CN112595492B - 用于损耗与扰动事件同步监测的cotdr方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法及系统，涉及光纤传感技术领域，本发明能够实现损耗与扰动事件的同步监测；通过对多频信号的探测与同步接收，能够提升COTDR系统的测量速度，同时通过选取间隔一段时间的多频探测曲线进行累加平均，能够抑制光纤链路损耗曲线的相干衰落噪声，避免了待测光纤中的衰减、连接处反射等事件被相干衰落噪声淹没，提升了监测事件识别率以及COTDR曲线的探测动态范围，增加了可监测距离；同时，本发明通过发射N个频率的探测光脉冲以及对获得的多个频率的中频信号进行独立测量，将扰动事件的探测频率范围能够提升N倍。

Description

用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法及系统。

背景技术

光纤因为其传输带宽大、衰减小、抗干扰能力强等优点，在通信领域得到了广泛的应用，光纤通信技术也因此成为现代通信的主要方式之一。全球光纤铺设里程已达数十亿公里。但由于人为因素、使用环境、光器件性能的衰变以及光缆的自然老化等原因，光纤传输系统出现故障并导致通信中断的现象频发，且故障次数随时间的推移不断增加，使得光缆线路故障率要远远大于设备故障率。因此，对光纤线路进行在线监测，及时发现和修复故障对降低损失、提高通信的可靠性具有非常重大的意义。

在光纤通信线路监测方面，目前普遍使用的是在线光功率监测和基于OTDR(光时域反射)技术的检测方案。在线光功率监测直接从光纤通信线路中分出部分光，通过监测信号光功率的变化判断通信线路的状况。该方案虽然简单实用，但它只能感知和反馈线路的运行状况，而不能精确报告线路中的微小故障事件及其对应的位置。OTDR不仅能及时反映通信线路中的多种事件，而且还能准确判断事件的类型及事件点的位置。因此，OTDR对光纤通信线路健康监测具有重要的作用，能在一定程度上对通信线路进行实时在线监测。但是通信线路中通常使用光放大器如EDFA(掺铒光纤放大器)来补偿信号光的传输损耗，从而使通信线路延伸至数千甚至上万公里。由于OTDR采用的是直接功率探测方式，通信线路中EDFA产生的ASE噪声功率与背向瑞利散射信号功率将无法得到区分，因而系统测量的信噪比会大大降低。并且，在多个EDFA级联的通信线路中，ASE噪声会不断聚集而得到加强从而使OTDR无法准确探测到瑞利散射信号，不能对整条通信线路进行测量。

在这种情况下，COTDR(相干光时域反射技术)凸显出其巨大的优势。COTDR利用相干探测的方法把探测到的信号光功率集中到某一特定的中频，通过对该中频信号进行带通滤波就可以滤除绝大部分的噪声，从而使其能监测多中继超长距离光纤通信线路。但是，COTDR和OTDR系统一样，在光纤通信网络监测方面均存在一个缺陷：当外部扰动事件对光纤造成损害之后，才能够通过OTDR和COTDR观察到光纤损耗的变化，无法实现对损害事件进行预警，甚至可能造成巨大的经济损失。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法及系统，实现光纤链路损耗监测的同时，实现扰动事件的预警。

为达到以上目的，本发明采取一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法，包括以下步骤：

通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

优选的，对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号，具体包括以下步骤：

通过耦合器接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光；

通过可调移频器将N个频率的探测光再次在一个周期内产生等间隔频移；

通过声光调制器将频移后的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量，通过光放大器进行光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，将信号放大后的背向散射信号输出至偏振分集相干平衡探测器；

通过偏振分集相干平衡探测器将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

另一方面，还提供一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法，包括以下步骤：

通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

向光纤注入与探测光脉冲在时域和功率上互补的填充光脉冲，将探测光脉冲与填充光脉冲进行合波处理；

对合波处理后的N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

优选的，向光纤注入与探测光脉冲在时域和功率上互补的填充光脉冲，将探测光脉冲与填充光脉冲进行合波处理，对合波处理后的N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号，具体包括以下步骤：

