CN114485748B - 一种多参量分布式光纤传感的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种多参量分布式光纤传感的方法和系统。主要包括：将窄线宽激光光源的出射光分为第一直流光和第二直流光；将第一直流光调制为脉冲光，同时将第二直流光进行调制后生成混合光；脉冲光在待测光纤中产生的后向散射光和混合光相互干涉后生成干涉光；对干涉光进行滤波；对滤波后的干涉光进行频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射中一项或多项的频谱数据，根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量。本发明使得需进行频谱分析的多个散射的频率值都处于一个较低较窄的频率范围之内，无需使用高频宽频域的采样和频谱分析设备，降低了采样和频谱分析的难度和成本。

Description

一种多参量分布式光纤传感的方法和系统

【技术领域】

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种多参量分布式光纤传感的方法和系统。

【背景技术】

分布式光纤传感是对沿光纤传输路径上的随时间和空间分布变化信息进行测量或监控的分布式光纤探测技术。它将传感光纤沿探测线路排布，可以同时获得被测沿线上的随时间和空间分布变化的物理量信息，被广泛应用于长距离线路监测。

在工程上应用的分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感两类。其中，散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三类。基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测振动与声音信号，基于拉曼散射的光纤传感技术工程上主要用于温度的测量，而基于布里渊散射的光纤传感技术工程上主要用于应变与温度的双参数测量。所以基于不同类型散射光的光学效应传感检测，可以获得光纤温度、振动、应变等不同的物理参量。

在实际监测中，外部事件往往是由温度、振动、应变等多种因素共同作用所造成的，但目前的分布式光纤传感技术一般只能测量一种散射光，即只能对有限的参量实现测量，若只采用单一参量对事件进行监测，只能够反映一种因素，常常会导致较高的误报率和漏报率，局限性很大，且多个参量之间往往还存在交叉敏感的问题。这不仅难以实现对潜在事故的报警，而且给工程应用推广带来困难。

现有的融合型分布式光纤传感系统，如布里渊光时域反射仪(Brillouin opticaltime-domain reflectometer，简写为BOTDR)与拉曼光时域反射仪(Raman optical time-domain reflectometer，简写为ROTDR)的融合系统，实现了温度和应变的同时测量。但是，这种系统在多参量传感上的尝试仍然存在一些问题，不能同时集成包括基于瑞利散射的振动传感在内的三种散射类型的多参量传感，各参量的测量过程互相干扰会造成测量的准确性较低，传感系统内部光路复杂，服务于各种单参量子系统的光纤耦合器插入损耗过大，叠加的单参量传感子系统导致实际总体系统成本较高，同时分析多个频谱时频域过宽的问题。

鉴于此，如何克服现有单参量、多参量光纤传感技术所存在的缺陷，解决多参量光纤传感应用中设备集成度低、插入损耗大、成本过高的现象，是本技术领域待解决的问题。

【发明内容】

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明解决了同时获取并分析传感光纤上的多物理参量时集成度低、插入损耗大、成本过高的问题。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种多参量分布式光纤传感的方法，具体为：将窄线宽激光光源的出射光分为第一直流光和第二直流光；将第一直流光调制为脉冲光，同时将第二直流光进行调制后生成混合光，其中，混合光的频率根据出射光在待测光纤中的后向散射光频率，以及进行频谱分析时瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定；脉冲光在待测光纤中产生的后向散射光和混合光相互干涉后生成干涉光，干涉光中瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射的频率对应各自的预设目标频率值；对干涉光进行滤波，去除干涉光中除超过预设频宽范围内频率的光信号；对滤波后的干涉光进行频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射中一项或多项的频谱数据，根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量。

优选的，将第二直流光进行调制后生成混合光，具体包括：获取后向散射光的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率中至少一项；以后向散射光的原始频率作为瑞利散射调制频率；根据后向散射光的布里渊散射频率和布里渊散射的预设目标频率值之差计算布里渊散射调制频率；根据后向散射光的拉曼散射频率和拉曼散射的预设目标频率值之差计算拉曼散射调制频率；根据瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率拉曼散射调制频率中至少一项生成混合光中的光信号。

优选的，获取后向散射光的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率中至少一项，具体包括：切断混合光的光路；获取后向散射光原始频率；根据原始频率计算布里渊散射频率和/或拉曼散射频率。

优选的，根据瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率和拉曼散射调制频率中至少一项生成混合光中的光信号，具体包括：当所需的频谱分析结果包含瑞利散射的频谱数据时，混合光中包含频率为瑞利散射调制频率的光信号；当所需的频谱分析结果包含布里渊散射的频谱数据时，混合光中包含频率为布里渊散射调制频率的光信号；当所需的频谱分析结果包含拉曼散射的频谱数据时，混合光中包含频率为拉曼散射调制频率的光信号。

优选的，去除干涉光中超过预设频宽范围内频率的光信号，具体包括：预设频宽范围根据瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。

另一方面，本发明提供了一种多参量分布式光纤传感的系统，具体为：包括：窄线宽激光器、第一耦合器、半导体光放大器，脉冲信号源、掺饵放大器、环形器、电光调制器、微波源、光开关、第二耦合器、光电探测器、电频谱分析仪和处理器，具体的：窄线宽激光器作为激光光源产生出射光；出射光进入第一耦合器分为第一直流光和第二直流光；第一直流光进入半导体光放大器，脉冲信号源产生的脉冲信号输入至半导体光放大器，将第一直流光调制为脉冲光，脉冲光经掺饵放大器放大后，通过环形器进入待测光纤产生后向散射光；第二直流光进入电光调制器，微波源根据瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率和拉曼散射调制频率中至少一项产生调制信号，调制信号输入至电光调制器，将第二直流光进行调制后生成混合光；混合光经光开关进入第二耦合器，与后向散射光在第二耦合器处生成干涉光；干涉光由光电探测器转换为电信号后进入电频谱分析仪，电频谱分析仪根据脉冲信号源产生的触发信号启动电频谱分析仪的频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射中一项或多项的频谱数据；处理器与电频谱分析仪的数据端口连接，用于获取频谱数据，并根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量。

