CN114543973B - 一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器，属于光纤传感领域。方法包括：将连续光载波分为两路，将一路调制为具有多个频率分量的多边带信号；将多边带信号调制为随机脉冲序列后输入到待测光纤，使其产生后向瑞利散射信号，将后向瑞利散射信号与另一路光载波耦合后输出两路耦合信号；提取两路耦合信号拍频后的强度信息，对该强度信息滤波使多个频率分离，然后对其分别相干解调后合并，对合并后的信号时序重组；对重组后信号的相位进行离散傅里叶变换得到频谱。传感器主要包括：耦合器、任意波形发生器、电光调制器、声光调制器、光电探测器。本发明可提升分布式传感系统对信号强度测量的准确性以及系统频率响应上限。

Description

一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器。

背景技术

光纤传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高压，能适应恶劣环境等优点，其中分布式传感是一种光纤链路上每一点都作为传感元件的技术，光纤既做信息传输媒介同时又是传感元，它可以连续测量沿光纤长度分布的环境参量，如温度，应变等，传感长度可达几十公里，鉴于其出色的技术解决方案和低廉的成本，分布式传感器在石油管道、桥梁、大坝、隧道、电力线、房屋建筑、飞行器、地震预警、边防等诸多领域中都有应用，是集智能化与环保于一身的理想的分布式测量工具。

在光纤中可应用于信号传感的信息主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种，常见的基于瑞利散射的分布式传感方案主要有光时域反射仪(OTDR)、相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)等。OTDR技术通过采集光脉冲在光纤中传播时产生的后向瑞利散射信号，再由其时域信息对信号位置进行定位，从而实现对光纤的分布式传感。由于使用非相干光源，OTDR技术仅能得到光纤损耗、光纤断点等信息，不能对外界扰动进行实时定位和测量。

φ-OTDR技术是在OTDR技术基础上，通过采用高度相干光源实现的；由于光源的高度相干性，φ-OTDR技术所采集到的后向瑞利散射信号将形成干涉图样，反映出光纤上固有的应力状况等信息，并且当光纤所处环境出现温度变化或光纤本身感受到外界应力作用时，瑞利干涉图样将发生改变，从而能够对外界扰动位置进行实时定位。φ-OTDR技术可进一步分为直接检测和相干检测两类：直接检测方案系统简单，但外界扰动导致的信号变化与扰动强度之间的关系并非线性，从而无法对外界扰动进行准确测量；而在相干检测系统中，瑞利信号的相位改变量是可测得的，且扰动位置处瑞利信号相位改变量与光纤所受外界应力之间满足一定关系，基于该关系，可以通过计算光纤中瑞利信号相位改变量来准确测量光纤所受应力大小。

但是该类分布式光时域传感系统绝大多数均使用的是等时间间隔的均匀采样脉冲，为使每次探测光脉冲产生的瑞利信号不发生重叠，需要保证两个相邻光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲在光纤中的渡越时间的两倍，而奈奎斯特采样定理决定系统可探测频率上限为光脉冲重复频率的一半，因而其频率响应受到传感光纤长度限制。常见的数千米至数十千米传感场景下该频率上限不过千赫兹甚至百赫兹量级，在较长光纤上只能测量数kHz量级甚至更低频率的信号，这意味着材料断裂、油气泄漏、工程机械入侵等高频信号事件可能无法监测。

同时，φ-OTDR技术必须在相干探测方案下才能测量信号强度，由于利用了光脉冲内部的瑞利信号干涉，从而存在干涉衰落现象，将导致对衰落位置处信号相位的相干解调错误，造成信号解调错误率很高，会带来大量的监测盲区。考虑到干涉衰落出现的概率很高，这使得相干检测方案难以实际应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器，其目的在于提升现有的分布式传感系统对信号强度测量的准确性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分布式超高频振动信号测量方法，包括：