通过耦合器接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光；

通过可调移频器将N个频率的探测光再次在一个周期内产生等间隔频移；

通过第一声光调制器将频移后的N个频率的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量；

通过第二声光调制器将填充光源发出的光调制为与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲；

通过合波模块将第一声光调制器发出的多频探测光脉冲与第二声光调制器发出的单频填充光脉冲进行合波处理；

通过光放大器进行光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，将信号放大后的背向散射信号输出至偏振分集相干平衡探测器；

通过偏振分集相干平衡探测器将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

另一方面，还提供一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR系统，包括：

光脉冲发射模块，其用于：通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

光脉冲接收模块，其用于：对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

数据采集处理模块，其用于：采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

优选的，所述光脉冲发射模块包括扫频单元和激光器；

所述扫频单元用于：切换激光器的输出光频率，使激光器的频率在一个周期内产生等间隔频移；

所述激光器用于：在扫频单元控制下，发出N个频率的连续光。

优选的，所述光脉冲接收模块包括：

耦合器，其用于：接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光传输至可调移频器，另一路作为本振光传输至偏振分集相干平衡探测器；

可调移频器，其用于：将收到的N个频率的连续光在一个周期内产生等间隔频移，将频移后的连续光输出给声光调制器；

声光调制器，其用于：将接收的N个频率的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量，传输至光放大器；

光放大器，其用于：将声光调制器输出的光脉冲信号放大，并将放大后的光脉冲信号传输至环形器；

环形器，其用于：将光放大器输出的光脉冲序列耦合进待测光纤，接收返回的背向散射信号，并将其传输给小信号放大器；

小信号放大器，其用于：提升背向散射信号的功率；

偏振分集相干平衡探测器，其用于：将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

优选的，所述扫频单元具体用于：

通过对扫频时间t_la、扫频范围F_la或扫频速度V_la的设置，使激光器的频率在一个周期内产生等间隔频移Δf_la，并发出含有N个频率的连续光；

设激光器初始频率为f₀，周期为T，则有t_la＝T，V_la＝F_la/t_la，F_la＝(N-1)×Δf_la，相邻光频之间对应的时间间隔为

在周期T内使激光器由初始频率f_la0依次快速切换到f_la1、f_la2、…、f_la(N-1)，其表达式如下：

优选的，所述可调移频器具体用于：

通过对扫频时间t_{fre_sh}、扫频范围F_{fre_sh}或扫频速度V_{fre_sh}的设置，使收到的N个频率的连续光在一个周期内产生等间隔频移Δf_{fre_sh}，相邻光频之间对应的时间间隔为Δτ；

设周期为T，则有t_{fre_sh}＝T，V_{fre_sh}＝F_{fre_sh}/t_{fre_sh}，F_{fre_sh}＝(N-1)×Δf_{fre_sh}，将频率为f_{fre_sh0}、f_{fre_sh1}、f_{fre_sh2}、…、f_{fre_sh(N-1)}的探测连续光输出给声光调制器，其表达式如下：

…

优选的，所述系统还包括填充光源、填充光源声光调制器和合波模块；

所述填充光源用于：发出单频填充光脉冲；

所述填充光源声光调制器用于：将填充光源发出的光调制为与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲，并发送至合波模块；

所述合波模块用于：将多频探测光脉冲与单频填充光脉冲合波后，输出到光放大器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明能够实现损耗与扰动事件的同步监测，通过对多频信号的探测与同步接收，能够提升COTDR系统的测量速度，同时通过选取间隔一段时间的多频探测曲线进行累加平均，能够抑制光纤链路损耗曲线的相干衰落噪声，避免了待测光纤中的衰减、连接处反射等事件被相干衰落噪声淹没，提升了监测事件识别率以及COTDR曲线的探测动态范围，增加了可监测距离。同时，本发明通过发射N个频率的探测光脉冲以及对获得的多个频率的中频信号进行独立测量，将扰动事件的探测频率范围能够提升N倍。