优选的，光电探测器的工作频宽范围根据瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。

优选的，处理器与电频谱分析仪的控制端口连接，用于设定电频谱分析仪的工作扫描范围，其中，工作扫描范围为电频谱分析仪的设备扫描范围中的至少一个区间，工作扫描范围根据瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。

优选的，还包括：处理器与微波源连接，用于设置微波源的工作参数，以便于微波源根据工作参数产生混合电信号，混合电信号将第二直流光转换为混合光。

优选的，还包括：处理器与光开关的控制引脚连接，用于控制光开关的连通与关断。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：通过混合光对后向散射光的干涉，使需要进行频谱分析的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的频率值降低至预设目标频率值附近，避免了对后向散射光中原有的多个位于不同频段的高频信号进行直接采样和频谱分析，并通过滤波进一步减少需采样分析的光信号频率，使得需进行频谱分析的多个散射的频率值都处于一个较窄的频率范围之内，能够仅使用一台工作频率范围较窄的采样设备进行采样，一台工作频率范围较窄的频谱分析设备进行频谱分析，而无需使用多个采样和频谱分析设备，也无需使用宽频域的采样和频谱分析设备，进一步降低了采样和频谱分析的难度和成本。

另一方面，本发明还提供了一种多参量分布式光纤传感的系统，能够同时通过单一设备采集多种散射光的传感数据，并通过单一设备进行频谱分析，系统集成度高，在散射光后向回路上未使用波分器件，降低了总体的插入损耗。且多种散射光共用待测光纤介质，使得对检测到的多种物理参量进行空间上的横向关联成为可能，本发明在地震研究等领域具有较高的实用价值。另外,本发明通过光开关控制光信号干涉行为和原始频率采集方法，缩短了系统的在野外的部署周期，同时也提高系统对多种物理参量的测量精度。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多参量分布式光纤传感的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种多参量分布式光纤传感的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种多参量分布式光纤传感的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的一种多参量分布式光纤传感的系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种多参量分布式光纤传感的系统测量时进行混合光调制的方法流程图。

【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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1：

在进行光纤传感测量时，由于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三类散射光在传感光纤中返回的后向散射光中通常为高频信号，且频率间隔较大。例如，在测试光源频率为192.100THz的场景中，由待测光纤产生的后向散射光中，瑞利散射光信号频率约为192.100THz、布里渊散射光信号频率约为192.100THz+0.011THz、拉曼散射光信号频率约为192.100THz+14.000TH z，频率数量级为THz，频率范围宽度为13.9THz。若同时对三种散射进行采样和频谱分析，对于采样设备和频谱分析设备的性能和工作频率范围要求都非常高，造成采样困难、采样精确度低、设备成本高等问题。为了将三种散射的频率和频宽范围降低至易于采样分析的程度，并能够适应不同光源及不同传感测量场景的需要，本实施例提供了一种多参量分布式光纤传感的方法。

如图1所示，本发明实施例提供的多参量分布式光纤传感的方法具体步骤如下：

步骤101：将窄线宽激光光源的出射光分为第一直流光和第二直流光。

在本实施例提供的方法中，通过干涉的方式降低需要进行频谱分析的三种散射光的频率。为了快速简便的产生干涉光的光源，可以将窄线激光光源的出射光进行分光。分光后的第一直流光作为测量光源进入待测光纤，产生后向散射光作为传感信号。分光后的第二直流光被调制为指定频率的混合光后对后向散射光进行干涉。

在分布式光纤传感的实际使用中，需要对多个频率的光信号进行单独的解析，以获取相应的传感数据，为了便于对不同频率的光信号进行分离，本方案中使用窄线宽激光光源作为激光光源。窄线宽激光光源相对于其它激光光源具有更好的单色性，即非指定频率的光信号更少，便于逐个频率下散射光信号的分离，以及产生用于干涉的混合光时对频率的调整。

进一步的，在进行分光时，由于后向散射光的光强度远小于测量光源，为了确保后向散射光的光强度，避免因光强度过低导致信噪比过大，因此需要尽可能保证第一直流光具有尽量高的光强度，而第二直流光直接被调制后进行使用，损耗相对于第一直流光较少，因此可以分配较小的光强度。但是，另一方面，在对第二直流光进行调制时，调制器件或光路上其它器件可能会造成插入损耗，因此第二直流光的光强度也不应过低。在实际使用中，出射光功率的分光比可以使用第一直流光90:第二直流光10。

步骤102：将第一直流光调制为脉冲光，同时将第二直流光进行调制后生成混合光。

为了进行分布式光纤传感测量，需要使用脉冲光作为测量光信号，单一的光脉冲信号产生的后向散射光中各散射光频谱数据中的时域信息，可以与待测光纤上不同位置出现的传感信号的空间信息相互对应，完成分布式传感测量。进行调制时，脉冲光频率越大，测量信号间隔时间越短，传感测量效率越高；但相对的，若脉冲光频率过大，后向散射光的光信号可能产生时间重叠，导致不易区分，在实际使用中，脉冲光信号通常不超过1000Hz。

