CN114577326A - 基于少模光纤的分布式振动传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于少模光纤的分布式振动传感系统及方法。包括：信号模块、信号复用模块和信号处理模块；所述信号模块用于产生探测信号和参考信号；所述信号复用模块用于将所述探测信号耦合至所述少模光纤；所述少模光纤用于根据传感位置的振动状态生成传感信号；所述信号复用模块还用于将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；所述信号处理模块用于根据所述参考信号和N路所述空间模式信号解调所述传感位置的振动状态。本发明提供的技术方案，降低长距离光纤传感链路上少模光纤各空间模式信号在空间上的随机不均匀影响，提高了定位测量精度和传感精度。

Description

基于少模光纤的分布式振动传感系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及光纤传感技术，尤其涉及一种基于少模光纤的分布式振动传感系统及方法。

背景技术

相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)由于其灵敏度高、系统结构简单稳定、可实现分布式测量等优点,成为了光纤传感领域的一项重要技术。Φ-OTDR系统主要的研究重点在于相位解调技术,现阶段Φ-OTDR相位解调主要通过扫频、脉冲啁啾化、相干探测结合算法等方式实现,而这些方式面临着测量响应范围小、空间分辨率较差或增加系统复杂化等缺点。

如传统以单模光纤为传感介质的Φ-OTDR相干探测分布式光纤传感系统能在一定程度上改善相位解调的物理量测量精度，但由于其固有的后向瑞利散射系数低和易遭受信号衰减的问题，导致系统的信噪比仍然受限，相比于传统基于反射点的离散光纤传感器在传感距离上性能有较大的差距。传统单模光纤的信号衰落也影响Φ-OTDR分布式光纤传感系统的可靠性。

发明内容

本发明提供一种基于少模光纤的分布式振动传感系统及方法，降低长距离光纤传感链路上少模光纤各空间模式信号在空间上的随机不均匀影响，提高了定位测量精度和传感精度。

第一方面，本发明实施例提供一种基于少模光纤的分布式振动传感系统，包括：信号模块、信号复用模块和信号处理模块；

所述信号模块用于产生探测信号和参考信号；

所述信号复用模块包括信号输入端、第一输出端和至少N个第二输出端；所述信号复用模块的信号输入端接入所述探测信号，所述信号复用模块的第一输出端连接所述少模光纤；所述信号复用模块用于将所述探测信号耦合至所述少模光纤；所述少模光纤用于根据传感位置的振动状态生成传感信号；所述信号复用模块还用于将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；

所述信号处理模块包括至少N个第一输入端和至少N个第二输入端；

所述信号处理模块的第一输入端对应连接所述信号复用模块的第二输出端；所述信号处理模块的第二输入端接入所述参考信号；所述信号处理模块用于根据所述参考信号和N路所述空间模式信号解调所述传感位置的振动状态。

可选的，所述信号复用模块包括第一耦合单元、N个环形器和模式复用单元；

所述第一耦合单元的输入端作为所述信号复用模块的信号输入端；所述第一耦合单元用于将所述探测信号分成N路输出；每一所述环形器的输入端对应接入一路所述探测信号；每一所述环形器的第一输出端连接所述模式复用单元的输入端；每一所述环形器的第二输出端对应连接所述信号处理模块的第一输入端；所述环形器用于将所述探测信号输入至所述模式复用单元；所述模式复用单元用于将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号，并将每一路所述空间模式信号输入至对应的所述环形器的第一输出端；所述环形器还用于将所述空间模式信号由第二输出端输出至信号处理模块。

可选的，所述信号处理模块包括N个第二耦合单元和处理单元；

每一所述第二耦合单元的第一输入端接入一路所述空间模式信号；每一所述第二耦合单元的第二输入端接入一路所述参考信号；所述第二耦合单元用于将所述空间模式信号和所述参考信号进行耦合输出空间模式耦合信号；

所述处理单元与每一所述第二耦合单元连接；所述处理单元用于采集预设周期内的N路所述空间模式耦合信号，并根据所述空间模式耦合信号解调所述传感位置的振动状态。

可选的，所述处理单元包括数据采集子单元和计算子单元；

所述数据采集子单元用于采集预设周期内的N路所述空间模式耦合信号；

所述计算子单元与所述数据采集子单元连接；所述计算子单元用于去除N路所述空间模式耦合信号中每一个传感位置的N个数据中的最小值，计算每一个传感位置的N-1个数据的平均值，并根据每一个传感位置的N-1个数据的平均值解调所述传感位置的振动状态。