附图说明

图1为本发明实施例的用于损耗与扰动事件同步监测的增强型COTDR系统结构图示意图；

图2为本发明实施例的用于损耗与扰动事件同步监测的增强型COTDR系统结构图示意图；

图3为本发明实施例的用于长距离海缆损耗与扰动事件同步监测的增强型COTDR系统结构图示意图；

图4为本发明实施例的海缆监测系统中多频探测光与填充光的互补光脉冲示意图；

图5为本发明实施例的时间内获得的M条COTDR曲线包络信息累加平均示意图；

图6为本发明实施例的单频探测光脉冲与多频探测光脉冲获得的COTDR损耗曲线示意图；

图7为本发明实施例的扰动事件监测结果示意图；

图8为本发明实施例的扩大扰动事件探测频率范围示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法，包括以下步骤：

通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

作为优选的实施方式，对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号，具体包括以下步骤：

通过耦合器接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光；

通过可调移频器将N个频率的探测光再次在一个周期内产生等间隔频移；

通过声光调制器将频移后的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量，通过光放大器进行光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，将信号放大后的背向散射信号输出至偏振分集相干平衡探测器；

通过偏振分集相干平衡探测器将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

本发明实施例还提供一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法，包括以下步骤：

通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

向光纤注入与探测光脉冲在时域和功率上互补的填充光脉冲，将探测光脉冲与填充光脉冲进行合波处理；

对合波处理后的N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

作为优选的实施方式，向光纤注入与探测光脉冲在时域和功率上互补的填充光脉冲，将探测光脉冲与填充光脉冲进行合波处理，对合波处理后的N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号，具体包括以下步骤：

通过耦合器接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光；

通过可调移频器将N个频率的探测光再次在一个周期内产生等间隔频移；

通过第一声光调制器将频移后的N个频率的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量；

通过第二声光调制器将填充光源发出的光调制为与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲；

通过合波模块将第一声光调制器发出的多频探测光脉冲与第二声光调制器发出的单频填充光脉冲进行合波处理；

通过光放大器进行光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，将信号放大后的背向散射信号输出至偏振分集相干平衡探测器；

通过偏振分集相干平衡探测器将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

如图2所示，本发明实施例提供一种用于损耗与扰动事件同步监测的增强型COTDR系统，包括：

光脉冲发射模块，其用于：通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

光脉冲接收模块，其用于：对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

数据采集处理模块，其用于：采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

光脉冲发射模块包括激光器和扫频单元：

所述激光器，为窄线宽可调激光器，产生窄线宽连续光，与第一耦合器相连；

所述扫频单元，具有快速扫频功能，受控于控制中心，同步调节激光器的频率，能够在短时间内切换激光器的输出光频率。通过对扫频时间t_la、扫频范围F_la或扫频速度V_la的设置，使激光器的频率在一个周期内产生等间隔频移Δf_la，实现在一个周期内发出含有N个频率的连续光，相邻光频之间对应的时间间隔为

假设激光器初始频率为f₀，周期为T，则有t_la＝T，V_la＝F_la/t_la，F_la＝(N-1)×Δf_la，即通过扫频设置，可以在周期T内使激光器由初始频率f_la0依次快速切换到f_la1、f_la2、…、f_la(N-1)，且有

