CN111854815A - 基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法 - Google Patents

基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统和方法，由激光器模块产生光信号后由耦合器将光信号分别输入光信号调制模块和信号检测模块，光信号调制模块将光信号调制为x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后发送给待测传感光纤；经过待测传感光纤之后，x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号所产生的混合的散射光信号被送至信号检测模块；信号检测模块利用耦合器发送的光信号和混合的散射光信号得到拍频信号，信号解调模块对拍频信号进行解调后输出结果；本发明可在相同的传感带宽下设置不同的啁啾率，降低了占用的系统传感带宽，提高频谱利用率，随之测量速度提升了x‑1倍，且本发明只需要单通道即可完成测量，降低系统复杂度。

Description

基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感测量技术领域，具体涉及一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法。
背景技术
分布式光纤传感(DFOS)在现代社会中有着极为广泛的运用，尤其在石油传输、电力监测、大型结构安全以及国境安防等领域占有非常重要的地位。分布式光纤传感的基本原理为外界环境因素的改变，诸如温度、振动等，导致光纤本身的特性如折射率发生改变，进而影响到光纤中传输光场，并且改变光纤中的散射光场。因此，通过检测散射光(瑞利散射光、布里渊散射光或者拉曼散射光)的特性，可以得到光纤受影响的位置，甚至于可以还原外界温度场或振动场。
相位敏感形光时域反射仪是一种典型的分布式光纤传感系统，它通过解调光纤中瑞利散射光的相位信息来进行对外界干扰的实时监测，原理如下：当相干光源输出的脉冲进入待测光纤后，其沿光纤后向瑞利散射光不断返回输入端；在某一个特定时刻光纤上长度为半个脉冲宽度的瑞利散射光在输入端发生相干，最终输出系统；若外界振动场发生改变，其频率和幅值与散射光两点之间的相位差成正比；因此可以通过解调传感系统的相位来还原外界振动场。
但是现有的分布式传感系统具有一定的局限性。为了避免不同脉冲的散射光信号发生重叠，在光源输出的上一个脉冲进入待测光纤之后，其瑞利散射光全部返回到输出端时，才可以输入下一个脉冲。因此，系统的测量速度fscan和传感距离L是相互制约的，它们之间满足fscan≤c/2nL。
近年来，对于打破测量速度和传感距离限制的研究，主要有以下两种：
1、基于频分复用的分布式光纤传感技术，通过向传感光纤中注入M个不同频率范围的啁啾脉冲，通过在频域加窗的方法分别解调出来各个频率范围的散射信号，这些散射信号可以分别恢复出来扰动信息，从而测量速度提升了M-1倍，但是这种方法使得所需的传感带宽增加了M-1倍，频谱的利用率不高；若系统带宽受限，则复用通道数目的增多会增大通道间串扰从而影响信噪比，或降低空间分辨率。
2、基于正负频IQ解调的分布式光纤传感技术，通过向传感光纤中注入正负频率的啁啾脉冲，由于正频和负频在频域上是可以分开的，所以运用傅里叶变换技术，可以将携带反射光信息的正负频率的信号分开，它们可以分别恢复出来扰动信息，使得测量速度提升了1倍。但是这种方法需要双通道探测，增加了系统的复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前的分布式传感系统中由于测量速度与传感距离相互制约，无法保证在系统具有高频谱利用率和单通道探测的同时提高测量速度的技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，包括：激光器模块、耦合器、光信号调制模块、待测传感光纤、信号检测模块和信号解调模块；
所述激光器模块产生光信号并将光信号发送给耦合器，耦合器将光信号分别输入光信号调制模块和信号检测模块；
光信号调制模块将光信号调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后发送给待测传感光纤；
经过待测传感光纤之后，x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号所产生的混合的散射光信号被送至信号检测模块；；