步骤S1、输出单频连续光载波信号，并将其分为两路；将其中一路用多个不同频率正弦脉冲调制，形成具有多个频率分量的多边带信号；

步骤S2、将所述多边带信号通过随机时序采样光脉冲调制为带有正弦调制的随机脉冲序列；

步骤S3、将所述随机脉冲序列输入到待测光纤FUT，待测光纤FUT产生连续的后向瑞利散射信号，将所述后向瑞利散射信号与另一路光载波信号耦合后输出两路连续的耦合信号；

步骤S4、提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息，对该强度信息滤波使多个频率分量分离，对分离后的多个频率信号分别进行相干解调；

步骤S5、将相干解调后的多个频率信号合并，根据随机时序采样光脉冲对合并后的信号进行时序重组；

步骤S6、对重组后的信号的相位进行离散傅里叶变换，得到该相位对应的频谱，该频谱的频率和振幅分别表征振动信号的振动频率和强度。

进一步地，所述随机时序采样光脉冲满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，并且采样时间间隔满足任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。

进一步地，步骤S1中，还包括调整所述多个频率分量的多边带信号的偏振态，使多个频率分量的能量趋近相等。

进一步地，在步骤S3之前还包括步骤：将带有正弦调制的随机脉冲序列进行信号放大。

进一步地，还包括步骤：滤除信号放大后的随机脉冲序列中的宽谱噪声。

按照本发明的另一方面，提供了一种分布式超高频振动信号光纤传感器，包括：

激光器laser，用于输出单频连续光载波信号；

耦合器coupler11，用于将所述单频连续光载波信号分为两路光载波信号；

任意波形发生器AWG，至少为两通道，其中一个通道连接电光调制器EOM，用于产生多个频率正弦脉冲，另一个通道连接声光调制器AOM，用于产生随机时序采样光脉冲；

电光调制器EOM，将其中一路光载波信号用所述多个频率正弦脉冲调制，形成具有多个频率分量的多边带信号；

声光调制器AOM，用于将所述多个频率分量的多边带信号通过所述随机时序采样光脉冲调制为带有正弦调制的随机脉冲序列；

环形器b，用于将所述带有正弦调制的随机脉冲序列输出到待测光纤FUT，待测光纤FUT产生连续的后向瑞利散射信号通过所述环形器b另一端口输出；

3dB耦合器coupler12，用于将所述后向瑞利散射信号与耦合器coupler11输出的另一路光载波信号进行耦合后输出两路连续的耦合信号；

平衡光电探测器BPD，用于探测所述两路连续的耦合信号的拍频信号强度信息，将所述强度信息输入高速示波器Oscilloscope进行采集。

进一步地，所述随机时序采样光脉冲满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，并且采样时间间隔满足任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。

进一步地，还包括设置在耦合器coupler11与电光调制器EOM之间的偏振控制器PC，用于调整所述多个频率分量的多边带信号的偏振态，使多个频率分量的能量趋近相等。

进一步地，在所述声光调制器AOM与环形器b之间，还设置有掺铒光纤放大器EDFA。

进一步地，在所述掺铒光纤放大器EDFA与环形器b之间，还设有环形器a及布拉格光纤光栅FBG，其中，所述环形器a的两个端口分别连接所述掺铒光纤放大器EDFA与环形器b，所述布拉格光纤光栅FBG连接环形器a的另外一个端口。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)对于每个确定的频率，在待测光纤内的衰落位置是确定的，对于不同频率，在待测光纤内的衰落位置一般不同，本发明通过将光载波调制为具有多个频率分量的多边带信号，并在接收端对多个频率分量分别进行相干解调后将其合并，使得待测光纤中干涉衰落位置处信号互相补偿，从而消除干涉衰落，提升了现有的分布式传感系统对信号强度测量的准确性。

(2)进一步地，本发明将具有多个频率分量的多边带信号通过随机时序采样光脉冲进行调制，使调制后的随机脉冲序列具有抗频谱混叠的效果，系统频率响应上限与随机时序采样光脉冲的采样时间间隔相关，采样时间间隔的最大公约数越小，系统频率响应上限越高，实现了在长距离传感光纤中对数百kHz量级超高频率的振动信号的位置的准确定位及振动强度的准确测量。