光脉冲接收模块包括：第一耦合器、可调移频器、编码控制器、光放大器、环形器、小信号放大器和偏振分集相干平衡探测器；

所述第一耦合器，为1×2耦合器，将产生的含有N个频率的连续光分成两路，一路作为探测光，传输至声光调制模块，另一路作为本振光，传输至第二耦合器；

所述可调移频器，将第一耦合器输出的多频探测连续光再进行一次线性移频，通过对扫频时间t_{fre_sh}、扫频范围F_{fre_sh}或扫频速度V_{fre_sh}的设置，使其在一个周期内产生等间隔频移Δf_{fre_sh}，相邻光频之间对应的时间间隔为Δτ。若周期为T，则有t_{fre_sh}＝T，V_{fre_sh}＝F_{fre_sh}/t_{fre_sh}，F_{fre_sh}＝(N-1)×Δf_{fre_sh}，即通过扫频设置，可以得到频率为f_{fre_sh0}、f_{fre_sh1}、f_{fre_sh2}、…、f_{fre_sh(N-1)}的探测连续光输出给声光调制器，其表达式如下：

…

所述编码控制器，通过控制声光调制器，利用频移键控编码，将来自可调移频器的多频探测连续光调制成光脉冲序列P₀、P₁、P₂、…、P_N-1。使用声光调制器除了能够获得高消光比的探测脉冲信号，还能够对产生的探测光脉冲附加固定的频移量Δf，因此，经过该声光调制模块后的光脉冲序列的频率分别为f_{fre_sh0}+Δf、f_{fre_sh1}+Δf、f_{fre_sh2}+Δf、…、f_{fre_sh(N-1)}+Δf，且脉冲间隔为Δτ。

所述光放大器，优选地选用掺饵光纤放大器EDFA，用于将声光调制模块输出的脉冲光信号进行放大，并将放大后的信号传输至环形器；

所述环形器，用于将声光调制器探测脉冲序列耦合进待测光纤，同时接收返回的背向散射信号，并将其传输给耦合器4；

所述小信号放大器，优选地选用预放型掺饵光纤放大器Pre_EDFA，以提升背向散射信号的功率；

所述偏振分集相干平衡探测器，将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态(P偏振态和S偏振态)分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收，并将其转化为电信号，探测得到含有N个频率的两个偏振态中频信号，其表达式如下：

经过平衡探测器后，

所述数据采集与处理模块，对来自偏振分集相干平衡探测器的两态N个频率的中频信号进行采集和数据处理。一方面，通过对获得的两态多频中频信号分别进行累加平均再相加，获得用于损耗监测的COTDR曲线，另一方面，由于偏振态的影响，在各个位置获得的两态信号有强有弱，通过动态选取任意位置处任意时刻两个偏振态信号中较强的信号，进行相应的相位解调，从而获得用于振动信号监测的相位敏感检测OTDR曲线(简称Φ-OTDR曲线)。在本发明实施例中，通过对多频信号的探测与同步接收，能够提升COTDR系统的测量速度，同时通过选取间隔一段时间的多频探测曲线进行累加平均，能够抑制光纤链路损耗曲线的相干衰落噪声，提升其探测动态范围；另一方面，通过对获得的多个频率的中频信号进行独立测量，并进行相应的相位解调算法处理，能够扩大系统的探测频率范围。从而实现光纤链路损耗与扰动事件的同步监测；

所述控制中心，用于实现扫频单元、编码控制器以及数据采集与处理模块的时钟同步。

对于扰动信号的探测，无扰动下光时域反射仪的输出信号是稳定的，而在扰动发生时，扰动位置光纤发生周期性变化，使的光时域反射计的输出信号在对应位置发生周期性抖动，提高了脉冲的重复频率，从而增大了响应频率的范围。下面公式中Fmax为最大响应频率，fr为重复频率，Vg为光在光线中速度，L是测试系统光纤长度。

本发明实施例通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲，从而使得光脉冲间隔不受限制。由上述公式(3)可以看出，重复频率fr与为最大响应频率Fmax成正比，通过发射N个频率的探测光脉冲以及对获得的多个频率的中频信号进行独立测量，能够实现将扰动事件的探测频率范围能够提升N倍。