另一方面，后向散射光中包含了瑞利散射、布里渊散射以及拉曼散射三种不同频率的散射光信号，在进行干涉降频时，需要针对每一种散射光信号的频率生成相应的光信号进行干涉降频。本实施例中，根据测量的实际需要，将第二直流光调制为包含一种或多种频率的混合光，混合光中的每个频率对应后向散射光中的一种散射光的干涉频率。混合光的频率根据出射光在待测光纤中的后向散射光频率，以及进行频谱分析时瑞利散射、布里渊散射或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。具体的，瑞利散射光的干涉信号为0到1MHz，布里渊散射光干涉信号为10～12GHz，拉曼散射光的干涉信号为14～15THz。通过采用不同的干涉频率进行干涉，可以将三种散射光有效的降频至不同预设目标频率值附近，对三种散射光的信号进行区分，简便准确的实现三种散射光信号的同时采样和测量。

步骤103：脉冲光在待测光纤中产生的后向散射光和混合光相互干涉后生成干涉光。

在步骤102中生成脉冲光和混合光后，脉冲光进入待测光纤产生后向散射光，此时后向散射光中每种散射光的频率，分别对应无振动情况下脉冲光的后向散射光中每种散射光的频率与待测光纤需要测量的振动信号频率的叠加值。后向散射光再通过与混合光相互干涉，后向散射光中的三种散射光分别被混合光中对应频率的光信号进行降频，产生降频后的干涉光。经过降频后，干涉光中瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的频率对应各自的预设目标频率值。使用干涉的方式对三种散射光进行降频，可以方便准确的将三种散射光的频率降低至便于采样和分析的预设目标频率值。在实际使用中，预设目标频率值越低，需要进行频谱分析的范围越窄，采样和分析设备的成本越低；但相反的，预设目标频率过低，会使信号的信噪比升高，影响测量的准确性。在实际使用中，需要根据使用场景测量精度的需要及实际测试数据对与预设目标频率值进行设置。

步骤104：对干涉光进行滤波，去除干涉光中超过预设频宽范围内频率的光信号。

步骤103生成的干涉光中，后向散射光中的三种不同频率的散射光，除了分别与混合光中和自身频率对应的光信号进行干涉之外，由于光信号干涉的特性，还会与混合光中不和自身频率对应的光信号进行干涉，即所有频率的光信号相互进行两两干涉。

在某个具体场景中，三种散射光信号频率分别为A、B、C，三种散射光信号在混合光中用于干涉的光信号频率分为a、b、c。当混合光中包含任一种散射光的频率对应的光信号a时，干涉光中包含3个频率的光信号Aa、Ba、Ca，其中Aa为相应散射光降频后的光信号，Ba、Ca为非相应散射光降频后的光信号；当混合光中包含任二种散射光的频率对应的光信号a、b时，干涉光中包含6个频率的光信号Aa、Ba、Ca、Ab、Bb、Cb，其中Aa和Bb为相应散射光降频后的光信号，Ba、Ca、Ab、Cb为非相应散射光降频后的光信号；当混合光中包含全部三种散射光频率对应的光信号a、b、c时，干涉光中包含9个频率的光信号Aa、Ba、Ca、Ab、Bb、Cb、Ac、Bc、Cc，其中Aa、Bb、Cc为相应散射光降频后的光信号，Ba、Ca、Ab、Cb、Ac、Bc为非相应散射光降频后的光信号。

干涉光中非相应散射光降频后的光信号不需要使用，且可能因无法降频而频率过高，因此可以通过滤波进行去除超过预设频宽范围内频率的光信号，以降低高频信号的干扰。在实际使用中，为了确保干涉光中需要使用的散射光对应的光信号都被保留，预设频宽范围根据瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。预设频宽范围至少需要包含瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射分别对应的预设目标频率值附近的频率范围，若范围过窄可能导致需要使用的光信号被过滤，导致测量错误；相对的，若范围过宽，会提高采样和分析器件的成本，也可能会导致高频信号未被充分过滤。

步骤105：对滤波后的干涉光进行频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射中一项或多项的频谱数据，根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量。

在步骤103进行降频和步骤104进行滤波后，干涉光信号中即包含了所需使用的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种散射光的任一种、任两种或全部三种光信号对应的低频光信号，通过频谱分析即可获取到所需的散射光的频谱数据。由于低频光信号的频谱数据可以通过成本较低的采样和分析设备进行获取，步骤103中的降频过程和步骤104中的滤波过程能够降低分布式光纤传感的实施成本，并减少了因高频光信号干扰而产生的测量噪声，提高传感测量精度。

获取到分析所需的散射光对应的频谱数据后，即可根据频谱数据获取到相应的物理参量，例如，使用瑞利散射的频谱数据获取振动与声音信号，使用拉曼散射的频谱数据获取温度的测量，使用布里渊散射的频谱数据获取应变与温度的双参数测量。在具体使用中，可以根据需要选取一个或多个散射光频谱数据解调出物理参量，相应的，在步骤102中将第二直流光进行调制后生成混合光，也应根据需要选取对应的光信号数量和频率进行调制。进一步的，在步骤103-步骤106中，后向散射光中的三种散射光信号都是同时被干涉、滤波，并在一个时钟周期内一次完成瑞利散射光、布里渊散射光以及拉曼散射光的频谱分析，所产生的频谱数据中每个时间点上各散射光的频谱数据相互对应，以获取到更好的频谱分析和解调效果。例如，在解调拉曼散射信号对应的温度参量时，拉曼散射信号采集的实时性更好，可以获得更好的拉曼散射温度解调精度。