(3)作为优选，调整多边带信号的多个频率分量能量差值趋近相等，在接收端对多个频率分量分别进行相干解调后，可以提升合并后的目标信号在干涉衰落位置处信号互相补偿的效果。

(4)作为优选，在声光调制器AOM与环形器b之间设置有掺铒光纤放大器EDFA，用于对声光调制器AOM输出的随机脉冲序列进行能量放大。

(5)作为优选，在所述掺铒光纤放大器EDFA与环形器b之间设有环形器a及布拉格光纤光栅FBG，用于滤去随机脉冲序列通过掺铒光纤放大器EDFA产生的宽谱噪声。

总而言之，本发明通过应用频分复用技术进行干涉衰落现象的抑制，并与随机采样技术的结合，解决了现有的分布式φ-OTDR系统不能检测高频信号的缺陷的同时，避免了相干传感系统中常出现的信号解调错误。

附图说明

图1为本发明提供的分布式超高频振动信号光纤传感器结构示意图。

图2为经过电光调制器EOM调制后产生的三个频率分量的双边带信号。

图3为本发明实施例1提供的随机时序采样光脉冲。

图4为本发明实施例1标定的振动信号响应曲线。

图5为本发明实施例1测得的振动信号的频谱。

图6为传统的单一频率探测方案下振动信号附近相位图样。

图7为本发明实施例1中的振动信号附近相位图样。

图8为本发明实施例2提供的随机时序采样光脉冲。

图9为本发明实施例2测得的振动信号的频谱。

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。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。

如图1所示，本发明提供的分布式超高频振动信号光纤传感器，主要包括：

窄线宽激光器laser，用于输出单频连续窄线宽光载波信号。

耦合器coupler11，用于将上述单频连续光载波信号分为两路。

偏振控制器PC，用于调整耦合器coupler11输出的一路单频连续光载波信号的偏振态。

任意波形发生器AWG，该任意波形发生器AWG至少为两通道波形发生器，其中一个通道连接电光调制器EOM，用于产生单一频率正弦脉冲或者产生多个频率的正弦脉冲，另一个通道连接声光调制器AOM，用于产生预先设定的随机时序采样光脉冲。在其它实施例中，也可以是通过其它微波源分别连接电光调制器EOM和光调制器AOM，产生相应的脉冲。本实施例中，

电光调制器EOM，将偏振控制器PC输出的光信号用单一频率正弦脉冲调制，形成具有三个频率分量的双边带信号，并通过控制偏振控制器PC，使该双边带信号的三个频率分量的能量趋近相等，作为优选，使该双边带信号的三个频率分量的能量相等。且该单一频率正弦脉冲的频率小于声光调制器AOM的固有频率，作为优选，小于声光调制器AOM固有频率的一半。或者，电光调制器EOM也可以将偏振控制器PC输出的光信号用多个不同频率正弦脉冲调制，形成具有多个频率分量的多边带信号，并且要求每个频率分量均小于声光调制器AOM的固有频率。

声光调制器AOM，用于将三个频率分量的双边带信号或者是具有多个频率分量的多边带信号通过预先设定的随机时序采样光脉冲调制为带有正弦调制的随机脉冲序列。其中，预先设定的随机时序采样光脉冲满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，并且采样时间间隔满足任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。

环形器b，用于将该带有正弦调制的随机脉冲序列输出到待测光纤FUT，待测光纤FUT产生的后向瑞利散射信号通过该环形器b另一端口输出。保证进入待测光纤的后向信号能够从同光路中提取出来。

3dB耦合器coupler12，用于将后向瑞利散射信号与耦合器coupler11输出的另一路光载波信号进行耦合后输出两路连续的耦合信号，该两路连续的耦合信号分别为后向瑞利散射信号与耦合器coupler11输出的另一路光束的能量之和及能量之差。

平衡光电探测器BPD，用于将3dB耦合器coupler12输出的两路连续的耦合信号拍频，并将拍频后得到的强度信息输入高速示波器Oscilloscope进行数据采集，即采集两路耦合信号拍频后的强度信息。