信号检测模块利用耦合器发送的光信号和混合的散射光信号经相干探测并恢复瑞利散射矢量场后得到拍频信号，信号检测模块将拍频信号输入信号解调模块；
信号解调模块对拍频信号进行解调后输出散射光信号的扰动信息。
进一步优化方案为，还包括光环形器；
光信号调制模块通过光环形器将啁啾脉冲光信号发送至待测传感光纤；
待测传感光纤通过光环形器将混合的散射光信号发送至信号检测模块。
进一步优化方案为，所述光信号调制模块包括：强度调制器、相位调制器、光学滤波器和光学开关；
所述强度调制器和相位调制器产生不同啁啾率的啁啾脉冲光信号；
光学滤波器过滤出强度调制器产生的不同啁啾率的光信号；
光学开关选择输出光学滤波器滤出的不同啁啾率的光信号。
进一步优化方案为，信号解调模块对拍频信号进行解调具体步骤为：
S1：信号解调模块将拍频信号按采样顺序分成N组，N为不为零的整数；
S2：将N组拍频信号中的第n组基于分数阶傅里叶变换法解出x个扰动信息；
S3：将x个扰动信息所有扰动信息重新按照时间顺序组合后得到散射光信号的扰动信息。
进一步优化方案为，S2具体步骤为：
S21：将拍频信号进行x个不同阶次的分数阶傅里叶变换，每一个不同的啁啾率对应不同的阶次；
S22：经过分数阶傅里叶变换后的拍频信号在不同的阶次下有不同的聚焦峰，将x个不同阶次的聚焦峰从整个分数阶域的信号中过滤出来；
S23：将过滤出的x个不同阶次的聚焦峰进行逆分数阶傅里叶变换后求解出x个扰动信息。
一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
T1：将光信号分成两路：光信号R1和光信号R2，将光信号R2调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后输入待测传感光纤；
T2：x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号经过待测传感光纤之后产生的混合的散射光信号；
T3：利用光信号R1和散射光信号经相干探测并恢复瑞利散射矢量场后得到拍频信号；
T4：将拍频信号基于分数阶傅里叶变换法进行解调后输出散射光信号的扰动信息。
进一步优化方案为，所述x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号，其中第i个啁啾率的啁啾脉冲光信号表示为：
Figure BDA0002618862590000031
其中E0和f分别表示光载波强度和频率；fm表示调制啁啾脉冲信号的中心移频量；γi表示信号的啁啾率；T表示不同啁啾率脉冲光之间的时延；τp表示脉冲的宽度。
进一步优化方案为，T4具体步骤为：
T41：将拍频信号按采样顺序分成N组，N为不为零的整数；
T42：将第n组拍频信号进行x个不同阶次的分数阶傅里叶变换，每一个不同的啁啾率γi对应不同的阶次；
T43：经过分数阶傅里叶变换后的拍频信号在不同的阶次下有不同的聚焦峰，将x个不同阶次的聚焦峰从整个分数阶域的信号中过滤出来；
T44：将过滤出的x个不同阶次的聚焦峰进行逆分数阶傅里叶变换后求解出x个扰动信息，T45：将x个扰动信息重新按照时间顺序组合后得到散射光信号的扰动信息。本发明原理：
光信号调制模块将光信号调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号，其中第i个啁啾率的啁啾脉冲光信号可以表示为：
Figure BDA0002618862590000032
其中E0和f分别表示光载波强度和频率；fm表示调制啁啾脉冲信号的中心移频量；γi表示信号的啁啾率；T表示不同啁啾率脉冲光之间的时延；τp表示脉冲的宽度。
信号调制模块将啁啾脉冲光信号经过光环形器注入传感光纤后，光环形器将经过待测传感光纤混合的散射光信号Em(t,k)发送至信号检测模块；散射光信号Em(t,k)表达式为：
Figure BDA0002618862590000041
其中k＝1…N表示第k次注入不同啁啾率的探测脉冲序列；N为注入脉冲序列总次数；ERi(t,k)表示啁啾率为γi的脉冲在第k次注入传感光纤后所获得的瑞利散射信号；h(t,k)为第k次注入时光纤在扰动下的冲击响应函数；*表示卷积运算。
耦合器输入信号检测模块的光信号和散射光信号在信号检测模块中经相干探测并恢复瑞利散射矢量场后，得到拍频信号E(t,k)如下：
Figure BDA0002618862590000042
其中E′Ri(t,k)为啁啾信号Si(t)经传感光纤散射及相干探测后获得的拍频信号。
信号解调模块对拍频信号进行解调步骤为：
S1：信号解调模块将拍频信号按采样顺序分成N组，N为不为零的整数；