经过本实施例中提供的步骤101-步骤105后，通过干涉、降频和滤波，对后向散射光中三种不同频率的散射光进行了很好的区分，并处于易于采样和分析的频率范围之内，达到了提高测量准确性、降低测量成本的效果。

在步骤102中，将第二直流光进行调制后生成混合光时，为了确保对后向散射光进行干涉后产生的干涉光中，各散射光都降低至预设目标频率值，需要根据后向散射光中瑞利散射光、布里渊散射光以及拉曼散射光的频率对混合光中相应的光信号的调制频率进行计算。具体的，如图2所示，可以通过以下步骤完成混合光的调制过程。

步骤201：获取后向散射光的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率中至少一项。

由于瑞利散射的频率与原始光信号的频率一致，因此获取后向散射光的原始频率即可获得后向散射光中瑞利散射的频率。

步骤202：以后向散射光的原始频率作为瑞利散射调制频率。

用于干涉的光信号与散射光的频率差值越小，所产生的干涉光的频率越低，瑞利散射的能量强度远高于另外两种散射光的能量强度，所以，可以使用原始频率的信号光对瑞利散射进行干涉，将瑞利散射干涉后的拍频信号的频率降到足够低。

步骤203：以后向散射光的布里渊散射频率和布里渊散射的预设目标频率值之差作为布里渊散射调制频率。

步骤204：以后向散射光的拉曼散射频率和拉曼散射的预设目标频率值之差作为拉曼散射调制频率。

相反的，对于拉曼散射和布里渊散射，由于强度远弱于瑞利散射的强度，信噪比较低，不能对干涉后的光信号进行大范围移频，所以，需要通过改变混合光中用于干涉的相应光信号的调制频率，使干涉后的光信号产生较小的频率降低。

步骤205：根据瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率和拉曼散射调制频率中至少一项生成混合光中的光信号。

根据步骤201-步骤204获取到混合光中对应各散射光的调制频率后，即可根据需要使用相应的调制频率分别生成一路光信号，并将光信号进行混合生成混合光。

通过步骤201-步骤205，即可完成混合光的调制和生成，产生出各散射光所对应的用于降频干涉的混合光信号。进一步的，在本实施例的具体试试过程中，由于步骤202-步骤204相互间不存在依赖关系，因此可以任意顺序执行，或同时执行。

在具体实施过程中，步骤203-步骤204中布里渊散射频率和拉曼散射频率的数值，可以根据脉冲光光源的频率进行理论计算，也可以在使用降频的测量方式之前先使用不降频的方式进行一次测量获取，或使用同一光源的历史测量数据。进一步的，在使用历史测量数据的情况下，为了避免频率漂移或扰动造成频率值改变，可以定期在扰动较少的情况下使用不降频的方式进行测量，以校准用于计算的散射光频率。

进一步的，在本实施例的实际使用中，由于后向散射光是脉冲光在待测光纤中直接生成，包含瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射全部三种散射光，在不同的光纤传感应用场景或相同光纤传感应用场景的不同监测阶段，由于需要测量的物理参量不同，对光纤传感的具体类型需求并不相同，可能会使用三种散射光中的任一种、任两种或全部三种。例如，在本实施例的某个具体实施场景中，在地震发生之前的光纤传感监测以振动与应变为主，所以混合光信号只需要覆盖布里渊散射频段和直流光原始频段，此时混合光信号中仅需包含2中频率的光信号，分别对应直流光原始频率与布里渊散射频率。由于混合光信号中不存在用于拉曼频段干涉的高频光信号，从而减少了瑞利散射频段与拉曼散射频段的干涉光信号分量，提高瑞利散射频段干涉光与拉曼散射频段干涉光信号的信噪比。在另一个具体实施场景中，不仅需要测量振动与应变，还需联合地表温度测量，需要使用拉曼散射的信号，混合光中需要包含3个频率的光信号，从而同时对三种散射光分别降频。

根据上述理由，在具体实施过程中，在步骤205生成混合光的过程中，可以根据实际需要选择瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率和拉曼散射调制频率中生成相应频率的光信号，具体的选择方式如下。

(1)当所需的频谱分析结果包含瑞利散射的频谱数据时，混合光中包含频率为瑞利散射调制频率的光信号。

(2)当所需的频谱分析结果包含布里渊散射的频谱数据时，混合光中包含频率为布里渊散射调制频率的光信号。

(3)当所需的频谱分析结果包含拉曼散射的频谱数据时，混合光中包含频率为拉曼散射调制频率的光信号。

在本实施例的具体实施场景中，可能符合上述(1)-(3)中的任1情况、任2情况或全部3种情况，在符合多种情况的场景中，根据实际需要生成每种情况对应频率的光信号，再将生成的光信号进行混合，即可获得用于干涉的混合光。

相应的，在步骤201中，获取原始光源的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率时，可以根据实际需要获取相应的频率，而无需在每种场景中都获取原始光源所有散射光的频率。同时，对于步骤202-步骤204，也可以不执行所有的步骤，而仅根据需要选择相应的步骤进行执行。

进一步的，在本实施例的某些具体场景中，可能会存在原始光源频率的改变，或后向散射光的频率漂移，或光源设备的频率一致性差等情况，为了更准确的获取到混合光中各光信号的调制频率，获得更好的干涉降频效果，在必要时，需要根据步骤201多次重新获取原始光源的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率。为了在不改变测量设备硬件结构的前提下方便快捷的获取所需频率，如图3所示，可以使用以下步骤。