可选的，所述处理单元还包括至少N个双平衡探测器；所述数据采集子单元与所述第二耦合单元之间对应串联一个所述双平衡探测器；所述双平衡探测器用于提高系统信噪比。

可选的，所述信号模块包括：信号发生单元、调制单元、第三耦合单元和第四耦合单元；

所述信号发生单元用于生成激光信号；

所述第三耦合单元与所述信号发生单元连接；所述第三耦合单元用于将激光信号分光两路输出光；

所述调制单元与所述第三耦合单元连接；所述调制单元用于将激光信号调制为所述探测信号；

所述第四耦合单元与所述第三耦合单元连接，所述第四耦合单元用于将所述参考信号分光为N路输出。

可选的，所述信号模块还包括第一放大单元和第二放大单元；

所述第一放大单元与所述调制单元连接；所述第一放大单元用于放大所述探测信号；

所述第三耦合单元与所述第四耦合单元之间连接所述第二放大单元；所述第二放大单元用于放大所述参考信号。

第二方面，本发明实施例提供一种基于少模光纤的分布式振动传感方法，由本发明实施例任意所述的少模光纤的分布式振动传感系统执行，所述方法包括：

所述信号模块产生探测信号和参考信号；

所述信号复用模块将所述探测信号耦合至所述少模光纤；所述少模光纤根据传感位置的振动状态生成传感信号；所述信号复用模块还将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；

所述信号处理模块根据所述参考信号和N路所述空间模式信号解调所述传感位置的振动状态。

可选的，所述信号复用模块包括第一耦合单元、N个环形器和模式复用单元；

所述第一耦合单元将所述探测信号分成N路输出；所述环形器将所述探测信号输入至所述模式复用单元；所述模式复用单元将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号，并将每一路所述空间模式信号输入至对应的所述环形器的第一输出端；所述环形器还将所述空间模式信号由所述环形器的第二输出端输出。

可选的，所述信号处理模块包括处理单元；所述处理单元包括数据采集子单元和计算子单元；

所述数据采集子单元采集预设周期内的N路空间模式耦合信号；

所述计算子单元去除N路所述空间模式耦合信号中每一个传感位置的N个数据中的最小值，计算每一个传感位置的N-1个数据的平均值，并根据每一个传感位置的N-1个数据的平均值解调所述传感位置的振动状态。

本发明实施例提供的技术方案，通过使用少模光纤作为传感系统的信号传输介质和敏感介质，利用信号复用模块将探测信号耦合进少模光纤，激发少模光纤生成N个空间模式，当传感位置发生振动时影响探测信号的相位变化，少模光纤内传输的每个模式分别获得待测物理量信息，不同模式的探测信号传输到光纤另一端反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号进入信号复用模块，信号复用模块将传感信号分解复用为N个空间模式信号，信号处理模块根据N个空间模式信号利用干涉作用将相位探测转换为强度探测，以实现振动的传感。少模光纤的纤芯截面面积较小，不同空间模式中的传感光信号对来自不同方向上的外界物理量变化的敏感性均高度相近。不同空间模式下物理量变化的敏感性差异极小，不会以引起不同空间模式信号合并解调时的合集信号的信噪比降低。可以有效提高传感系统整体的物理参量解调精度，并且少模光纤具有与普通单模光纤接近的衰减系数，也可以获得接近于单模光纤的长传感距离。同时数据处理过程通过采集多个空间模式信号，并将多个空间模式信号共同参与物理量解调，降低了在长距离光纤传感链路上少模光纤各空间模式信号在空间上的随机不均匀带来的负面影响，提高了定位测量精度和传感精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供了一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供了又一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供了又一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图.

