CN114485903A - 一种长距离分布式光纤高频振动测量的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种长距离分布式光纤高频振动测量的系统和方法。其系统包括：包括待测光纤、第一空分复用器、第二空分复用器、激光器、第一耦合器、相位光时域反射仪，马赫增德尔干涉仪和数据采集处理装置，待测光纤中包含至少5路空分复用光路，第一空分复用光路的后向散射光由相位光时域反射仪转换为电信号后计算振动位置，第二空分复用光路和第四空分复用光路组成回路、第三空分复用光路和第五空分复用光路组成回路，两回路的前向光由马赫增德尔干涉仪转换为电信号后计算振动频率和频度。本发明将相位光时域反射仪和马赫增德尔干涉仪技术相结合，能够同时测量对应振动不同频率传感数据的多个物理参量，有效提升了光纤传感振动测量系统的频率响应范围。
Description
【技术领域】
本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种长距离分布式光纤高频振动测量的系统和方法。
【背景技术】
分布式光纤振动传感技术可以测量光纤任意一点的振动情况，被广泛应用于长距离线路的振动监测，以实现对管道泄漏、施工破坏、入侵事件、机电设备工作状态的监测。机械振动信号按频率可以分为低频、中频和高频信号，高频振动信号的频率一般认为是频率大于1000Hz的信号。在高频范围内，主要测量的振幅是加速度，它表征振动部件所受冲击力的强度。高频振动传感主要用于机械的工作状态监测。
在分布式光纤振动传感技术中，能够测量的最大振动频率取决于系统所发射的脉冲光频率。然而，受限于线路长度和传感光在光纤介质中的传播速度，脉冲频率不能被设定得过高。因为在距离一定的条件下，过高的脉冲频率会使得两个周期的散射信号在采集端发生重叠，以致无法解调出传感光纤链路上不同地域空间的独立物理参量。例如，100千米的光纤传感线路，为防止后向散射光的采集端的多个周期后向采集信号重叠，脉冲发送频率最大只能为1KHz，分布式光纤振动传感系统对振动的最大频率响应就只有脉冲发送频率的一半，即500Hz，可以看到传统的分布式光纤振动传感系统只能解调出中低频的振动。因此，长距离的分布式光纤振动系统所能测量的振动最大频率响应范围十分有限，无法测量机械设备运转过程中产生的异常高频振动，限制了分布式光纤振动传感系统的应用领域。
鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷，解决现有分布式光纤振动传感系统应用场景受限的现象，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，本发明解决了现有分布式光纤振动系统受限于振动频率响应范围，无法对高频振动进行测量的技术问题。
本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种长距离分布式光纤高频振动测量的系统，包括待测光纤、第一空分复用器、第二空分复用器、激光器、第一耦合器、相位光时域反射仪，干涉仪和数据采集处理装置，具体的：待测光纤中至少包含5路空分复用光路，第一空分复用器与待测光纤的第一端耦合；第二空分复用器与待测光纤的第二端耦合，通过第二空分复用器将待测光纤的第二空分复用光路与第四空分复用光路耦合，并将第三空分复用光路和第五空分复用光路耦合；激光器发出的光束经第一耦合器分光后生成第一出射光和第二出射光；第一出射光进入相位光时域反射仪的光源输入端口，被调制为脉冲光后经相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第一空分复用光路；脉冲光在待测光纤第一空分复用光路生成的后向散射光返回相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口，由相位光时域反射仪生成第一电信号，第一电信号经相位光时域反射仪的电信号输出端口进入数据采集处理装置的第一采集端口；第二出射光进入干涉仪的光源输入端口，经分光后生成第一信号光和第二信号光；第一信号光通过干涉仪的第一光信号输出端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第二空分复用光路，到达待测光纤的第二端后经过第二空分复用器生成第一前向光，第一前向光由第四空分复用光路返回，第二空分复用光路和第四空分复用光路构成干涉仪的第一干涉臂；第二信号光通过干涉仪的第二光信号输出端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第三空分复用光路，到达待测光纤的第二端后经过第二空分复用器生成第二前向光，第二前向光由第五空分复用光路返回，第三空分复用光路和第五空分复用光路构成干涉仪的第二干涉臂；第一前向光进入干涉仪的第一光信号输入端口，第二前向光进入干涉仪的第二光信号输入端口，由干涉仪合光后生成第二电信号，第二电信号经干涉仪的电信号输出端口进入数据采集处理装置的第二采集端口；数据采集处理装置使用第一电信号计算振动的位置参数，数据采集处理装置使用第二电信号计算振动的频率和频度参数。
优选的，具体包括：待测光纤具体为少模光纤，少模光纤的每个空间模式对应待测光纤的一个空分复用光路；第一空分复用器具体为第一模分复用器，第一模分复用器的复用端口与待测光纤的第一端耦合，第一模分复用器的第一分用端口对应少模光纤的第一空分复用光路，与相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口连接，第一模分复用器的第二分用端口对应少模光纤的第二空分复用光路，与干涉仪的第一光信号输出端口连接，第一模分复用器的第三分用端口对应少模光纤的第三空分复用光路，与干涉仪的第二光信号输出端口连接；第二空分复用器具体为第二模分复用器，第二模分复用器的复用端口与待测光纤的第二端耦合，第二模分复用器的第二分用端口对应少模光纤的第二空分复用光路，第二模分复用器的第三分用端口对应少模光纤的第三空分复用光路，第二模分复用器的第四分用端口对应少模光纤的第四空分复用光路，第二模分复用器的第五分用端口对应少模光纤的第五空分复用光路，第二模分复用器的第二分用端口和第四分用端口以单模光纤耦合相连，第二模分复用器的第三分用端口和第五分用端口以单模光纤耦合连接。
优选的，具体包括：少模光纤的第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于少模光纤截面中心为中心对称；少模光纤的第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于少模光纤截面中心为中心对称。