步骤301：切断混合光的光路。

步骤302：获取后向散射光的原始频率。

步骤303：根据原始频率计算布里渊散射频率和拉曼散射频率。

切断混合光路后，避免了混合光对后向散射光的干涉，在步骤105中用于频谱分析的信号仅保留了后向散射光信号，因此，可以直接通过获取频谱分析结果获取后向散射光的原始频率。同时，由于瑞利散射的频率与原始频率相同，布里渊散射频率和拉曼散射频率与瑞利散射频率的差值固定，可以通过原始频率计算出布里渊散射频率和拉曼散射频率。因此，通过步骤301-步骤303，仅通过简单的光路通断控制，即可完成用于计算的各频率值，提高了本实施例提供的传感方法使用场景的灵活性和使用便捷性。

本实施例提供的多参量分布式光纤传感的方法，通过混合光对后向散射光的干涉，使需要进行频谱分析的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的频率值降低至预设目标频率值附近，避免了对后向散射光中原有的多个位于不同频段的高频信号进行直接采样和频谱分析，并通过滤波进一步减少需采样分析的光信号频率，使得需进行频谱分析的多个散射的频率值都处于一个较窄的频率范围之内，能够仅使用一台工作频率范围较窄的采样设备进行采样，一台工作频率范围较窄的频谱分析设备进行频谱分析，而无需使用多个采样和频谱分析设备，也无需使用宽频域的采样和频谱分析设备，进一步降低了采样和频谱分析的难度和成本。

实施例2：

根据实施例1提供的多参量分布式光纤传感的方法，本实施例中提供了某个具体实施场景中的实例。

该实施场景中，窄线宽激光光源的中心波长为1550nm，其对应频率约为192.100THz。该场景中需要使用全部三种散射光的频谱数据。

根据步骤101，将该光源的出射光分为第一直流光和第二直流光。

根据步骤102，将第一直流光调制为脉冲光，脉冲光进入待测光纤后产生后向散射光。根据步骤301-步骤303，可以方便的获取到三种散射光相应的频率如下：后向散射光的原始频率，即瑞利散射光信号频率，与出射光的频率相同，约为192.100THz。相应的，根据三种散射光的固定频率差计算可知，布里渊散射光信号频率约为192.100THz+0.011THz，拉曼散射光信号频率约为192.100THz+14.000THz。

根据步骤102，将第二直流光进行调制后生成混合光。在实际测量场景中，瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的干涉信号的频谱均有一定的宽度，为了避免测量时产生冲突，各频谱之间需要保持一定间隔，避免重叠。另一方面，对于同一个脉冲光信号，其后向散射光的瑞利散射频率最低，拉曼散射的频率值最高，布里渊散射的频率值居中，各散射的预设目标频率值也应遵循该相对大小关系。

根据上述原则，在具体实施过程中，各散射光对应的预设目标频率值可以设置在以下范围中。

(1)瑞利散射的使用最低的频段，为了尽可能为其它两种散射保留更多的频段空间，瑞利散射的干涉信号可以设定在0HZ附近。进一步的，由于待测振动信号的频谱与瑞利散射的频谱对应，为了便于计算，并且减少移频操作，瑞利散射的预设目标频率可以设置为0Hz。此时，降频后的瑞利散射对应的频率相当于振动信号的频率值。

(2)布里渊散射的干涉信号用于通过测量布里渊散射频移从而解调出应变参量，在实际测量中，布里渊散射频率的1GHz对应20000微应变，不同的应变量的频移跨度不同。在本系统中，需要根据实际测量场景中可能出现的应变参量范围进行设置，且与低频的瑞利散射保持一定间距，并为高频的拉曼散射预留出频率范围空间。进一步的，在实际使用中，为了尽可能降低三种散射整体的频率值，布里渊散射应在不与瑞利散射的频率范围冲突且满足应变测量量程的情况下，可以选择尽可能低和窄的频率范围。例如，在应变参量在180000微应变的实际使用场景中，可以将布里渊散射的预设目标频率值设置为10GHz。

(3)拉曼散射的频率最高，为了不超出设备性能范围，可以根据设备的性能范围进行设置。进一步的，由于拉曼散射的频谱很窄，在不缩减布里渊散射的应变测量量程的前提下，为了尽可能降低需测量的最高频率，从而降低测量设备的性能要求，减少测量设备的成本，在不与布里渊散射的频率范围冲突的情况下，可以尽量降低拉曼散射的预设目标频率值。例如，在布里渊散射的预设目标频率值为10GHz的场景中，可以将拉曼散射的干涉信号的频率移至20GHz附近。

在本实施例中，为了便于后续的描述和计算，三种散射光的预设目标频率值分别以0Hz、1GHz、100GHz为例进行说明。在具体试试场景中，可以根据测量信号的实际频率范围、测量设备的性能范围和实际测试结果等进行综合分析，按照上述原则和参考范围，对各散射光的预设目标频率值进行指定。

根据后向散射光中三种散射光的频率，以及预设目标频率值，混合光中各信号光频率的计算方法具体如下。

(1)根据步骤202，用于瑞利散射的干涉光频率保持在瑞利散射频率不变，在本实施例中，瑞利散射调制频率与为瑞利散射频率一致，即与脉冲光光源的频率一致，为192.100THz。

