合离散增强光纤的时隙分插复用的方法，在单个测量周期内实现多个脉冲的发射，突破光纤距离带宽积的限制，在长距离的光纤上也能实现高频的测量，目前采用此方法，利用本发明可在770m光纤上测到100kHz级别声波信号。

附图说明

图1是本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统扩频方法的示意图；

图2是本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统的相位解调的流程示意图；

图3是本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统的互相关解耦示意图；

图4是本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统采用的相位解调信号结果示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，包括在两个相邻的测量脉冲间隙插入n个脉冲，对传感光纤的后向散射信号光进行相干接收，得到多个散射增强峰的后向复合散射信号，对所述后向散射信号光进行相位解调得到传感信息；

其中，n为正整数。

具体地，如图1所示，采用的传感光纤为离散增强光纤1，在普通单模光纤2的瑞利散射点3的基础上，形成连续等间隔的散射增强点4。散射增强点的空间尺度与普通散射点尺度相同，远小于入射测量脉冲空间宽度，散射增强点对入射光无波长选择性，其后向散射光信号强度和稳定性大幅提升。本实施例中，散射增强点散射强度相比于普通瑞利散射点提升15dB～20dB。

具体地，散射增强光纤后向散射曲线含离散化的凸起峰5，即每个散射增强点位置在散射曲线中为一个高于普通瑞利散射信号强度的凸起峰。

具体地，系统发送一个脉冲进行一次测量，离散增强光纤后向散射曲线为离散化的增强峰，且增强点位置固定，在两峰之间可插入下一个脉冲的散射曲线，进而使得两者不串扰，形成后向复合散射曲线6。本实施例中，由两个脉冲所得的后向散射曲线构成后向复合散射曲线。

具体地，插入脉冲的最大数量n由散射增强点间距8和散射增强峰宽度7决定，其最多为n＝floor(l/w)，其中，l为散射增强点间距，w为散射增强峰宽度。本实施例中，散射增强点间隔为5m，增强峰空间宽度为1m，即n的最大值为5，系统距离带宽积可增大为传统光纤分布式声波传感系统的6倍。

具体地，由多个脉冲所得的散射曲线构成复合散射曲线，测量脉冲的发射周期T为：

T＝2n_eL/c

其中，n_e为传感光纤的有效折射率，L为传感光纤的长度，c为光速，单个测量周期即单次脉冲发送接收周期T内增加发送n个脉冲，每个脉冲信号插入到单个脉冲增强峰之间的时间间隙t_s中，使得单个测量周期增加n次测量，脉冲重复周期缩短到T/(n+1)，系统采样频率提升n+1倍，距离带宽积提升到BL＝(n+1)v_g/2，B为系统频率响应带宽，v_g为光纤中的光速。本实施例中，单个测量周期增加1次测量，脉冲重复周期缩短为T/2，系统采样频率提升至原来的2倍，距离带宽积提升至原来的2倍；本实施例光纤总长770m，光脉冲完整传输一次时间即单次测量周期T＝7.6μs，对应系统最高可测频率为65.5kHz，距离带宽积为v_g/2，采用时隙复用方法，使n＝1时，一个测量周期中，复合散射曲线由两个脉冲曲线构成，即在T/2＝3.8μs处插入第二个测量脉冲曲线，使得系统可测频率提升至原来的2倍，即130kHz，距离带宽积拓宽至v_g即原来的2倍。

具体地，相位解调包括将后向复合散射信号进行互相关解耦，对每个独立的后向散射信号的每个散射增强点进行相位提取，得到单个测量脉冲下两个相邻的散射增强点之间的相位变化，将多个后向散射信号的相位变化进行重构得到最终的相位解调结果即所测得外界声波信息。本实施例中，对间隔5m的两相邻散射增强点进行相位差分运算，即得到该段5m光纤所测得的声波信号。

具体地，互相关解耦包括，将后向复合散射信号与插入脉冲前的标准后向散射信号做互相关运算，通过互相关运算所得的相关峰位置确定各个散射增强点的位置，并将后向复合散射信号进行分离。

具体地，重构为将多个后向散射信号的相位变化按脉冲发射顺序排列，构成最终的相位解调结果。

具体地，为解调作用在光纤上的外界声波信号，需对复合散射曲线进行解耦，将每个脉冲信号散射曲线分离出来进行相位解调，解耦重构流程如图2所示。

具体地，对复合散射曲线和单个脉冲散射曲线做互相关，由互相关峰位置9可分离出每个脉冲的散射曲线；本实施例中，对两个脉冲所得的复合曲线进行互相关解耦，由复合曲线与单个脉冲做互相关得到互相关峰位置9，得到两峰间距3.8μs，即第二条散射曲线起始点在复合曲线3.8μs位置处，即可分离提取第一条和第二条散射曲线，如图3所示。

具体地，对每个脉冲测量的相位信息解调后，再对其进行重构，将一个测量周期中脉冲测量信息组合起来，即一个测量周期实现多次测量，进而实现系统扩频。本实施例中，由前一脉冲和后一脉冲所得相位解调信号组合重构得到单个测量周期中两次测量所得声波信号，由两条散射曲线解调重构出的130kHz信号频谱如图4所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，其特征在于，包括在两个相邻的测量脉冲间隙插入n个脉冲，对传感光纤的后向散射信号进行相干接收，得到多个散射增强峰的后向复合散射信号，对所述后向复合散射信号进行相位解调得到传感信息；

其中，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的扩频方法，其特征在于，所述传感光纤为离散增强光纤，具有连续等间隔的散射增强点。

3.根据权利要求2所述的扩频方法，其特征在于，所述散射增强点的轴向空间尺度远小于测量脉冲宽度与光速的乘积。

4.根据权利要求1所述的扩频方法，其特征在于，所述测量脉冲的发射周期T为：

T＝2n_eL/c

其中，n_e为传感光纤的有效折射率，L为传感光纤的长度，c为光速，一个测量脉冲发射周期内在两个散射增强点之间的时间间隙t_s中插入n个脉冲，即发射n+1个脉冲。

5.根据权利要求4所述的扩频方法，其特征在于，所述插入脉冲的个数n表示为：

n＝floor(l/w)

其中，floor表示向下取整，l为散射增强点的间距，w为散射增强峰宽度。

6.根据权利要求4所述的扩频方法，其特征在于，插入n个脉冲后，所述脉冲发射周期变为T/(n+1)，采样率拓宽n+1倍，分布式声波传感系统距离带宽积增强n+1倍。

7.根据权利要求1所述的扩频方法，其特征在于，所述相位解调包括将后向复合散射信号进行互相关解耦，对每个独立的后向散射信号的每个散射增强点进行相位提取，得到单个测量脉冲下两个相邻的散射增强点之间的相位变化，将多个后向散射信号的相位变化进行重构得到最终的相位解调结果。

8.根据权利要求7所述的扩频方法，其特征在于，所述互相关解耦包括，将后向复合散射信号与插入脉冲前的标准后向散射信号做互相关运算，通过互相关运算所得的相关峰位置确定各个散射增强点的位置，并将后向复合散射信号进行分离。

9.根据权利要求7所述的扩频方法，其特征在于，所述重构为将多个后向散射信号的相位变化按脉冲发射顺序排列，构成最终的相位解调结果。