优选的，具体包括：待测光纤具体为多芯光纤，多芯光纤的每个纤芯对应待测光纤的一个空分复用光路；第一空分复用器具体为第一多芯光纤扇入扇出模块，第一多芯光纤扇入扇出模块的多芯尾纤与待测光纤的第一端耦合，第一多芯光纤扇入扇出模块的第一单模尾纤对应少模光纤的第一空分复用光路，与相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口连接，第一多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤对应少模光纤的第二空分复用光路，与干涉仪的第一光信号输出端口连接，第一多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤对应少模光纤的第三空分复用光路，与干涉仪的第二光信号输出端口连接；第二空分复用器具体为第二多芯光纤扇入扇出模块，第二多芯光纤扇入扇出模块的多芯尾纤与待测光纤的第二端耦合，第二多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤对应少模光纤的第二空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤对应少模光纤的第三空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第四单模尾纤对应少模光纤的第四空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第五单模尾纤对应少模光纤的第五空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤和第四单模尾纤耦合相连，第二多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤和第五单模尾纤耦合连接。
优选的，具体包括：多芯光纤的第一空分复用光路位于多芯光纤的中央纤芯。
优选的，具体包括：多芯光纤的第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于多芯光纤的中央纤芯为中心对称；多芯光纤的第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于多芯光纤的中央纤芯为中心对称。
优选的，具体的：待测光纤中至少包含7路空分复用光路，干涉仪包括第一干涉仪和第二干涉仪；第二出射光分光后生成第三信号光和第四信号光；第三信号光进入第二空分复用光路，第三信号光到达待测光纤的第二端后在第二空分复用器处生成第三前向光，第三前向光分光后生成第四前向光和第五前向光，第四前向光由第四空分复用光路返回，第五前向光由第六空分复用光路返回，第四空分复用光路作为第一干涉仪的第一干涉臂，第六空分复用光路作为第一干涉仪的第二干涉臂；第四信号光经分光后生成第五信号光和第六信号光，第五信号光进入第三空分复用光路，第六信号光进入第七空分复用光路，第五信号光和第六信号光到达待测光纤的第二端后在第二空分复用器处合光后生成第六前向光，第六前向光经第五空分复用光路返回，第三空分复用光路作为第二干涉仪的第一干涉臂，第七空分复用光路作为第二干涉仪的第二干涉臂；第四前向光和第五前向光返回待测光纤第一端后，在第一空分复用器后合光生成第三电信号，进入数据采集处理装置的第三采集端口，并生成第四电信号，进入数据采集处理装置的第四采集端口。
另一方面，本发明提供了一种长距离分布式光纤高频振动测量的方法，具体为：按照第一方面所述，完成长距离分布式光纤高频振动测量的系统的光路连接；激光器发出的光束经分光后生成第一出射光和第二出射光，第一出射光经调制后生成脉冲光，进入待测光纤的第一空分复用光路，第二出射光经再次分光后生成第一信号光和第二信号光，第一信号光进入待测光纤的第二空分复用光路，第二信号光进入待测光纤的第三空分复用光路；脉冲光在第一空分复用光路中产生的后向散射光由相位光时域反射仪生成相应的第一电信号，数据采集处理装置根据第一电信号计算振动的位置参数；第一信号光通过第四空分复用光路返回第一前向光，第二信号光通过第五空分复用光路返回第二前向光，第一前向光和第二后向光由干涉仪生成相应的第二电信号，数据采集处理装置根据第二电信号计算振动的频率和频度参数。
当待测光纤的空分复用光路数不小于7路时，按照第一方面的相应优选方案所述，完成长距离分布式光纤高频振动测量的系统的光路连接；激光器发出的光束经分光后生成第一出射光和第二出射光，第一出射光经调制后生成脉冲光，进入待测光纤的第一空分复用光路，第二出射光经再次分光后生成第一信号光和第二信号光，第二信号光再次分光后生成第三信号光和第四信号光，第三信号光进入待测光纤的第二空分复用光路，第四信号光再次分光生成第五信号光和第六信号光，第五信号光进入待测光纤的第三空分复用光路，第六信号光进入待测光纤的第七空分复用光路；脉冲光在第一空分复用光路中产生的后向散射光由相位光时域反射仪生成相应的第一电信号，数据采集处理装置根据第一电信号计算振动的位置参数；第三信号光返回的第三前向光经分光后进入第四空分复用光路和第六空分复用光路，由第四空分复用光路返回第四前向光，由第五空分光路返回第五前向光，第五信号光和第六信号光在待测光纤的第二端合光后生成第六前向光，第六前向光由第五空分复用光路返回；第四前向光和第五前向光在待测光纤的第一端合光后生成相应的第三电信号，第六前向光生成相应的第四电信号，数据采集处理装置根据第三电信号和/或第四电信号计算振动的频率、频度、位置参数中的一项或多项。
优选的，数据采集处理装置根据第三电信号和/或第四电信号计算振动的频率和频度参数，具体包括：在第三电信号和第四电信号中选择强度较强的电信号计算振动的频率和频度参数；和/或，根据获取到第三电信号和第四电信号的时延差计算振动的位置参数。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：利用多路空分复用的光纤的多个空分复用光路，将相位光时域反射仪和干涉仪技术相结合，有效提升了系统的频率响应范围。优选方案中，多点振动的时候可以通过时域光反射仪进行定位，单点振动的时候可以通过双干涉仪实提高定位精度。进一步的，在发明的优选方案中，使用双干涉仪的方式兼容不同场景下振动位置参数的测量，并且在多数使用场景中获取到精度更高的距离测量结果。
【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长距离分布式光纤振动测量的系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种长距离分布式光纤振动测量的光路连接关系示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种长距离分布式光纤振动测量的光路连接关系示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种长距离分布式光纤振动测量的光路连接关系示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种长距离分布式光纤振动测量的光路连接关系示意图；