将采集到的强度信息数据在计算机上进行数字滤波，使拍频后信号的三个或多个频率分量分离，再分别对其相干解调之后，得到每个载波信号的处理结果；之后，令三个或多个载波处理结果经旋转矢量和法合成为目标信号，并根据预先设定的随机时序矩形光脉冲对目标信号进行时序重组，使得待测光纤上每个位置对应的随机采样序列被一一列出。对经过时序重组后的信号的相位通过离散傅里叶变换得到该相位对应的频谱，进而定位振动信号的位置，并获得振动信号的相位及频率信息，进而定位振动信号所在位置。该频谱的频率和振幅分别表征振动信号的振动频率和强度。

作为优选，在声光调制器AOM与环形器b之间，还设置有掺铒光纤放大器EDFA，用于对声光调制器AOM输出的带有正弦调制的随机脉冲序列进行能量放大。

进一步地，在掺铒光纤放大器EDFA与环形器b之间，还设有环形器a及布拉格光纤光栅FBG，其中，环形器a的两个端口分别连接掺铒光纤放大器EDFA与环形器b，布拉格光纤光栅FBG连接环形器a的另外一个端口，用于滤去带有正弦调制的随机脉冲序列通过掺铒光纤放大器EDFA产生的宽谱噪声。

本实施例中，以三个频率复用为例，即电光调制器EOM将偏振控制器PC输出的光信号用单一频率正弦脉冲调制形成具有三个频率分量的双边带信号，再进行随机脉冲调制。

工作时，激光器laser输出单频连续光载波信号，经过耦合器coupler11后分为两路，其中一路单频连续光信号通过偏振控制器PC调整偏振态后经过电光调制器EOM和声光调制器AOM，其中电光调制器EOM及声光调制器AOM均由任意波形发生器AWG控制，任意波形发生器AWG为两通道(CH1、CH2)的任意波形发生器，任意波形发生器AWG的通道1(CH1)输出单一频率正弦脉冲给电光调制器EOM，电光调制器EOM对光载波进行强度调制，假定该单一频率为v₀，经过电光调制器EOM的调制后，产生与光载波频率间隔为v₀的双边带信号，使得该路单频连续光信号的时域波形呈现正弦图样，并产生三个载波分量的双边带信号，通过调节偏振控制器PC及电光调制器EOM控制电压使得三个频率分量的光信号能量相当；含有三个频率分量的光信号输入至声光调制器AOM。同时，任意波形发生器AWG的通道2(CH2)输出预先设定的随机时序矩形脉冲序列信号给声光调制器AOM，将电光调制器EOM输出的正弦调制光信号(即含有三个频率分量的双边带信号)调制为带有正弦调制的随机脉冲序列，并附加一个基准的光频移，为后续相干解调引入外差。其中，任意波形发生器AWG的通道2(CH2)输出预先设定的随机时序要求任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍，且不要求采样时间序列完全随机，只需要满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，设计的采样时间序列可以是任意两个脉冲间隔随机的，也可以是许多组不同采样频率的采样序列的组合，最终信号处理时需要根据预设的随机采样序列来对信号进行信号重排。

经过电光调制器EOM的调制后，形成如图2所示的三载波光信号，图中，Δf表示电光调制器EOM引入的调制频率。该双边带信号再次经过声光调制器AOM调制为带有正弦调制的随机脉冲序列，该随机脉冲序列同样具有三个频率分量，通过上述方式，由单一光脉冲直接得到三个频率的三组信息，而无需对三个频率分别进行频率调制，从而大大简化了频率复用的系统需求。即本发明与传统的频分复用不同，三个频率一直都是同时存在，一个光脉冲内同时存在三个频率分量，不需要将其分成三个脉冲分别进行处理。为得到最佳信号处理结果，应使电光调制器EOM的调制频率小于声光调制器AOM引入的频移，且通过电光调制器EOM控制使三个载波信号能量差值在3dB以内。

将通过声光调制器AOM后形成的带有正弦调制的随机脉冲序列经过掺铒光纤放大器EDFA进行信号放大后，输出的信号进入环形器a及布拉格光纤光栅(布拉格光纤光栅FBG)滤去噪声，去噪后的带有正弦调制的随机脉冲序信号通过环形器b的第2端口输出到待测光纤FUT，产生后向瑞利散射信号。其中，待测光纤FUT包括但不限于普通单模光纤、多芯光纤、少模光纤等。