S2：将N组拍频信号中的第n组基于分数阶傅里叶变换法解出x个扰动信息；
S3：将x个扰动信息所有扰动信息重新按照时间顺序组合后得到散射光信号的扰动信息。
其中，S2具体流程如下：
S201，将上述第n组拍频信号进行x个不同阶次的分数阶傅里叶变换，每一个不同的啁啾信号Si(t)所得到的拍频信号E′Ri(t,k)在分数阶傅里叶域对应不同的阶次，在对应阶次下对E(t,k)进行分数阶傅里叶变换可得：
Figure BDA0002618862590000043
其中，Frft(·)表示分数阶傅里叶变换，αi表示E′Ri(t,k)对应的阶次，
Figure BDA0002618862590000044
表示，除E′Ri(t,k)之外，其它拍频信号在αi阶次下的变换。在αi阶次下，E′Ri(t,k)聚焦为一个峰，而其他拍频信号在此阶次下都平坦地分布在较大区域内。
S202，由于变换后的拍频信号会在不同的阶次下有不同的聚焦峰，所以根据聚焦峰的位置，通过窄带滤波器，可以将x个不同阶次的聚焦峰从整个分数阶域的信号中滤出来；
Bpf{Frft{E(t,k),αn}}＝Frft{E′Ri(t,k),αi} (5)
其中，Bpf(·)表示窄带滤波函数。
S203，将滤出的x个不同阶次的聚焦峰进行逆分数阶傅里叶变换：
Figure BDA0002618862590000051
S04，通过脉冲压缩的方法，将逆变换之后的信号E′Ri(t,k)和Si(t)做互相关，得到Mi，采用的公式如下：
Figure BDA0002618862590000052
其中，
Figure BDA0002618862590000053
表示互相关运算，Mi表示第i个啁啾率拍频信号经互相关脉冲压缩后获得的信号。利用Mi的相位变化信息，可分别求得x个不同啁啾脉冲下的扰动信息。
最后将x个不同啁啾脉冲下的扰动信息重新按照时间顺序组合起来，即为系统传感的完整的扰动信息，最终实现高速分布式光纤传感。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明在保证系统有单通道探测的同时，使得测量速度提高x-1倍，且本发明不需要占用很高的传感带宽，在相同的传感带宽下就可以设置不同的啁啾率，使用单通道探测，降低了系统的复杂度。例如，在80MHz的传感带宽下，设置八个不同的啁啾率，可以将测量速度提升七倍。
本发明相较于基于频分复用技术的分布式光纤传感系统，由于可以在相同的传感带宽下就可以设置不同的啁啾率，总体占用的系统传感带宽很低，所以对于频谱的利用率很高。本发明通过提高系统频谱利用率，将测量速度提升了x-1倍；相较于基于正负频IQ解调技术的分布式光纤传感系统，本发明不需要双通道探测，只需要单通道即可，降低了系统复杂度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统框图；
图2是不同啁啾率的啁啾信号的示意图；
图3是基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统解调流程图；
图4是不同啁啾率的啁啾信号在某一阶次下进行分数阶傅里叶变换后的结果；
图5是实施例2提供的基于分数阶傅里叶变换的高重复率分布式传感系统的系统框图
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例中的高速分布式光纤传感系统及方法主要基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)实现，具体地，是基于分数阶傅里叶变换的啁啾脉冲相位敏感光时域反射仪实现的。
如图1所示，本实施例提供的基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，包括激光器模块1，所述激光器模块1产生光信号至耦合器2，耦合器2为光耦合器2，所述耦合器2分别将光信号输入光信号调制模块3和信号检测模块6，所述光信号调制模块3将光信号调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号，所述光信号调制模块3的输出端连接光环形器4的端口1，所述光环形器4的端口2将啁啾脉冲光信号输入待测传感光纤5并接收所述待测传感光纤5返回的混合的散射光信号，所述光环形器4的端口3将所述散射光信号输入信号检测模块6，所述信号检测模块6利用混合的散射光信号和耦合器输入的本振光信号产生拍频信号，所述信号检测模块6将所述拍频信号输入信号解调模块7进行解调和输出，得到所述散射光信号的扰动信息。
所述光信号调制模块3包括波形发生器和电光调制器。所述信号检测模块6包括光混合器和信号采集器。