图6为本发明实施例提供的一种长距离分布式光纤振动测量的方法流程图；
图7为本发明实施例提供的另一种长距离分布式光纤振动测量的光路连接关系示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种长距离分布式光纤振动测量的光路位置关系示意图；
图9为本发明实施例提供的一种长距离分布式光纤振动测量的方法流程图；
图10为本发明实施例提供的一种长距离分布式光纤振动测量的在测量实例示意图。
【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：
当传感光纤上任意一点发生振动时，相位光时域反射仪通过后向散射光信号的传输时间，可以解调得到传感光纤上振动发生的位置。另一方面，马赫增德尔干涉仪探测的是前向光的相位变化速率，与相位光时域反射仪不同，其频率响应取决于采集卡的采样率，而不是取决于光的传输时间。基于两种探测装置不同的探测原理，本实施例利用多路空分复用光纤将两种测量装置进行组合使用，利用相位光时域反射仪测量中低频信号，同时利用马赫增德尔干涉仪测量高频信号，扩展了现有分布式光纤传感系统的使用频率，解决了现有分布式光纤传感系统的应用领域。
如图1所示，是本发明实施例的长距离分布式光纤振动测量系统的架构示意图。图中虚线示意各空分复用光路在待测光纤和空分复用器中传输的对应关系。
系统包括待测光纤、第一空分复用器、第二空分复用器、激光器、第一耦合器、相位光时域反射仪，马赫增德尔干涉仪和数据采集处理装置。
本实施例提供的方案需要同时容纳相位光时域探测和前向光的干涉振动探测，需要保证每条光路之间具有相同的同轴度和折射率，而多个单模光纤即使集成在同一光缆中，也无法保证同一空间位置的同轴度与相近的折射率，将其用于本技术方案同时，可能由于任意一路单模光纤的敏感性不佳造成振动事件的单个或多个物理参量无法解调。因此，本实施例中需要使用的光纤必须支持空分复用光路，以保证测量的准确度。
进一步的，在本实施例提供的系统中，为了对不同频率的传感信号进行探测，需要同时产生相位光时域干涉仪的探测回路和马赫增德尔干涉仪的探测回路。相位光时域干涉仪需要探测后向散射光，后向散射光与出射光在同一光路上传输，因此需要使用1条光路。马赫增德尔干涉仪需要将两路前向光进行干涉，因此需要两个出射光路和两个返回光路，共4条光路。因此，待测光纤中包含至少5路空分复用光路。
为了将同一条光纤中的多条空分复用光路分离为多条单模光路，还需要使用空分复用器。第一空分复用器与待测光纤的第一端耦合，产生相位光时域反射仪探测路线上的后向散射光回路。第二空分复用器与待测光纤的第二端耦合，通过第二空分复用器将待测光纤的第二空分复用光路与第四空分复用光路耦合，并将第三空分复用光路和第五空分复用光路耦合，产生马赫增德尔干涉仪探测线路上的两组前向光回路。
激光器发出的光束经第一耦合器分光后生成第一出射光和第二出射光，分别作为相位光时域反射仪的信号光源和马赫增德尔干涉仪的信号光源。进一步的，为了减少光路损耗，并方便进行系统连接和部署，激光器与第一耦合器之间的光路以光纤为介质。
第一出射光进入相位光时域反射仪的光源输入端口，被调制为脉冲光后经相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第一空分复用光路。脉冲光在待测光纤第一空分复用光路生成的后向散射光返回相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口，由相位光时域反射仪生成第一电信号，第一电信号经相位光时域反射仪的电信号输出端口进入数据采集处理装置的第一采集端口，完成相位光时域反射仪的探测数据获取。
第二出射光进入马赫增德尔干涉仪的光源输入端口，经分光后生成第一信号光和第二信号光。第一信号光通过马赫增德尔干涉仪的第一光信号输出端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第二空分复用光路，到达待测光纤的第二端后经过第二空分复用器生成第一前向光，第一前向光由第四空分复用光路返回。第二信号光通过马赫增德尔干涉仪的第二光信号输出端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第三空分复用光路，到达待测光纤的第二端后经过第二空分复用器生成第二前向光，第二前向光由第五空分复用光路返回。第一前向光进入马赫增德尔干涉仪的第一光信号输入端口，第二前向光进入马赫增德尔干涉仪的第二光信号输入端口，由马赫增德尔干涉仪合光后生成第二电信号，第二电信号经马赫增德尔干涉仪的电信号输出端口进入数据采集处理装置的第二采集端口，完成马赫增德尔干涉仪的探测数据获取。
或者两套探测数据后，即可使用探测数据完成相应计算。数据采集处理装置使用第一电信号计算振动的位置参数，数据采集处理装置使用第二电信号计算振动的频率和频度参数。
经实际使用场景测试，使用本实施例提供的系统，数据采集处理装置对马赫增德尔干涉仪输出电信号的采样率典型值为250MSa/s，对应马赫增德尔干涉仪频率响应上线为125MHz，远远超过了一般的分布式光纤振动系统的频率响应范围，可以对高频振动的频率信息进行有效测量。同时，也保留了相位光时域反射仪对中低频信号的分析能力，使用一套系统满足了不同场景中振动传感信号测量的需求。
在本实施例的具体使用场景中，只需待测光纤具备5路或5路以上空分复用光路，都可以使用本实施例提供的系统进行测量，以下简单列举两种典型的使用方式。
(1)待测光纤具体为少模光纤。
少模光纤具有接近于单模光纤的衰减系数，具有远距离光纤传感应用价值，可以提高传感系统的探测距离，适用于需要进行远距离探测的场景中。
少模光纤的每个空间模式对应待测光纤的一个空分复用光路，由于现有的少模光纤空间模式数通常为偶数，因此，本实施例中使用偶数个空间模式的少模光纤的空间模式数不小于6路。
少模光纤对应的空分复用设备为模分复用器设备，模分复用设备能够对不同空间模式的光进行复用和解复用。模分复用设备包含一个复用端口和多个分用端口，复用端口与少模光纤耦合，输入输出包含所有空间模式的光路。每个分用端口输入输出单独一路空间模式的光路，将少模光纤每一路空间模式的光路耦合至一个分用端口中，实现空间模式的分离。
第一空分复用器具体为第一模分复用器，第一模分复用器的复用端口与待测光纤的第一端耦合。第一模分复用器的第一分用端口对应少模光纤的第一空分复用光路，与相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口连接，产生相位光时域反射仪探测路线上的后向散射光回路。第一模分复用器的第二分用端口对应少模光纤的第二空分复用光路，与马赫增德尔干涉仪的第一光信号输出端口连接，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路的前向光路。第一模分复用器的第三分用端口对应少模光纤的第三空分复用光路，与马赫增德尔干涉仪的第二光信号输出端口连接，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第二组前向光回路的前向光路。