产生的后向瑞利散射信号通过环形器b的第3端口输出并与耦合器coupler11输出的另一路单频连续光信号(作为本地光)通过3dB耦合器coupler12相干，耦合输出的两路耦合信号由平衡光电探测器BPD进行光信号采样并转化为电信号，最后由高速示波器Oscilloscope进行数据采集用以后续处理。其中，经过平衡光电探测器BPD对两路耦合信号拍频之后，信号被迁移至中频。

将采集到的数据在电脑上进行相干解调之后，根预先设定的随机时序采样光脉冲对信号进行时序重组，使得待测光纤上每个位置对应的随机采样序列被一一列出，并排列成矩阵形式，然后通过离散傅里叶变换对数据进行处理，得到振动信号的频谱，在振动信号的频谱上，寻找频率异变信号，即可快速定位振动事件所在位置。

本发明实现了对超越奈奎斯特采样定理限制的超高频率振动信号的定量监测，并将极大提升相位敏感光时域反射传感技术在现实中的应用价值，可在任意传感光纤上实现对远超限制的超高频信号进行测量。

进一步地，对于每个确定的频率，在待测光纤内的衰落位置是确定的，对于不同频率，在待测光纤内的衰落位置一般不同，本发明通过复用三个或多个频率信号使得待测光纤中干涉衰落位置处信号互相补偿，从而抑制或消除干涉衰落，进而降低了信号的解调错误率，可以真正实现对振动信号强度的精确测量。具体的：

由于振动信号的强度变化与瑞利散射信号的相位变化间成线性关系，瑞利信号的相位改变量是可测得的，且与光纤所受外界应力之间满足：

其中，ΔΦ为扰动位置处瑞利信号相位改变量，ε为光纤产生的应变值，n为光纤折射率，l为受应力影响的光纤长度，λ为探测光波长，ξ为光纤物理性质等决定的常数。

而瑞利散射信号的相位变化又与经过离散傅里叶变换后的到的振动信号的频谱呈线性关系。故可以得到振动信号的强度变化与经过离散傅里叶变换后的到的振动信号的频谱呈线性关系。

基于上述关系，进行振动信号响应曲线标定，即提前测量振动信号大小和测定的频率异变信号的信号强度之间的关系。在随机时序采样光脉冲确定后，任意位置处的瑞利散射信号的相位变化时域曲线与其离散傅里叶变换频谱峰值之间成线性关系，其线性关系函数与随机时序采样光脉冲成确定的关系。对振动信号响应曲线进行标定的一种经济的方法是直接在待测传感光纤末端通过压电换能器(PZT)等器件引入已知强度与频率的振动信号，通过改变振动信号强度，测得对应振动频率下的信号频谱，再将测得的多个数据线进行线性拟合，即可求得具体的线性关系函数，即经过离散傅里叶变换后的到的振动信号的频谱峰值与振动信号的强度变化之间的线性关系。在具体的应用中，安装完成传感器系统后在待测光纤末端对振动信号线性响应函数进行校准；在后续工作中，只需对采集到的光信号进行离散傅里叶变换即可定位异常信号，且可进一步根据异常信号的频谱峰值强度及标定线性关系函数计算监测到的信号大小，可借此对信号危险程度进行判断，或是对安全小信号进行误报排除等。

本发明中的分布式超高频振动信号光纤传感器，最高可探测频率不再如传统均匀采样方案一般受传感光纤总长度限制，而是受预先设定的随机时序采样光脉冲的最小时间分辨率(即序列内所有脉冲时间间隔的最大公约数)所限，理论上满足最大公约数越小，频率响应上限越大。当不考虑设备器件的物理限制，本发明的方案得到的频率响应上限可以任意大。例如，若预先设定的随机时序采样光脉冲的所有脉冲时间间隔之间的最大公约数为1us，则其频率响应能力等效于以1us为脉冲间隔的均匀采样，由奈奎斯特定理，其可探测最高频率为