其中，光环形器4(optical circulator)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。光环形器4类型可以是透射式或反射式的光环形器4。
在本实施例中，所述光信号调制模块将光信号调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号，其中第i个啁啾率的啁啾脉冲光信号可以表示为：
Figure BDA0002618862590000071
其中E0和f分别表示光载波强度和频率；fm表示调制啁啾脉冲信号的中心移频量；γi表示信号的啁啾率；T表示不同啁啾率脉冲光之间的时延；τp表示脉冲的宽度。
如图2所示，不同的斜率表示不同的啁啾率，图中为8个不同啁啾率的啁啾信号(γ1，γ2，γ3，γ4，γ5，γ6，γ7，γ8)的时频关系，由图可知不同啁啾率的啁啾信号可以在同一个频率下。
光信号调制模块将啁啾脉冲光信号经过光环形器的端口1和端口2注入传感光纤后，光环形器的端口3返回的信号为不同啁啾率的啁啾脉冲光信号经过传感光纤之后的混合的散射光信号：
Figure BDA0002618862590000072
其中k＝1…N表示第k次注入不同啁啾率的探测脉冲序列；N为注入脉冲序列总次数；ERi(t,k)表示啁啾率为γi的脉冲在第k次注入光纤后所获得的瑞利散射信号；h(t,k)为第k次注入时光纤在扰动下的冲击响应函数；*表示卷积运算。
耦合器输入信号检测模块的光信号和散射光信号在信号检测模块中经相干探测并恢复瑞利散射矢量场后，得到拍频信号如下：
Figure BDA0002618862590000073
其中E′Ri(t,k)为啁啾信号Si(t)经传感光纤散射及相干探测后获得的拍频信号。
解调拍频信号的工作流程如图3所示：
S01，将上述拍频信号进行x个不同阶次的分数阶傅里叶变换，每一个不同的啁啾信号Si(t)所得到的拍频信号E′Ri(t,k)在分数阶傅里叶域对应不同的阶次，在对应阶次下对E(t,k)进行分数阶傅里叶变换可得：
Figure BDA0002618862590000081
其中，Frft(·)表示分数阶傅里叶变换，αi表示E′Ri(t,k)对应的阶次，
Figure BDA0002618862590000082
表示，除E′Ri(t,k)之外，其它拍频信号在αi阶次下的变换。如图4所示，在αi阶次下，E′Ri(t,k)聚焦为一个峰，而其他拍频信号在此阶次下都平坦地分布在较大区域内。
S02，由于变换后的拍频信号会在不同的阶次下有不同的聚焦峰，所以根据聚焦峰的位置，通过窄带滤波器，可以将x个不同阶次的聚焦峰从整个分数阶域的信号中滤出来；
Bpf{Frft{E(t,k),αn}}＝Frft{E′Ri(t,k),αi}
其中，Bpf(·)表示窄带滤波函数。
S03，将滤出的x个不同阶次的聚焦峰进行逆分数阶傅里叶变换：
Figure BDA0002618862590000083
S04，通过脉冲压缩的方法，将逆变换之后的信号E′Ri(t,k)和Si(t)做互相关，得到Mi，采用的公式如下：
Figure BDA0002618862590000084
其中，
Figure BDA0002618862590000085
表示互相关运算，Mi表示第i个啁啾率拍频信号经互相关脉冲压缩后获得的信号。利用Mi的相位变化信息，可分别求得x个不同啁啾脉冲下的扰动信息。
S05，将x个不同啁啾脉冲下的扰动信息重新按照时间顺序组合起来，即为系统传感的完整的扰动信息，最终实现高速分布式光纤传感。
本发明通过提高系统频谱利用率，将测量速度提升了x-1倍；相较于基于正负频IQ解调技术的分布式光纤传感系统，本发明不需要双通道探测，只需要单通道即可，降低了系统复杂度。
实施例2
本实施例提供的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统及方法。其中，信号调制模块中包括波形发生器31和电光调制器32，光耦合器2的分路输出1与电光调制器32连接，光耦合器2的分路输出2与信号检测模块6连接，波形发生器31与电光调制器32连接，电光调制器32的输出端与光环形器4的1端口连接，光环形器4的端口2与待测传感光纤5连接，光环形器4的端口3与信号检测模块6连接。