第二空分复用器具体为第二模分复用器，第二模分复用器的复用端口与待测光纤的第二端耦合。第二模分复用器的第二分用端口对应少模光纤的第二空分复用光路，第二模分复用器的第三分用端口对应少模光纤的第三空分复用光路。第二模分复用器的第四分用端口对应少模光纤的第四空分复用光路，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路的返回光路。第二模分复用器的第五分用端口对应少模光纤的第五空分复用光路，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路的返回光路。第二模分复用器的第二分用端口和第四分用端口以单模光纤耦合相连，将第一组前向光路的前向光路和返回光路组成回路。第二模分复用器的第三分用端口和第五分用端口以单模光纤耦合连接，将第二组前向光路的前向光路和返回光路组成回路。
(2)待测光纤具体为多芯光纤。
多芯光纤是一种在共同的包层区中存在多个独立纤芯的新型光纤。通过采用掺氟包层折射率剖面结构，能够实现长距离低串扰的空分复用光信号传输。基于空分复用理念的多芯光纤，在一根光纤中同时传输多路光信号，可极大地提高通信容量，以突破当前普通单模光纤传输容量极限。随着空分复用相关技术的发展和多芯光纤传感技术的发展，多芯光纤将是未来的一个重要的光纤发展方向。
多芯光纤的每个纤芯对应待测光纤的一个空分复用光路，多芯光纤通常使用奇数个纤芯，使用奇数个纤芯的多芯光纤一般由一个中央纤芯和偶数个外围纤芯构成，中央纤芯位于多芯光纤横截面的中心，外围纤芯以中央纤芯为中心两两中心对称。因此，本实施例中使用的多芯光纤的纤芯数不少于5路。
多芯光纤对应的空分复用设备为扇入扇出设备，将多个单模光路耦合与多芯光纤的每个对应纤芯耦合。扇入扇出设备的一端为多芯尾纤，多芯尾纤的每个纤芯与多芯光纤的每个纤芯光路耦合。扇入扇出设备的另一端为多个单模尾纤，单模尾纤的个数与多芯尾纤的纤芯数对应，将多芯光纤每个纤芯中的光路耦合至一个单独的单模尾纤中。
第一空分复用器具体为第一多芯光纤扇入扇出模块，第一多芯光纤扇入扇出模块的多芯尾纤与待测光纤的第一端耦合，第一多芯光纤扇入扇出模块的第一单模尾纤对应多芯光纤的第一空分复用光路，与相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口连接，产生相位光时域反射仪探测路线上的后向散射光回路。第一多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤对应多芯光纤的第二空分复用光路，与马赫增德尔干涉仪的第一光信号输出端口连接，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路的前向光路。第一多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤对应多芯光纤的第三空分复用光路，与马赫增德尔干涉仪的第二光信号输出端口连接，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第二组前向光回路的前向光路。
第二空分复用器具体为第二多芯光纤扇入扇出模块，第二多芯光纤扇入扇出模块的多芯尾纤与待测光纤的第二端耦合。第二多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤对应多芯光纤的第二空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤对应多芯光纤的第三空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第四单模尾纤对应多芯光纤的第四空分复用光路，作为马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路的返回光路。第二多芯光纤扇入扇出模块的第五单模尾纤对应多芯光纤的第五空分复用光路，将第一组前向光路的前向光路和返回光路组成回路。第二多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤和第四单模尾纤耦合相连，将第一组前向光路的前向光路和返回光路组成回路。第二多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤和第五单模尾纤耦合连接，将第二组前向光路的前向光路和返回光路组成回路。
根据上述具体实施方式可知，在本实施例的具体实施场景中，不同类型的待测光纤都可以方便的通过本实施例提供的系统完成不同频率传感信号的测量分析，可以根据实际需要对待测光纤进行选择使用。另一方面，在实际使用中，可能存在已铺设的待测光纤为其它类型的多路空间复用光纤，例如：多模光纤、多芯少模光纤等，也可以参考上述方式进行连接使用。
进一步的，为了尽可能提高马赫增德尔干涉仪对不同方向振动响应的一致性，可以将马赫增德尔干涉仪的两组前向光回路对称设置。在上述实施方式中：(1)当待测光纤为少模光纤时，少模光纤中模式光路相对于少模光纤截面两两对称，可以通过选择合适的光路连接关系达到光路对称的目的。如图2所示，为少模光纤的截面示意图，图中以4模光纤为例，图中阴影部分表示不同空间模式的光路在少模光纤截面中的位置，虚线表示光路连接关系。少模光纤的第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于少模光纤截面中心为中心对称；少模光纤的第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于少模光纤截面中心为中心对称。使用该连接方式后，即可使马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路和第二前向光回路相对于少模光纤截面中心为中心对称。(2)当待测光纤为多芯光纤时，多芯光纤的外围纤芯以中央纤芯为中心两两中心对称，可以通过选择外围纤芯合适的光路连接关系，将马赫增德尔干涉仪的两条组前向光回路对称分置于中央纤芯的两侧，达到光路对称的目的。如图3所示，为多芯光纤的截面示意图，图中以7芯光纤为例，图中阴影部分表示不同纤芯在多芯光纤截面中的位置，虚线表示光路连接关系。多芯光纤的第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于多芯光纤的中央纤芯为中心对称；多芯光纤的第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于多芯光纤的中央纤芯为中心对称。使用该连接方式后，即可使马赫增德尔干涉仪探测线路上的第一组前向光回路和第二前向光回路相对于多芯光纤中央纤芯为中心对称。通过上述光路空间位置的选择性连接，系统中的两组前向光回路对称的置于待测光纤的相对方位，以提高马赫增德尔干涉仪不同方向振动相应的一致性。