实际上，本发明中，频率响应上限受波形发生器或其它能够产生预先设定的随机时序采样光脉冲的微波源性能限制。

实施例1

本实施例中，通过两通道的任意波形发生器AWG产生的预先设定的随机时序采样光脉冲，该预先设定的随机时序采样光脉冲为每两个探测脉冲的时间间隔均不相同，且均大于光脉冲在待测光纤中的渡越时间的两倍，以保证瑞利信号之间不发生重叠，且所有脉冲时间间隔之间的最大公约数为1us，如图3所示。

采用窄线宽激光器，输出功率和频率稳定的连续光。待测光纤FUT为普通单模光纤。

根据目标传感场景，确定传感光纤长度、折射率、声光调制器AOM移频量等参数，选择探测光波长、边带调制频率等参数，其中边带调制频率(任意波形发生器AWG产生的单一频率正弦脉冲的频率)至少应小于声光调制器AOM引入频移；再根据光脉冲在待测光纤中的渡越时间来确定探测脉冲的时间间隔。

搭建如图1所示的分布式超高频振动信号光纤传感器系统。任意波形发生器AWG生成v₀为200MHz的正弦脉冲信号，电光调制器EOM调制频率为80MHz，调制完成后得到的随机光脉冲序列在相干解调后，将同时存在120MHz、200MHz、280MHz三个频移分量。通过本发明中的分布式超高频振动信号光纤传感器系统后，将得到的数据进行相干解调，恢复待测光纤上每个位置对应的随机采样序列，并通过相应的傅里叶变换得到频率异变信号。

进行振动信号响应曲线标定，得到如图4所示的5km待测光纤(在4.92km处施加振动信号)上对96kHz振动信号的响应曲线，图中纵轴为处理得到的信号频谱峰值大小，横轴为PZT输入信号的电压大小(正比于振动信号强度)，处理结果能够对振动信号强度作线性响应。仿真结果表明，通过本发明中的传感器，在5km的待测光纤上探测得到了频率高达384kHz的振动信号，而传统的探测方案可以探测到的频率上限为10kHz。可以看出，采用本发明的方案，虽然低于理论上可探测的频率上限500kHz(如前文所述，是由于任意波形发生器AWG的物理限制)，但仍数十倍于传统探测方案的上限频率。

如图5所示，当目标信号为384kHz时，得到的探测信号的频谱，可以从图5中看出清晰的384kHz频率分量，同时观察到500kHz频率上限之后的频谱重复。

如图6和图7所示，图6为传统的单一频率探测方案下振动信号附近相位图样，图7为本发明实施例中的振动信号附近相位图样。其中，图6和图7为同一次测量结果，从振动位置均为4.92km可直接看出。

从图6中可以看出，对于传统的单一频率探测方案，相干探测得到的瑞利散射信号的相位谱虽然能够携带目标信号的强度信息，但不可避免地受到干涉衰落的极大干扰，在应对信号较小的长距离传感场景和对信号敏感度较高的随机采样探测场景下这一问题尤为突出。如本实施例中，针对目标信号(4.92km处的振动信息)，由于受到干涉衰落的影响，完全被淹没在干涉衰落带来的伪信号中，试图提取其中的目标信号强度信息是不切实际的。

从图7中可以看出，在采用本实施例中所使用的衰落抑制方案后，相比图6，三频合成信号结果中干涉衰落被完全抑制，能够直接从信号相位图中定位出目标信号位置，同时排除干涉衰落带来的伪信号影响，准确测量目标信号导致的瑞利散射信号相位变化，从而极大提升信噪比，真正实现对目标信号的定量测量。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中随机采样时序方案为：将随机时序采样光脉冲分为十组，每组内共30-100个探测脉冲，同组内的探测脉冲时间间隔相等且大于脉冲在光纤中的渡越时间的两倍，而不同组间的探测脉冲时间间隔不同，分别Δt₁、Δt₂……Δt₁₀，但时间间隔最大公约数与实施例1相同，即对应可探测的频率上限相同，如图8所示。