如图3所示，本发明实施例还提供一种用于超长距离海缆损耗与扰动事件同步监测的增强型COTDR系统，其中实线为光信号链路，虚线为电信号链路。

在COTDR超长距离海缆监测系统中，为了避免单个探测脉冲在级联EDFA放大中引起瞬态效应，产生光浪涌现象，通常需要引入填充光，向光纤注入与探测脉冲光在时域和功率上互补的光脉冲，使EDFA感受到功率相同的连续输入信号，从而避免光浪涌的产生。如图2所示，本发明实施例提出的用于超长距离海缆损耗与扰动事件同步监测的增强型COTDR系统结构包括：探测光源、扫频单元、第一耦合器、可调移频器、第一声光调制器、填充光源、第二声光调制器、编码控制器、合波模块、光放大器、环形器、光学滤波器、小信号放大器、第二耦合器、偏振分集平衡探测模块、数据采集与处理模块、待测光缆、扰动事件发生装置，以及控制中心。

如图3所示，系统的探测光源采用中心波长为1550nm、线宽为10kHz的窄线宽可调激光器，扫频单元受控于控制中心，同步调节激光器的频率，在短时间内切换激光器的输出光频率。第一耦合器采用90:10的1×2耦合器，90％的一路作为探测光，10％一路作为本振光。扫频单元受控于控制中心，同步调节激光器的频率，在短时间内切换激光器的输出光频率。通过对扫频时间t、扫频范围F或扫频速度V的设置，使激光器的频率在一个周期内产生等间隔频移Δf_la，实现在一个周期内发出含有N个频率的连续光。探测光一路利用可调移频器首先将将第一耦合器输出的多频探测连续光再进行一次线性移频，使其在一个周期内产生等间隔频移Δf_{fre_sh}，得到频率为f_{fre_sh0}、f_{fre_sh1}、f_{fre_sh2}、…、f_{fre_sh(N-1)}的探测连续光输出给第一声光调制器。通过编码控制器的频移键控编码控制第一声光调制器，将将来自可调移频器的多频探测连续光调制成光脉冲序列P₀、P₁、P₂、…、P_N-1。使用声光调制器除了能够获得高消光比的探测脉冲信号，还能够对产生的探测光脉冲附加固定的频移量Δf，因此，经过该声光调制模块后的光脉冲序列的频率分别为f_{fre_sh0}+Δf、f_{fre_sh1}+Δf、f_{fre_sh2}+Δf、…、f_{fre_sh(N-1)}+Δf，且脉冲间隔

填充光部分通过编码控制器驱动第二声光调制器，产生与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲，多频探测光与填充光的互补光脉冲示意图如图4所示。

本发明实施例中待测光缆以22km为例，即待测光缆1为20km，待测光缆2为2km。探测光第一声光调制器的单脉冲宽度为100ns，周期为400us。本实验以线性扫频为例，设置扫频速度V＝20M/s，扫频范围F＝3G，即扫频时间t＝150s，在时间t内，探测光源的频率随时间线性频移了3G。可调移频器选用可调节频率范围为150M的随时间可调移频器，使其在一个周期内产生随时变化的线性频移。填充光源采用中心波长为1561nm的激光器，第一声光调制器和第二声光调制器分别选用40MHz和200MHz的AOM。探测光一路经过移频器后通过编码控制器驱动第一声光调制器产生多频探测光脉冲，并且引入了40MHz的频移。填充光一路通过编码控制器驱动第二声光调制器产生单频填充光脉冲，并且引入了200MHz的频移。

合波模块可选用耦合器或波分复用器，将多频探测光脉冲与单频填充光脉冲合波后，注入到光放大器EDFA，再经环形器注入到待测光缆中。经环形器返回的背向散射光信号首先利用光学滤波器滤除填充光脉冲产生的背向散射信号，再利用小信号放大器的预放型EDFA对多频探测光脉冲产生的背向散射信号进行放大，提升其信号功率。