进一步的，由于不同方向的振动对相位光时域反射仪的后向散射光回路的作用效果不同，相位光时域反射仪对远离相位光时域反射仪的后向散射光回路一侧的振动响应敏感较低，当相位光时域反射仪的后向散射光回路设置在分布于非纤芯中央位置的纤芯截面一侧时，该侧的有效传感信号可能淹没在噪声中。因此，相位光时域反射仪的后向散射光回路最好位于待测光纤截面的中心，相位光时域反射仪的后向散射光回路最好位于待测光纤截面的中心，以适应不同方向的振动信号。因此，当使用多芯光纤作为待测光纤进行连接时，多芯光纤的第一空分复用光路位于多芯光纤的中央纤芯，使得相位光时域反射仪的后向散射光回路位于待测光纤截面的中心。
在本实施例的具体试试过程中，可以使用各种类型的相位光时域反射仪和马赫增德尔干涉仪，以下分别对两种设备的典型连接方式进行简单描述。在实际使用中，可以根据设备的具体型号和接口类型进行对应的连接。
如图4所示，相位光时域反射仪具体包括半导体光放大器、脉冲信号源、掺铒光纤放大器、环形器和探测器。第一出射光经光源输入端口进入相位光时域反射仪，在半导体放大器中受脉冲信号源控制被调制为脉冲光，脉冲光经掺铒光纤放大器放大后进入环形器第一端口，再由环形器第二端口输出，经待测光纤接驳端口进入待测光纤的第一空分复用光路。脉冲光的后向散射光经待测光纤接驳端口返回环形器第二端口，经环形器第三端口输入至探测器，由探测器转换为电信号后通过电信号输出端口输出至数据采集处理装置的第一采集端口。
如图5所示，马赫增德尔干涉仪具体包括第二耦合器、第三耦合器和平衡探测器。第二出射光经光源输入端口进入马赫增德尔干涉仪，经第二耦合器分光后生成第一信号光和第二信号光，第一信号光经第一光信号输出端口进入待测光纤的第二空分复用光路，第二信号光经第二光信号输出端口进入待测光纤的第三空分复用光路。待测光纤的第四空分复用光路返回的第一前向光经第一光信号输入端口进入马赫增德尔干涉仪，待测光纤的第五空分复用光路返回的第二前向光经第二光信号输入端口进入马赫增德尔干涉仪，第一前向光和第二前向光在第三耦合器处干涉后输入至平衡探测仪，由平衡探测仪转换为电信号后通过电信号输出端口输出至数据采集处理装置的第二采集端口。
本实施例提供的系统，利用多路空分复用光纤同时构建包含有相位光时域反射仪和马赫增德尔干涉仪的复合测量系统，只需一个激光器和一根测量光纤即可借助空分复用技术在长距离光纤传感链路上同时测量高频振动的物理参数和振动发生的空间位置。
实施例2：
在上述实施例1提供的长距离分布式光纤振动测量的系统的基础上，本发明还提供了一种可用于实现上述方法的长距离分布式光纤振动测量的方法。
如图6所示，本发明实施例提供的长距离分布式光纤振动测量的方法具体步骤如下：
步骤101：按照实施例1中提供的具体实施方式，完成长距离分布式光纤振动测量系统的光路连接。
为了进行基于光纤传感的振动测量，首先需要对测量系统进行光路连接。根据实施例1中提供的方式进行连接后，利用待测光纤中的1个空分复用光路形成了相位光时域反射仪用于测量的后向散射光回路，利用待测光纤中的另4个空分复用光路形成了马赫增德尔干涉仪用于测量的两个前向光回路，可以使用该系统同时完成不同频率振动的采集和处理。在实际使用中，为了确保最佳测量效果，优选使用多芯光纤作为待测光纤，多芯光纤的中央纤芯作为第一空分复用光路，多芯光纤的4个外围纤芯分别作为第二空分复用光路、第三空分复用光路、第四空分复用光路和第五空分复用光路，其中，第二空分复用光路和第三空分复用光路所在的纤芯相对于中央纤芯对称，第四空分复用光路和第五空分复用光路所在的纤芯相对于中央纤芯对称。
步骤102：激光器发出的光束经分光后生成第一出射光和第二出射光，第一出射光经调制后生成脉冲光，进入待测光纤的第一空分复用光路，第二出射光经再次分光后生成第一信号光和第二信号光，第一信号光进入待测光纤的第二空分复用光路，第二信号光进入待测光纤的第三空分复用光路。
光路连接完毕后，激光器发出的光束作为测量光信号。为了使相位光时域反射仪和马赫增德尔干涉仪获取到的测量光信号一致，将激光器发出的光束进行分光后进行使用。由于相位光时域反射仪使用后向散射光作为测量信号，马赫增德尔干涉仪使用前向光作为测量信号，而后向散射光的强度远小于前向光，为了确保后向散射光具有足够的强度，提高信噪比，进行分光时，第一出射光和第二出射光的分光比根据实际需要可以设置为90:10或80:20。另一方面，马赫增德尔干涉仪中的两路前向光信号强度相当，因此第一信号光和第二信号光的分光比可以使用50:50。
步骤103：脉冲光在第一空分复用光路中产生的后向散射光由相位光时域反射仪生成相应的第一电信号，数据采集处理装置根据第一电信号计算振动的位置参数。
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。因此，第一出射光经调制后的脉冲光在待测光纤中产生的后向散射光对应的第一电信号，可以作为相位光时域反射仪进行振动位置计算的测量信号，完成中低频传感参数的测量。
步骤104：第一信号光通过第四空分复用光路返回第一前向光，第二信号光通过第五空分复用光路返回第二前向光，第一前向光和第二后向光由马赫增德尔干涉仪生成相应的第二电信号，数据采集处理装置根据第二电信号计算振动的频率和频度参数。
马赫增德尔干涉仪通过前向光的相位变化速率获取振动的频率和频度速率，因此第一信号光和第二信号光返回的第一前向光和第二前向光对应的第二电信号，可以作为马赫增德尔干涉仪计算振动的测量信号，完成高频传感参数的测量。
通过步骤101-步骤104，即可使用实施例1中提供的测量系统完成中低频和高频各频段的振动参数测量，实现了不同场景中的振动测量应用。
进一步的，由于相位光时域反射仪使用了脉冲光作为测量光信号，因此数据处理设备无需持续该信号进行数据采集和分析，仅需根据脉冲光的发射频率作为一个时钟周期进行数据采集和分析即可。在具体实施过程中，可以在每个脉冲光发出时，向数据采集处理装置发出触发信号，触发数据处理装置启动相应时钟周期的第一电信号采集和数据处理。
本实施例提供的长距离分布式光纤振动测量的方法，利用多芯光纤同时构建包含有相位光时域反射仪和马赫增德尔干涉仪的复合测量系统，只需一个激光器和一根多芯光纤即可借助空分复用技术在长距离光纤传感链路上同时测量高频振动的物理参数和振动发生的空间位置。
实施例3：
对于实施例1和实施例2中提供的测量系统和方法，当待测光纤中的空分复用光路达到或多于7个时，在实施例1和实施例2使用5个空分复用光路进行测量的基础上，还可以使用两组各3路空分复用光路，搭建双干涉仪系统，满足更多的测量需要。