当探测相同的目标信号时(待测信号频率和强度相同)，得到的探测信号的频谱如图9所示，可以从图中看出，能够分辨出清晰的384kHz频率分量，观察到500kHz频率上限之后的频谱重复，但是噪声基底不如实施例1的平滑，信噪比较实施例1略差。即针对不同的随机时序采样光脉冲，所得到的频谱信噪比不同。而最终得到的振动信号附近相位图样与图7类似，不同的是由于采用的随机时序采样光脉冲不同，得到的在4.92km处的振动信息灰有所不同。

需要说明的是，在其它实施例中，也可以使用其它对探测脉冲时间间隔进行调制的随机采样方案，只要不是单一频率重复探测方案即可。在实际应用中，基于探测脉冲序列随机度越高，相同条件下探测结果的信噪比越好的原则进行选择随机采样方案。

本发明提出并实验验证了基于随机采样技术的干涉衰落抑制的相干φ-OTDR技术，实现了在中长距离传感场景下对超越奈奎斯特频率的超高频率振动信号的定量检测，根据这一特征可以实现不受采样定理限制的分布式长距离/超长距离振动信号传感系统或结构安全监测系统。

本发明基于随机采样技术，对光脉冲时间间隔进行调制，并能够实现衰落抑制的相干相敏分布式超高频振动传感器，通过在任意传感光纤中搭建相干相位敏感光时域反射传感系统(φ-OTDR)，并使用频分复用方案进行干涉衰落抑制后，对系统的探测脉冲时间间隔进行一定规则下的随机调制，从而实现随机采样，大大降低了系统出现错误的风险，极大提升了对于信号强度的测量准确性，使得该方案在实践中的应用成为可能。本方案在超长距离安全监测和超高频率安全监测等领域(如油气管道安全监测等长距离监测领域及道路桥梁结构健康监测等特殊信号监测领域)具有不可替代的价值，具有广阔的市场前景。

同时，实验也证了实该系统可以在长距离传感光纤中实现对数百kHz量级超高频率的振动信号的位置的准确定位，并对振动信号的频率和强度进行准确测量。

需要指出的是，图1所展示的系统结构可能有很多变种，无法在此一一列举，但凡是使用随机采样技术突破探测频率限制、且使用频分复用方案进行干涉衰落消除的相干φ-OTDR探测系统，均在本发明所要求的保护范围内，而不受所使用的光纤的性质、所使用的频率复用方案的差异、系统结构的顺序和方向、数据处理的具体方案差异等改变所影响，不以具体系统的实现方式的不同而跳出本发明所要求保护的范围。例如不能说通过对系统做一些变化，如多使用或少使用某些仪器，或者采用另一种与实施例不同的频率复用手段或是相干接收与解调技术等，来绕过本发明所要求的保护。

本发明提供了一种分布式超高频振动信号测量方法，包括：

步骤S1、输出单频连续光载波信号，并将其分为两路；将其中一路用多个不同频率正弦脉冲调制，形成具有多个频率分量的多边带信号；

步骤S2、将多边带信号通过随机时序采样光脉冲调制为带有正弦调制的随机脉冲序列；

步骤S3、将随机脉冲序列输入到待测光纤FUT，待测光纤FUT产生连续的后向瑞利散射信号，将后向瑞利散射信号与另一路光载波信号耦合后输出两路连续的耦合信号；

步骤S4、提取两路连续的耦合信号拍频后的强度信息，对该强度信息滤波使多个频率分量分离，对分离后的多个频率信号分别进行相干解调；

步骤S5、将相干解调后的多个频率信号合并，根据随机时序采样光脉冲对合并后的信号进行时序重组；

步骤S6、对重组后的信号的相位进行离散傅里叶变换，得到该相位对应的频谱，该频谱的频率和振幅分别表征振动信号的振动频率和强度。

其中，随机时序采样光脉冲满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，并且采样时间间隔满足任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。