(2)根据步骤203，用于布里渊散射的干涉光频率为布里渊散射频率与布里渊散射的预设目标频率值之差，在本实施例中为(192.100THz+0.011THz)-1GHz＝(192.100THz+0.010THz)＝192.110THz，即加布里渊散射频率10GHz的移频。

(3)根据步骤204，用于拉曼散射的干涉光频率为后向散射光的拉曼散射频率和拉曼散射的预设目标频率值之差，在本实施例中为(192.100THz+14.000THz)-100GHz＝(192.100THz+13.900THz)＝206.000THz，即拉曼散射频率加13.9THz的移频。

根据步骤103及上述具体数据可以看出，后向散射光中的三种散射光被混合光中对应频率的光信号进行干涉后，根据光干涉理论，可以将三种散射光的频率分别降低至预设目标频率值0Hz、1GHz、100GHz附近。

由于后向散射光和混合光中分别包含3中不同频率的光信号，两两干涉后产生9个干涉光信号，除了三种散射光与对应的光信号：(192.100THz，192.100THz)、(192.100THz+0.011THz，192.110THz)、(192.100THz+14.000THz，206.000THz)之外，其他6个干涉光信号组合分别为：(192.100THz，192.110THz)、(192.100THz，206.000THz)、(192.100THz+0.011THz，192.100THz)、(192.100THz+0.011THz，206.000THz)、(192.100THz+14.000THz，192.100THz)、(192.100THz+14.000THz，192.110THz)，根据光干涉理论，这些频率组合的光信号在相互干涉后无法达到降频效果，生成的干涉光频率过高。根据步骤104，以需要使用的最低频率0Hz作为预设频宽范围的下限，以需要使用的最高频率100GHz作为预设频宽范围的上限，对无需使用的6个光信号进行滤波去除。

经上述过程后，干涉光中仅包含0Hz、1GHz、100GHz三种相对后向散射光中相应散射光频率较低的光信号，并且频率范围较窄，可以方便准确的使用成本较低的设备进行步骤105中的频谱分析和物理参量获取。

通过实施例2中在具体实施场景中的实例可知，实施例1中提供的多参量分布式光纤传感确实可以解决现有多参量光纤传感应用中设备成本低，插入损耗大等问题。并能够快速简便的获取到后向散射光中各散射光的频率，据此对混合光中各光信号的频率进行调制，以适应不同场景下传感测量的需要。

实施例3：

在上述实施例1至实施例2提供的多参量分布式光纤传感的方法的基础上，本发明还提供了一种可用于实现上述方法的多参量分布式光纤传感的系统。使用该系统，可以快速准确低成本的完成实施例1或实施例2中提供的多参量分布式光纤传感的方法。本实施例中各部件的选择及连接关系描述仅为一组可选实例，在不违背本实施例原理的基础上，可以根据实际需要选择具体的器件和连接方式。

如图4所示，是本发明实施例的系统结构示意图。其中，具体包括：窄线宽激光器、第一耦合器、半导体光放大器，脉冲信号源、掺饵放大器、环形器、第二耦合器、光电探测器、电频谱分析仪、电光调制器、微波源、光开关和处理器。

窄线宽激光器作为步骤101中的窄线宽激光光源产生出射光。窄线宽激光器具有更好的单色性，便于对各不同频率的散射光信号的分离，并能够提高干涉光频率的准确度。

根据步骤101，出射光进入第一耦合器分为第一直流光和第二直流光。

根据步骤102，第一直流光进入半导体光放大器，脉冲信号源产生的脉冲信号输入至半导体光放大器，将第一直流光调制为脉冲光，以满足分布式传感的需要。脉冲光通过环形器进入待测光纤产生后向散射光。为了提高脉冲光信号的强度，脉冲光还需要经过掺饵放大器放大。

根据步骤102，第二直流光进入电光调制器，微波源根据瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率和拉曼散射调制频率中至少一项产生调制信号，调制信号输入至电光调制器，将第二直流光进行调制后生成混合光。在具体实施中，调制信号具体数量和具体参数值，根据步骤201-步骤205中计算得到的各散射光相应的调制频率确定。在具体实施过程中，为了便于对微波源的工作参数进行调整，使微波源快速的生成调制信号对第二直流光进行调制，处理器与微波源连接，用于设置微波源的工作参数，以便于微波源根据工作参数产生混合电信号，混合电信号将第二直流光转换为混合光。

在本实施例的具体实施场景中，当混合光中需要包含多个频率的光信号时，可以使用以下具体方式进行调制。(1)将第二直流光分光为所需频率数量的光信号，使用多个普通波形发生器分别对每一路分光后的光信号进行调制，将调制后的光信号耦合为混合光。该方式成本较低，但由于需要进行分光和耦合，产生的插入损耗较大，且由于多个波形发生器的设备误差，可能导致调制后的频率精度一致性较差。(2)使用任意波形发生器产生所有调制频率对应的调制信号，直接将第二直流光调制为所需的包含多种频率的混合光。该方式使用的任意波形发生器设备成品相对较高，但光路简单，并且调制后的频率更精确。

根据步骤103，混合光经光开关进入第二耦合器，与后向散射光在第二耦合器处生成干涉光。使用耦合器，可以方便的使后向散射光和混合光进行相互干涉，达到干涉降频的效果。

进一步的，在混合光的光路上设置光开关，可以方便的实现步骤301中对混合光光路的切断，方便快捷完成步骤302中获取后向散射光获取后向散射光的原始频率的功能，并能够在获取到相应数据后再次连通混合光的光路，使得传感系统在参数获取模式和实际测量模式之间快速切换，达到缩短系统的部署周期和提高系统测量精度的效果。在具体使用中，由于光开关仅承担简单的光路通断功能，因此可以使用最简单的1x1光开关。同时，为了便于对光路通断进行切换，处理器与光开关的控制引脚连接，用于控制光开关的连通与关断。