如图7所示，第一空分复用光路保持实施例1中的连接方式，使用实施例2中提供的测量方法获取振动的位置参数。
第二出射光分光后生成第三信号光和第四信号光。
第三信号光进入第二空分复用光路，第三信号光到达待测光纤的第二端后在第二空分复用器处生成第三前向光，第三前向光分光后生成第四前向光和第五前向光，第四前向光由第四空分复用光路返回，第五前向光由第六空分复用光路返回，第四空分复用光路作为第一干涉仪的第一干涉臂，第六空分复用光路作为第一干涉仪的第二干涉臂。使用第二空分复用光路、第四空分复用光路和第六空分复用光路构成第一干涉仪。第四前向光和第五前向光返回待测光纤第一端后，在第一空分复用器后合光生成第三电信号，进入数据采集处理装置的第三采集端口。
第四信号光经分光后生成第五信号光和第六信号光，第五信号光进入第三空分复用光路，第六信号光进入第七空分复用光路，第五信号光和第六信号光到达待测光纤的第二端后在第二空分复用器处合光后生成第六前向光，第六前向光经第五空分复用光路返回，第三空分复用光路作为第二干涉仪的第一干涉臂，第七空分复用光路作为第二干涉仪的第二干涉臂。使用第三空分复用光路、第五空分复用光路和第七空分复用光路构成第二干涉仪。第六前向光生成第四电信号，进入数据采集处理装置的第四采集端口。
通过第一干涉仪和第二干涉仪的测量信号择一、分别或配合使用，计算振动的频率或位置信号。
进一步的，为了尽可能提高干涉仪对不同方向振动响应的一致性，在进行连接时，可以根据实施例1中提供的优选方案对光路位置进行选择。例如：第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于光纤截面中心对称设置，第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于光纤截面中心对称设置；当使用多芯光纤时，第一空分复用光路位于多芯光纤的中央纤芯。
进一步的，本实施例提供的双干涉仪连接可以利用光纤中不同位置上的空分复用光路对不同方向上的振动敏感性差异精确解调振动频率。但是在实际使用中，振动源通常位于待测光纤的一侧，对于每个干涉仪，当两根干涉臂位于同待测光纤的同一侧时，所在的空分复用光路形变一致，会导致干涉信号衰弱。为了避免这种情况，可以将每一个干涉仪的两个干涉臂对称布置，使其位于待测光纤的两侧，产生不同的形变。如图8所示，以7芯光纤为例，图中数字表示空分复用光路的序号，作为第一干涉仪两根干涉臂的第四空分复用光路和第六空分复用光路对称设置，作为第二干涉仪两根干涉臂的第三空分复用光路和第四空分复用光路对称设置。
基于上述使用7个空分复用光路的测量系统，当待测光纤同时感知一个低频振动和一个高频振动，相位光时域反射仪可以对高频和低频的振动定位并对振动频率解调，双干涉仪可以对高频振动的振动频率解调并对振动进行更精确的定位。
如图9所示，使用7个空分复用光路的长距离分布式光纤高频振动测量的方法具体步骤如下：
步骤201：按照上述连接方式，完成长距离分布式光纤高频振动测量的系统的光路连接。
根据本实例中提供的方式进行连接后，利用待测光纤中的1个空分复用光路形成了相位光时域反射仪用于测量的后向散射光回路，利用待测光纤中的另6个空分复用光路形成了两个干涉仪用于测量的两个前向光回路，可以使用该系统同时完成不同频率振动的采集和处理。在实际使用中，为了确保最佳测量效果，优选使用7芯光纤作为待测光纤，7芯光纤的中央纤芯作为第一空分复用光路，多芯光纤的4个外围纤芯分别作为第二空分复用光路、第三空分复用光路、第四空分复用光路、第五空分复用光路、第六空分光路和第七空分复用光路。其中，第三空分复用光路和第七空分复用光路所在的纤芯相对于中央纤芯对称，第四空分复用光路和第六空分复用光路所在的纤芯相对于中央纤芯对称。
步骤202：激光器发出的光束经分光后生成第一出射光和第二出射光，第一出射光经调制后生成脉冲光，进入待测光纤的第一空分复用光路，第二出射光经再次分光后生成第一信号光和第二信号光，第二信号光再次分光后生成第三信号光和第四信号光，第三信号光进入待测光纤的第二空分复用光路，第四信号光再次分光生成第五信号光和第六信号光，第五信号光进入待测光纤的第三空分复用光路，第六信号光进入待测光纤的第七空分复用光路。
光路连接完毕后，激光器发出的光束作为测量光信号。两干涉仪中的两路前向光信号强度相当，因此第一信号光和第二信号光的分光比可以使用50:50。为了保持第二干涉仪两个干涉臂的信号强度相当，第三信号光和第四信号光的分光比可以使用50:50。
步骤203：脉冲光在第一空分复用光路中产生的后向散射光由相位光时域反射仪生成相应的第一电信号，数据采集处理装置根据第一电信号计算振动的位置参数。
第一出射光经调制后的脉冲光在待测光纤中产生的后向散射光对应的第一电信号，可以作为相位光时域反射仪进行振动位置计算的测量信号，完成中低频传感参数的测量。
步骤204：第三信号光返回的第三前向光经分光后进入第四空分复用光路和第六空分复用光路，由第四空分复用光路返回第四前向光，由第五空分光路返回第五前向光，第五信号光和第六信号光在待测光纤的第二端合光后生成第六前向光，第六前向光由第五空分复用光路返回；第四前向光和第五前向光在待测光纤的第一端合光后生成相应的第三电信号，第六前向光生成相应的第四电信号，数据采集处理装置根据第三电信号和第四电信号计算振动的频率、频度、位置参数中的一项或多项。
本实施例提供的系统中，使用两个干涉仪，获取两组前向光转换得到的电信号。在具体使用中，可以根据需要对电信号进行分别使用或同时使用。
以下简单提供一些具体场景中第三电信号和第四电信号这两路电信号的使用方法，以对实施例2中的方法进行优化和扩展。在其它实施场景中，可以根据本发明实施例的技术方案原理进行进一步的优化或扩展。
(1)将两路干涉仪视为主备关系，使用其中一个干涉仪作为主用干涉仪，另一个干涉仪作为备用干涉仪，将主用干涉仪的电信号作为实施例2中的第二电信号使用，获取振动频率和频度信息。当主用干涉仪出现故障或噪声过大时，由于已同时获取了两路电信号，可以即时获取备用干涉仪的电信号，作为实施例2中的第二电信号使用，无需重新进行硬件连接、重新进行软件调整或重新测量。
(2)当待测光纤为多芯光纤时，多芯光纤非中心的某一根纤芯对靠近该纤芯的外部振动的高频和低频振动的敏感性与远离该纤芯的外部振动的高频和低频振动的敏感性存在差异，由于两路干涉仪的干涉臂位于待测光纤的不同位置，因此靠近外部振动的干涉仪能够获取到更强的电信号。此时，在第三电信号和第四电信号中选择强度较强的电信号计算振动的频率和频度参数。
(3)使用实施例1提供的测量系统进行测量时，由于去向的干涉臂和回向的干涉臂平行，因此无法对第二电信号进行时域分析。而本实施例提供的系统中，双干涉仪的去向和回向镜像对称，当仅有一个振动源时，可以对第三电信号和第四电信号进行时域分析，根据获取到第三电信号和第四电信号的时延差计算振动的位置参数。