为了验证系统的性能，实验中在待测光缆1与待测光缆2之间接入扰动事件发生装置，用于模拟外部振动事件的产生。偏振分集相干平衡探测器，将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态(P偏振态和S偏振态)分别进行相干接收，并将其转化为电信号，获得含有N个频率的两个偏振态中频信号。最后利用数据采集与处理模块对其进行采集和数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的相位敏感检测OTDR曲线(简称Φ-OTDR曲线)。控制中心，用于实现扫频单元、编码控制器以及数据采集与处理模块的时钟同步。

如图5所示，为时间t内获得的M条COTDR曲线包络信息累加平均示意图。由图5可以看到，由于不同时刻不同频率脉冲产生的背向散射曲线的相干衰落噪声不同，通过对时间t内获得的M条曲线进行累加平均，能够大大降低其相干衰落噪声。

如图6所示，为单频探测光脉冲与多频探测光脉冲获得的COTDR损耗曲线，平均次数为65536次，由图可以看出，单频探测光脉冲获得的COTDR曲线波动范围为8.97dB，通过扫频设置以及利用频移键控脉冲机制产生的多频探测光脉冲获得的COTDR曲线波动范围降至1.01dB，大大降低了其相干衰落噪声，提升了其动态范围。此外，由图中可以看到，20km待测光缆1之后的反射和损耗事件，在单频探测光脉冲情况下被噪声淹没，而在多频探测光脉冲情况下能够非常清晰地识别出来。

如图7所示，为扰动事件监测结果。本实施例中，扰动事件发生装置施加了100Hz的正弦信号用于模拟外部扰动事件。其中图7(a)为扰动事件发生装置附近包络瀑布图，图中虚线框区域可以看到有规律的周期性信号，同时无扰动事件区域瀑布图无明显变化。图7(b)为通过差分运算等处理获得的光缆中振动位置信息，实现了扰动事件的监测定位。

如图8所示，为本发明实施例以3个频率脉冲为例，扩大扰动事件探测频率范围示意图，其中图8(a)为3个频率探测脉冲光的时间能量曲线图，图中数字1、2、3分别代表其中一个频率脉冲，图8(b)、(c)、(d)为单个频率脉冲获得的振动恢复结果图，图8(e)为利用插值算法扩频后获得的振动恢复结果图。可以看到，通过插值算法扩频后，系统的探测频率范围扩大了3倍。即，当有N个频率的探测脉冲时，系统的探测频率范围能够提升N倍。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；具体包括：N个频率连续光分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光，将N个频率的探测光在一个周期内产生等间隔频移后调制成光脉冲序列，再附加固定的频移量后，通过环形器输出至待测光纤；接收返回的背向散射信号，放大后与本振光的两个偏振态分别进行相干，分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号，具体包括以下步骤：

通过耦合器接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光；

通过可调移频器将N个频率的探测光再次在一个周期内产生等间隔频移；

通过声光调制器将频移后的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量，通过光放大器进行光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，将信号放大后的背向散射信号输出至偏振分集相干平衡探测器；

通过偏振分集相干平衡探测器将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

3.一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

向光纤注入与探测光脉冲在时域和功率上互补的填充光脉冲，将探测光脉冲与填充光脉冲进行合波处理；具体包括：N个频率连续光分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光，将N个频率的探测光在一个周期内产生等间隔频移后，调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量，将填充光源发出的光调制为与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲，将附加固定的频移量的光脉冲信号与单频填充光脉冲进行合波处理；

对合波处理后的N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；具体包括：光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，放大后与本振光的两个偏振态分别进行相干，分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，向光纤注入与探测光脉冲在时域和功率上互补的填充光脉冲，将探测光脉冲与填充光脉冲进行合波处理，对合波处理后的N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号，具体包括以下步骤：