根据步骤105，干涉光由光电探测器转换为电信号后进入电频谱分析仪，电频谱分析仪根据脉冲信号源产生的触发信号启动电频谱分析仪的频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散和拉曼散射中一项或多项的频谱数据。在具体实施过程中，由于使用了脉冲光作为测量光信号，因此电频谱分析仪无需持续进行频谱分析，仅需根据脉冲光的发射频率作为一个时钟周期进行频谱分析即可，因此，脉冲信号源可以在每次进行脉冲光发射时产生一个触发信号，以触发电频谱分析仪启动一个时钟周期的散射信号频谱分析。获取频谱数据后，即可对频谱数据进行解调，获取传感测量所需的物理参量，处理器与电频谱分析仪的数据端口连接，用于获取频谱数据，并根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量。

进一步的，根据步骤104，对于干涉光还需要进行滤波。在具体实施过程中，可以根据需要择一或同时使用以下方式，使用光电器件的特性快速简便的完成滤波。(1)使用光电探测器进行滤波：光电探测器的工作频宽范围根据瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。(2)使用电频谱分析仪进行滤波：处理器与电频谱分析仪的控制端口连接，用于设定电频谱分析仪的工作扫描范围，其中，工作扫描范围为电频谱分析仪的设备扫描范围中的至少一个区间，工作扫描范围根据瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。在具体实施过程中，光电探测器和电频谱分析仪的工作扫描范围可以与步骤104中的预设频宽范围保持一致，或略大于预设频宽范围。通过处理器控制滤波器件的工作扫描范围，能够实时缩减或增加相应器件的扫描宽度，对干涉光中超出预设频宽范围的光信号进行快速有效的过滤。

进一步的，在本实施例的具体实施过程中，为了便于系统部署，使得系统中各设备的位置和距离更为灵活，并减小设备间的光路损耗，各设备间使用光纤作为光路介质。

通过上述过程可见，使用微波源和电光调制器可以方便的将第二直流光调制为所需频率的混合光，并通过第二耦合器完成后向散射光的干涉降频生成降频后的干涉光，再通过光电探测器和电频谱分析仪的滤波，进一步过滤了干涉光中无需使用的高频光信号，在进行频谱分析时仅需分析较窄频率范围内较低频率的光信号。由于电频谱分析仪频率范围越窄硬件成本越低，因此，通过本实施例中提供的系统，能够快速有效的实现干涉和滤波，显著降低电频谱分析仪的成本乃至系统总成本。

进一步的，在本实施例提供的系统中，由于处理器与电开关和电频谱分析仪连接，可以直接根据电频谱分析仪获取到的后向散射光中各散射光的频率，自动计算干涉所需的各信号光的频率，自动快速的对混合光进行调制。如图5所示，对应步骤301-步骤303，可以通过以下步骤完成调制过程。

步骤401：处理器关闭光开关。

光开关关闭后，混合光所在的干涉光路被切断，避免了混合光对后向散射光的干涉，仅有后向散射光一路光信号进入电频谱分析仪。因此，可以在不改变系统中其它部件设置和连接关系的情况下，快速方便的通过电频谱分析仪的数据获取后向散射光的原始频率。

进一步的，由于关闭光开关即表示由实际测量模式切换至参数获取模式，此时，处理器可以向后续需要使用的电频谱分析仪、微波源、电光调制器分别发送相应的控制信号，使其暂停测量数据的输出，接收处理器发送的相应工作参数完成调制频率的变更。

步骤402：处理器获取电频谱分析仪中后向散射光的原始频率，计算后向散射光的布里渊散射频率和拉曼散射频率。

处理器通过电频谱分析仪的分析结果获取到后向散射光的原始频率后，即可进一步完成其它两种散射光频率的计算。此时，由于未进行干涉降频，三种散射光都处于高频，因此处理器还需调整光电探测器和电频谱分析仪的工作扫描范围，使其停止滤波，以接收相应的高频信号。

步骤403：处理器计算混合光的调制频率。

处理器获取到后向散射光中三种散射光的频率后，根据步骤202-步骤204完成混合光调制频率的计算。

步骤404：处理器设置微波源的工作参数，使光电调制器根据微波源产生的调制信号对混合光进行调制。

处理器根据混合光的调制频率，向微波源发送相应的控制信号，对微波源的工作参数进行设置，微波源根据工作产生调制信号输入至光电调制器，完成混合光的调制。

步骤405：处理器打开光开关。

经过步骤404，已完成后向散射光中三种散射光频率的获取，并根据三种散射光频率对混合光调制频率进行了调整，实现了对与光源频率变化或频率漂移的自动相应。此时，即可打开光开关，连通混合光光路，使混合光进入第二耦合器对后向散射光进行干涉。同时，处理器可以向电频谱分析仪、微波源、电光调制器分别发送相应的控制信号，使其恢复实际测量模式，继续进行干涉光信号的采集、分析流程。

在本实施例的具体实施场景中，可以在新系统部署或新光源上线时通过步骤401-步骤405完成快速部署和初始参数设置，也可以通过定时执行步骤401-步骤405使得系统对后向散射光的频率变化进行自适应调整，提高了系统的通用性和测量准确度。