在某个具体实施场景中，如图10所示，在待测光纤上振动点对应的位置发生了振动，第一干涉仪和第二干涉仪同时接收到振动信号。第一干涉仪中作为两条干涉臂的第四空分复用光路和第六空分复用光路中产生第一传感测量信号，第一传感测量信号随第四前向光和第五前向光由振动点直接回到待测光纤第一端生成第三电信号。第二干涉仪中作为两条干涉臂的第三空分复用光路和第七空分复用光路中产生第二传感信号，第二传感信号需要现到达待测光纤第二端后，再随第六前向光由第五空分复用光路返回待测光纤第一端生成第四电信号。由于两干涉仪回光光路的光程不同，数据采集处理装置接收到第三点信号和第四电信号的时延值也不同。
图10中，第三光信号的时延值和振动位置的关系可表示为公式1。
t1＝D/v (公式1)
其中，t1为第三光信号的时延值，D为振动点与测量点之间的距离，v为待测光纤中的光速。
第四光信号的时延值和振动位置的关系可表示为公式2。
t2＝((L-D)+L)/v (公式2)
其中，其中，t2为第四光信号的时延值，L为待测光纤的第一端和第二端之间的长度，D为振动点与测量点之间的距离，v为待测光纤中的光速。
在可以直接获取t1或t2的实施场景中，可以根据公式1或公式2直接获取振动点与测量点之间的距离D。
在信号光为直流光等无法直接获取t1或t2的实施场景中，可以通过设置计时器等方式获取t1和t2的时延差，通过时延差进行计算。具体的，根据公式1和公式2，第三电信号和第四电信号的时延差与振动位置的关系可表示为公式3。
dt＝t2-t1＝2(L-D)/v (公式3)
其中，dt为两干涉仪获得传感信号的时延差，即第三电信号和第四电信号的时延差，L为待测光纤的第一端和第二端之间的长度，D为振动点与测量点之间的距离，v为待测光纤中的光速。
由公式3可得，振动点与测量点之间的距离D可以根据公式4进行计算。
D＝L–v*dt/2 (公式4)
其中，D为振动点与测量点之间的距离，dt为两干涉仪获得传感信号的时延差，即第三电信号和第四电信号的时延差，L为待测光纤的第一端和第二端之间的长度，v为待测光纤中的光速。
通过上述计算，即可使用双干涉仪获取到振动的距离参数。由于双干涉仪系统中测量距离参数的测量光信号为前向光，光信号强度大，信噪比低，因此使用后向散射光通过相位光时域反射仪进行距离计算的计算精度更高。
进一步的，在实际使用中，待测光纤中的光速为2*108m/s，即使待测光纤长度长达100米，测量光信号往返也仅需1ms，因此，在该时间数量级的微观层面上，待测光纤上发生单点振动的概率远大于多点振，在一般场景中，可以直接使用第三电信号和第四电信号计算振动的距离参数。若在某特殊场景中可能出现同时多点振动的情况，为了避免不同振动电的第三电信号和第四电信号匹配错误，还需要使用时域光反射仪的第一点信号进行进一步分析。时域光反射仪能够完成分布式测量，获取到整个待测光纤上所有振动信号的数量，因此，可以通过第一电信号初步判定振动点的个数。当振动点个数仅有一个时，使用第三电信号和第四电信号精确计算振动距离参数；当振动点个数多于一个时，仍使用第一电信号进行振动距离参数的计算。通过该方式，可以兼容不同场景下振动位置参数的测量，并且在多数使用场景中获取到精度更高的距离测量结果。
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 (10)
1.一种长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，包括待测光纤、第一空分复用器、第二空分复用器、激光器、第一耦合器、相位光时域反射仪，干涉仪和数据采集处理装置，具体的：
待测光纤中至少包含5路空分复用光路，第一空分复用器与待测光纤的第一端耦合；
第二空分复用器与待测光纤的第二端耦合，通过第二空分复用器将待测光纤的第二空分复用光路与第四空分复用光路耦合，并将第三空分复用光路和第五空分复用光路耦合；
激光器发出的光束经第一耦合器分光后生成第一出射光和第二出射光；
第一出射光进入相位光时域反射仪的光源输入端口，被调制为脉冲光后经相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第一空分复用光路；
脉冲光在待测光纤第一空分复用光路生成的后向散射光返回相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口，由相位光时域反射仪生成第一电信号，第一电信号经相位光时域反射仪的电信号输出端口进入数据采集处理装置的第一采集端口；
第二出射光进入干涉仪的光源输入端口，经分光后生成第一信号光和第二信号光；
第一信号光通过干涉仪的第一光信号输出端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第二空分复用光路，到达待测光纤的第二端后经过第二空分复用器生成第一前向光，第一前向光由第四空分复用光路返回，第二空分复用光路和第四空分复用光路构成干涉仪的第一干涉臂；
第二信号光通过干涉仪的第二光信号输出端口输出，经第一空分复用器输入待测光纤的第三空分复用光路，到达待测光纤的第二端后经过第二空分复用器生成第二前向光，第二前向光由第五空分复用光路返回，第三空分复用光路和第五空分复用光路构成干涉仪的第二干涉臂；
第一前向光进入干涉仪的第一光信号输入端口，第二前向光进入干涉仪的第二光信号输入端口，由干涉仪合光后生成第二电信号，第二电信号经干涉仪的电信号输出端口进入数据采集处理装置的第二采集端口；
数据采集处理装置使用第一电信号计算振动的位置参数，数据采集处理装置使用第二电信号计算振动的频率和频度参数。
2.根据权利要求1所述的长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，具体包括：
待测光纤具体为少模光纤，少模光纤的每个空间模式对应待测光纤的一个空分复用光路；
第一空分复用器具体为第一模分复用器，第一模分复用器的复用端口与待测光纤的第一端耦合，第一模分复用器的第一分用端口对应少模光纤的第一空分复用光路，与相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口连接，第一模分复用器的第二分用端口对应少模光纤的第二空分复用光路，与干涉仪的第一光信号输出端口连接，第一模分复用器的第三分用端口对应少模光纤的第三空分复用光路，与干涉仪的第二光信号输出端口连接；
第二空分复用器具体为第二模分复用器，第二模分复用器的复用端口与待测光纤的第二端耦合，第二模分复用器的第二分用端口对应少模光纤的第二空分复用光路，第二模分复用器的第三分用端口对应少模光纤的第三空分复用光路，第二模分复用器的第四分用端口对应少模光纤的第四空分复用光路，第二模分复用器的第五分用端口对应少模光纤的第五空分复用光路，第二模分复用器的第二分用端口和第四分用端口以单模光纤耦合相连，第二模分复用器的第三分用端口和第五分用端口以单模光纤耦合连接。