在本实施例中，使用波形发生器31对预先写入的啁啾波形进行处理，将啁啾脉冲的数字信号转换成电信号，然后通过电光调制器32产生不同啁啾率的啁啾脉冲光信号，产生的信号被光环形器4导入待测传感光纤5中。信号检测模块6通过分别接收光耦合器2输出两个分路的本振信号和散射信号强度信息，再利用信号解调模块7进行解调，基于拍频数据得到扰动信息的计算结果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：激光器模块、耦合器、光信号调制模块、待测传感光纤、信号检测模块和信号解调模块；
所述激光器模块产生光信号并将光信号发送给耦合器，耦合器将光信号分别输入光信号调制模块和信号检测模块；
光信号调制模块将光信号调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后发送给待测传感光纤；
经过待测传感光纤之后，x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号所产生的混合的散射光信号被送至信号检测模块；
信号检测模块利用耦合器发送的光信号和混合的散射光信号经相干探测并恢复瑞利散射矢量场后得到拍频信号，信号检测模块将拍频信号输入信号解调模块；
信号解调模块对拍频信号进行解调后输出散射光信号的扰动信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括光环形器；
光信号调制模块通过光环形器将啁啾脉冲光信号发送至待测传感光纤；
待测传感光纤通过光环形器将混合的散射光信号发送至信号检测模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，其特征在于，所述光信号调制模块包括：强度调制器、相位调制器、光学滤波器和光学开关；
所述强度调制器和相位调制器产生不同啁啾率的啁啾脉冲光信号；
光学滤波器过滤出强度调制器产生的不同啁啾率的光信号；
光学开关选择输出光学滤波器滤出的不同啁啾率的光信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，其特征在于，信号解调模块对拍频信号进行解调具体步骤为：
S1：信号解调模块将拍频信号按采样顺序分成N组，N为不为零的整数；
S2：将N组拍频信号中的第n组基于分数阶傅里叶变换法解出x个扰动信息；
S3：将x个扰动信息所有扰动信息重新按照时间顺序组合后得到散射光信号的扰动信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感系统，其特征在于，S2具体步骤为：
S21：将拍频信号进行x个不同阶次的分数阶傅里叶变换，每一个不同的啁啾率对应不同的阶次；
S22：经过分数阶傅里叶变换后的拍频信号在不同的阶次下有不同的聚焦峰，将x个不同阶次的聚焦峰从整个分数阶域的信号中过滤出来；
S23：将过滤出的x个不同阶次的聚焦峰进行逆分数阶傅里叶变换后求解出x个扰动信息。
6.一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
T1：将光信号分成两路：光信号R1和光信号R2，将光信号R2调制为x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号后输入待测传感光纤；
T2：x个不同啁啾率的啁啾脉冲光信号经过待测传感光纤之后产生的混合的散射光信号；
T3：利用光信号R1和散射光信号经相干探测并恢复瑞利散射矢量场后得到拍频信号；
T4：将拍频信号基于分数阶傅里叶变换法进行解调后输出散射光信号的扰动信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感方法，其特征在于，所述x个具有不同啁啾率的啁啾脉冲光信号，其中第i个啁啾率的啁啾脉冲光信号表示为：
Figure FDA0002618862580000021
其中E0和f分别表示光载波强度和频率；fm表示调制啁啾脉冲信号的中心移频量；γi表示信号的啁啾率；T表示不同啁啾率脉冲光之间的时延；τp表示脉冲的宽度。
8.根据权利要求6所述的一种基于分数阶傅里叶变换的高速分布式光纤传感方法，其特征在于，T4具体步骤为：
T41：将拍频信号按采样顺序分成N组，N为不为零的整数；
T42：将第n组拍频信号进行x个不同阶次的分数阶傅里叶变换，每一个不同的啁啾率γi对应不同的阶次；
T43：经过分数阶傅里叶变换后的拍频信号在不同的阶次下有不同的聚焦峰，将x个不同阶次的聚焦峰从整个分数阶域的信号中过滤出来；
T44：将过滤出的x个不同阶次的聚焦峰进行逆分数阶傅里叶变换后求解出x个扰动信息，
T45：将x个扰动信息重新按照时间顺序组合后得到散射光信号的扰动信息。
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