本实施例提供的多参量分布式光纤传感的系统，能够同时通过单一设备采集多种散射光的传感数据，并通过单一设备进行频谱分析，系统集成度高，在散射光后向回路上未使用波分器件，降低了总体的插入损耗。且多种散射光共用待测光纤介质，使得对检测到的多种物理参量进行空间上的横向关联成为可能，本发明在地震研究等领域具有较高的实用价值。另外,本发明通过光开关控制光信号干涉行为和原始频率采集方法，缩短了系统的在野外的部署周期，同时也提高系统对多种物理参量的测量精度。

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 (8)

1.一种多参量分布式光纤传感的方法，其特征在于：

将窄线宽激光光源的出射光分为第一直流光和第二直流光；

将所述第一直流光调制为脉冲光，同时将所述第二直流光进行调制后生成混合光，其中，所述混合光的频率根据所述出射光在待测光纤中的后向散射光频率，以及进行频谱分析时瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定；

所述脉冲光在待测光纤中产生的后向散射光和所述混合光相互干涉后生成干涉光，所述干涉光中瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射的频率对应各自的预设目标频率值；

对所述干涉光进行滤波，去除干涉光中超过预设频宽范围内频率的光信号；

对滤波后的所述干涉光进行频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射中一项或多项的频谱数据，根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量；

其中，所述将所述第二直流光进行调制后生成混合光，具体包括：获取所述后向散射光的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率中至少一项；以所述后向散射光的原始频率作为瑞利散射调制频率；以所述后向散射光的布里渊散射频率和布里渊散射的预设目标频率值之差作为布里渊散射调制频率；以所述后向散射光的拉曼散射频率和拉曼散射的预设目标频率值之差作为拉曼散射调制频率；根据所述瑞利散射调制频率、所述布里渊散射调制频率和所述拉曼散射调制频率中至少一项生成所述混合光中的光信号；

所述获取所述后向散射光的原始频率、布里渊散射频率和拉曼散射频率中至少一项，具体包括：切断所述混合光的光路；获取后向散射光原始频率；根据所述原始频率计算布里渊散射频率和/或拉曼散射频率。

2.根据权利要求1所述的一种多参量分布式光纤传感的方法，其特征在于，所述根据所述瑞利散射调制频率、所述布里渊散射调制频率和所述拉曼散射调制频率中至少一项生成所述混合光中的光信号，具体包括：

当所需的频谱分析结果包含瑞利散射的频谱数据时，所述混合光中包含频率为所述瑞利散射调制频率的光信号；

当所需的频谱分析结果包含布里渊散射的频谱数据时，所述混合光中包含频率为所述布里渊散射调制频率的光信号；

当所需的频谱分析结果包含拉曼散射的频谱数据时，所述混合光中包含频率为所述拉曼散射调制频率的光信号。

3.根据权利要求1中所述的一种多参量分布式光纤传感的方法，其特征在于，所述去除干涉光中超过预设频宽范围内频率的光信号，具体包括：

所述预设频宽范围根据瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。

4.一种多参量分布式光纤传感的系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器、第一耦合器、半导体光放大器，脉冲信号源、掺饵放大器、环形器、电光调制器、微波源、光开关、第二耦合器、光电探测器、电频谱分析仪和处理器，用于实现权利要求1-3中任一项所述的多参量分布式光纤传感的方法，具体的：

窄线宽激光器作为激光光源产生出射光；

出射光进入第一耦合器分为第一直流光和第二直流光；

所述第一直流光进入半导体光放大器，脉冲信号源产生的脉冲信号输入至所述半导体光放大器，将所述第一直流光调制为脉冲光，所述脉冲光经掺饵放大器放大后，通过环形器进入待测光纤产生后向散射光；

所述第二直流光进入电光调制器，微波源根据瑞利散射调制频率、布里渊散射调制频率和拉曼散射调制频率中至少一项产生调制信号，调制信号输入至所述电光调制器，将所述第二直流光调制为混合光；

所述混合光经光开关进入第二耦合器，与后向散射光在所述第二耦合器处生成干涉光；

所述干涉光由光电探测器转换为电信号后进入电频谱分析仪，所述电频谱分析仪根据脉冲信号源产生的触发信号启动所述电频谱分析仪的频谱分析，获取后向散射光中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射中一项或多项的频谱数据；

处理器与所述电频谱分析仪的数据端口连接，用于获取频谱数据，并根据频谱数据解调出后向散射光对应的一种或多种物理参量。

5.根据权利要求4所述的多参量分布式光纤传感的系统，其特征在于，具体包括：

所述光电探测器的工作频宽范围根据瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。

6.根据权利要求4所述的多参量分布式光纤传感的系统，其特征在于，还包括：

所述处理器与所述电频谱分析仪的控制端口连接，用于设定所述电频谱分析仪的工作扫描范围，其中，所述工作扫描范围为所述电频谱分析仪的设备扫描范围中的至少一个区间，所述工作扫描范围根据瑞利散射、布里渊散射和/或拉曼散射分别对应的预设目标频率值确定。

7.根据权利要求4所述的多参量分布式光纤传感的系统，其特征在于，还包括：

所述处理器与所述微波源连接，用于设置所述微波源的工作参数，以便于所述微波源根据所述工作参数产生混合电信号，所述混合电信号将所述第二直流光转换为所述混合光。

8.根据权利要求4所述的多参量分布式光纤传感的系统，其特征在于，还包括：

所述处理器与所述光开关的控制引脚连接，用于控制所述光开关的连通与关断。

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