通过耦合器接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光，另一路作为本振光；

通过可调移频器将N个频率的探测光再次在一个周期内产生等间隔频移；

通过第一声光调制器将频移后的N个频率的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量；

通过第二声光调制器将填充光源发出的光调制为与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲；

通过合波模块将第一声光调制器发出的多频探测光脉冲与第二声光调制器发出的单频填充光脉冲进行合波处理；

通过光放大器进行光脉冲信号放大后，通过环形器输出至待测光纤，接收返回的背向散射信号，将信号放大后的背向散射信号输出至偏振分集相干平衡探测器；

通过偏振分集相干平衡探测器将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

5.一种用于损耗与扰动事件同步监测的COTDR系统，其特征在于，包括：

光脉冲发射模块，其用于：通过时分复用结合频分复用，使激光器在一个周期内产生N个频率的探测光脉冲；

光脉冲接收模块，其用于：对N个频率的探测光脉冲进行探测与同步接收，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号；

数据采集处理模块，其用于：采集N个频率的两个偏振态中频信号，进行数据处理，分别获得用于损耗监测的COTDR曲线，以及用于振动信号监测的OTDR曲线；

所述光脉冲接收模块包括：

耦合器，其用于：接收激光器发出的N个频率连续光并分成两路，一路作为探测光传输至可调移频器，另一路作为本振光传输至偏振分集相干平衡探测器；

可调移频器，其用于：将收到的N个频率的连续光在一个周期内产生等间隔频移，将频移后的连续光输出给声光调制器；

声光调制器，其用于：将接收的N个频率的连续光调制成光脉冲序列，对产生的光脉冲信号附加固定的频移量，传输至光放大器；

光放大器，其用于：将声光调制器输出的光脉冲信号放大，并将放大后的光脉冲信号传输至环形器；

环形器，其用于：将光放大器输出的光脉冲序列耦合进待测光纤，接收返回的背向散射信号，并将其传输给小信号放大器；

小信号放大器，其用于：提升背向散射信号的功率；

偏振分集相干平衡探测器，其用于：将经过小信号放大器放大后的背向散射光信号与本振光的两个偏振态分别进行相干，采用两路高速低噪声平衡探测器分别接收并转化为电信号，得到含有N个频率的两个偏振态的中频信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光脉冲发射模块包括扫频单元和激光器；

所述扫频单元用于：切换激光器的输出光频率，使激光器的频率在一个周期内产生等间隔频移；

所述激光器用于：在扫频单元控制下，发出N个频率的连续光。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述扫频单元具体用于：

通过对扫频时间t_la、扫频范围F_la或扫频速度V_la的设置，使激光器的频率在一个周期内产生等间隔频移Δf_la，并发出含有N个频率的连续光；

设激光器初始频率为f₀，周期为T，则有t_la＝T，V_la＝F_la/t_la，F_la＝(N-1)×Δf_la，相邻光频之间对应的时间间隔为

在周期T内使激光器由初始频率f_la0依次快速切换到f_la1、f_la2、…、f_la(N-1)，其表达式如下：

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述可调移频器具体用于：

通过对扫频时间t_{fre_sh}、扫频范围F_{fre_sh}或扫频速度V_{fre_sh}的设置，使收到的N个频率的连续光在一个周期内产生等间隔频移Δf_{fre_sh}，相邻光频之间对应的时间间隔为Δτ；

设周期为T，则有t_{fre_sh}＝T，V_{fre_sh}＝F_{fre_sh}/t_{fre_sh}，F_{fre_sh}＝(N-1)×Δf_{fre_sh}，将频率为f_{fre_sh0}、f_{fre_sh1}、f_{fre_sh2}、…、f_{fre_sh(N-1)}的探测连续光输出给声光调制器，其表达式如下：

…

9.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述系统还包括填充光源、填充光源声光调制器和合波模块；

所述填充光源用于：发出单频填充光脉冲；

所述填充光源声光调制器用于：将填充光源发出的光调制为与探测光在时序上互补的单频填充光脉冲，并发送至合波模块；

所述合波模块用于：将多频探测光脉冲与单频填充光脉冲合波后，输出到光放大器。

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