作为优选，步骤S1中，还包括调整多个频率分量的多边带信号的偏振态，使多个频率分量的能量趋近相等。

作为优选，在步骤S3之前还包括步骤：将带有正弦调制的随机脉冲序列进行信号放大。

作为优选，还包括步骤：滤除信号放大后的随机脉冲序列中的宽谱噪声。

作为优选，预先设定的随机时序采样光脉冲为每两个采样脉冲的时间间隔均不相同，

或为多组，同组内的采样脉冲时间间隔相等，不同组间的采样脉冲时间间隔不同。

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 (10)

1.一种分布式超高频振动信号测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1、输出单频连续光载波信号，并将其分为两路；将其中一路用单一频率正弦脉冲进行调制，形成具有三个频率分量的双边带信号；或者用多个不同频率正弦脉冲进行调制，形成具有多个频率分量的多边带信号；

步骤S2、将所述双边带信号或多边带信号通过随机时序采样光脉冲调制为带有正弦调制的随机脉冲序列；

步骤S3、将所述随机脉冲序列输入到待测光纤FUT，待测光纤FUT产生连续的后向瑞利散射信号，将所述后向瑞利散射信号与另一路光载波信号耦合后输出两路连续的耦合信号；

步骤S4、提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息，对该强度信息滤波使多个频率分量分离，对分离后的多个频率信号分别进行相干解调；

步骤S5、将相干解调后的多个频率信号合并，根据随机时序采样光脉冲对合并后的信号进行时序重组；

步骤S6、对重组后的信号的相位进行离散傅里叶变换，得到该相位对应的频谱，该频谱的频率和振幅分别表征振动信号的振动频率和强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机时序采样光脉冲满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，并且采样时间间隔满足任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。

3.据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，还包括调整所述多个频率分量的多边带信号的偏振态，使多个频率分量的能量趋近相等。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3之前还包括步骤：将带有正弦调制的随机脉冲序列进行信号放大。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括步骤：滤除信号放大后的随机脉冲序列中的宽谱噪声。

6.一种分布式超高频振动信号光纤传感器，其特征在于，包括：

激光器laser，用于输出单频连续光载波信号；

耦合器coupler11，用于将所述单频连续光载波信号分为两路光载波信号；

任意波形发生器AWG，至少为两通道，其中一个通道连接电光调制器EOM，用于产生单个频率正弦脉冲或多个频率正弦脉冲，另一个通道连接声光调制器AOM，用于产生随机时序采样光脉冲；

电光调制器EOM，将其中一路光载波信号用所述单个频率正弦脉冲进行调制，形成具有三个频率分量的双边带信号；或者用多个频率正弦脉冲进行调制，形成具有多个频率分量的多边带信号；

声光调制器AOM，用于将所述双边带信号或多个频率分量的多边带信号通过所述随机时序采样光脉冲调制为带有正弦调制的随机脉冲序列；

环形器b，用于将所述带有正弦调制的随机脉冲序列输出到待测光纤FUT，待测光纤FUT产生连续的后向瑞利散射信号通过所述环形器b另一端口输出；

3dB耦合器coupler12，用于将所述后向瑞利散射信号与耦合器coupler11输出的另一路光载波信号进行耦合后输出两路连续的耦合信号；

平衡光电探测器BPD，用于探测所述两路连续的耦合信号的拍频信号强度信息，将所述强度信息输入高速示波器Oscilloscope进行采集。

7.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述随机时序采样光脉冲满足光脉冲的采样时间间隔不全部相等，并且采样时间间隔满足任意两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。

8.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，还包括设置在耦合器coupler11与电光调制器EOM之间的偏振控制器PC，用于调整所述多个频率分量的多边带信号的偏振态，使多个频率分量的能量趋近相等。

9.根据权利要求8所述的光纤传感器，其特征在于，在所述声光调制器AOM与环形器b之间，还设置有掺铒光纤放大器EDFA。

10.根据权利要求9所述的光纤传感器，其特征在于，在所述掺铒光纤放大器EDFA与环形器b之间，还设有环形器a及布拉格光纤光栅FBG，其中，所述环形器a的两个端口分别连接所述掺铒光纤放大器EDFA与环形器b，所述布拉格光纤光栅FBG连接环形器a的另外一个端口。