3.根据权利要求2所述的长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，具体包括：
少模光纤的第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于少模光纤截面中心为中心对称；
少模光纤的第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于少模光纤截面中心为中心对称。
4.根据权利要求1所述的长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，具体包括：
待测光纤具体为多芯光纤，多芯光纤的每个纤芯对应待测光纤的一个空分复用光路；
第一空分复用器具体为第一多芯光纤扇入扇出模块，第一多芯光纤扇入扇出模块的多芯尾纤与待测光纤的第一端耦合，第一多芯光纤扇入扇出模块的第一单模尾纤对应少模光纤的第一空分复用光路，与相位光时域反射仪的待测光纤接驳端口连接，第一多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤对应少模光纤的第二空分复用光路，与干涉仪的第一光信号输出端口连接，第一多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤对应少模光纤的第三空分复用光路，与干涉仪的第二光信号输出端口连接；
第二空分复用器具体为第二多芯光纤扇入扇出模块，第二多芯光纤扇入扇出模块的多芯尾纤与待测光纤的第二端耦合，第二多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤对应少模光纤的第二空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤对应少模光纤的第三空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第四单模尾纤对应少模光纤的第四空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第五单模尾纤对应少模光纤的第五空分复用光路，第二多芯光纤扇入扇出模块的第二单模尾纤和第四单模尾纤耦合相连，第二多芯光纤扇入扇出模块的第三单模尾纤和第五单模尾纤耦合连接。
5.根据权利要求4所述的长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，具体包括：
多芯光纤的第一空分复用光路位于多芯光纤的中央纤芯。
6.根据权利要求4所述的长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，具体包括：
多芯光纤的第二空分复用光路和第三空分复用光路相对于多芯光纤的中央纤芯为中心对称；
多芯光纤的第四空分复用光路和第五空分复用光路相对于多芯光纤的中央纤芯为中心对称。
7.根据权利要求1所述的长距离分布式光纤高频振动测量的系统，其特征在于，具体的：
待测光纤中至少包含7路空分复用光路，干涉仪包括第一干涉仪和第二干涉仪；
第二出射光分光后生成第三信号光和第四信号光；
第三信号光进入第二空分复用光路，第三信号光到达待测光纤的第二端后在第二空分复用器处生成第三前向光，第三前向光分光后生成第四前向光和第五前向光，第四前向光由第四空分复用光路返回，第五前向光由第六空分复用光路返回，第四空分复用光路作为第一干涉仪的第一干涉臂，第六空分复用光路作为第一干涉仪的第二干涉臂；
第四信号光经分光后生成第五信号光和第六信号光，第五信号光进入第三空分复用光路，第六信号光进入第七空分复用光路，第五信号光和第六信号光到达待测光纤的第二端后在第二空分复用器处合光后生成第六前向光，第六前向光经第五空分复用光路返回，第三空分复用光路作为第二干涉仪的第一干涉臂，第七空分复用光路作为第二干涉仪的第二干涉臂；
第四前向光和第五前向光返回待测光纤第一端后，在第一空分复用器后合光生成第三电信号，进入数据采集处理装置的第三采集端口，并生成第四电信号，进入数据采集处理装置的第四采集端口。
8.一种长距离分布式光纤高频振动测量的方法，其特征在于，具体包括：
按照权利要求1-6中任一项所述，完成长距离分布式光纤高频振动测量的系统的光路连接；
激光器发出的光束经分光后生成第一出射光和第二出射光，第一出射光经调制后生成脉冲光，进入待测光纤的第一空分复用光路，第二出射光经再次分光后生成第一信号光和第二信号光，第一信号光进入待测光纤的第二空分复用光路，第二信号光进入待测光纤的第三空分复用光路；
脉冲光在第一空分复用光路中产生的后向散射光由相位光时域反射仪生成相应的第一电信号，数据采集处理装置根据第一电信号计算振动的位置参数；
第一信号光通过第四空分复用光路返回第一前向光，第二信号光通过第五空分复用光路返回第二前向光，第一前向光和第二后向光由干涉仪生成相应的第二电信号，数据采集处理装置根据第二电信号计算振动的频率和频度参数。
9.根据权利要求8所述的长距离分布式光纤高频振动测量的方法，其特征在于，具体包括：
当待测光纤的空分复用光路数不小于7路时，按照权利要求7所述，完成长距离分布式光纤高频振动测量的系统的光路连接；
激光器发出的光束经分光后生成第一出射光和第二出射光，第一出射光经调制后生成脉冲光，进入待测光纤的第一空分复用光路，第二出射光经再次分光后生成第一信号光和第二信号光，第二信号光再次分光后生成第三信号光和第四信号光，第三信号光进入待测光纤的第二空分复用光路，第四信号光再次分光生成第五信号光和第六信号光，第五信号光进入待测光纤的第三空分复用光路，第六信号光进入待测光纤的第七空分复用光路；
脉冲光在第一空分复用光路中产生的后向散射光由相位光时域反射仪生成相应的第一电信号，数据采集处理装置根据第一电信号计算振动的位置参数；
第三信号光返回的第三前向光经分光后进入第四空分复用光路和第六空分复用光路，由第四空分复用光路返回第四前向光，由第五空分光路返回第五前向光，第五信号光和第六信号光在待测光纤的第二端合光后生成第六前向光，第六前向光由第五空分复用光路返回；第四前向光和第五前向光在待测光纤的第一端合光后生成相应的第三电信号，第六前向光生成相应的第四电信号，数据采集处理装置根据第三电信号和/或第四电信号计算振动的频率、频度、位置参数中的一项或多项。
10.根据权利要求9所述的长距离分布式光纤高频振动测量的方法，其特征在于，所述数据采集处理装置根据第三电信号和/或第四电信号计算振动的频率和频度参数，具体包括：
在第三电信号和第四电信号中选择强度较强的电信号计算振动的频率和频度参数；
和/或，根据获取到第三电信号和第四电信号的时延差计算振动的位置参数。
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