图4为本发明实施例提供了又一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种基于少模光纤的分布式振动传感方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供了一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图，参见图1，包括：信号模块110、信号复用模块120和信号处理模块130；

信号模块110用于产生探测信号和参考信号；

信号复用模块120包括信号输入端、第一输出端和至少N个第二输出端；信号复用模块120的信号输入端接入探测信号，信号复用模块120的第一输出端连接少模光纤140；信号复用模块120用于将探测信号耦合至少模光纤；少模光纤用于根据传感位置的振动状态生成传感信号；信号复用模块120还用于将传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；

信号处理模块130包括至少N个第一输入端和至少N个第二输入端；

信号处理模块130的第一输入端对应连接信号复用模块120的第二输出端；信号处理模块130的第二输入端接入参考信号；信号处理模块130用于根据参考信号和N路空间模式信号解调传感位置的振动状态。

具体的，少模光纤是一种可以使几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。少模光纤可以容纳两个及以上的空间模式传输，各个空间模式均可用于振动、应变、温度、湿度或损耗的测量。目前研究和商用化的少模光纤产品主要是两模、四模、六模等。少模光纤的光纤模式输出较少，有利于模式选择及信号处理。其中，空间模式是指光纤传输的光电磁波的分布情况。一般来说，不同的空间模式有不同的的场结构，且每一种传输波导都有一个与其对应的基模。系统中除传感光纤外，其他光纤连接均采用单模光纤。

信号模块110的信号光源为激光光源，激光是基于物质受激辐射原理而产生的一种高强度的相干光，激光具有相同的频率、方向和严格的相位关系。激光器可以采用超窄线宽的强相干激光器，提高系统的灵敏度。信号模块110生成探测信号和参考信号，其中，探测信号是激光信号的调制信号，示例性的，可以利用电信号对激光器进行脉冲调制得到具有脉冲特性的脉冲激光信号，利用脉冲周期可以解调探测信号的传输距离，进而可以分析振动发生位置。信号复用模块120将探测信号耦合进少模光纤140，探测信号在少模光纤140内激发出空间模式，其中可激发的空间模式个数，由少模光纤140可以传输的波导决定。示例性的，本发明实施例传感光纤使用四模的少模光纤140，即少模光纤140中包括四种独立的空间模式传输的并行数据流，N取值为四，需要说明的是，少模光纤140的空间模式个数仅为示意，并不具体限定。其中，传感用的少模光纤140的长度可以根据需要检测的传感距离和传感区域内进行铺设，探测信号在少模光纤140中以四种不同模式的独立数据通道进行传输，传感位置发生振动时影响探测信号的相位变化，少模光纤140内传输的每个模式分别获得待测物理量信息，不同模式的探测信号传输到光纤另一端反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号进入信号复用模块120，传感信号进入信号复用模块120，信号复用模块120根据可传输的空间模式解复用输出四个空间模式信号。信号处理模块130根据四个空间模式信号利用干涉作用将相位探测转换为强度探测，以实现解调传感位置的振动状态。其中，示例性的，可以采用平均或差分等算法进行解调分析。

本发明实施例提供的技术方案，通过使用少模光纤作为传感系统的信号传输介质和敏感介质，利用信号复用模块将探测信号耦合进少模光纤，激发少模光纤生成N个空间模式，当传感位置发生振动时影响探测信号的相位变化，少模光纤内传输的每个模式分别获得待测物理量信息，不同模式的探测信号传输到光纤另一端反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号进入信号复用模块，信号复用模块将传感信号分解复用为N个空间模式信号，信号处理模块根据N个空间模式信号利用干涉作用将相位探测转换为强度探测，以实现振动的传感。本发明实施例采用少模光纤作为传感光纤，由于少模光纤的纤芯截面面积较小，不同空间模式中的传感光信号对来自不同方向上的外界物理量变化的敏感性均高度相近。不同空间模式下物理量变化的敏感性差异极小，不会以引起不同空间模式信号合并解调时的合集信号的信噪比降低。可以有效提高传感系统整体的物理参量解调精度。并且少模光纤具有与普通单模光纤接近的衰减系数，也可以获得接近于单模光纤的长传感距离。同时数据处理过程通过采集多个空间模式信号，并将多个空间模式信号共同参与物理量解调，降低了在长距离光纤传感链路上少模光纤各空间模式信号在空间上的随机不均匀带来的负面影响，提高了定位测量精度和传感精度。

基于上述实施例，图2为本发明实施例提供了又一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图，参见图2，信号复用模块120包括第一耦合单元210、N个环形器220和模式复用单元230；

第一耦合单元210的输入端作为信号复用模块120的信号输入端；第一耦合单元210用于将探测信号分成N路输出；每一环形器220的输入端对应接入一路探测信号；每一环形器220的第一输出端连接模式复用单元230的输入端；每一环形器220的第二输出端对应连接信号处理模块130的第一输入端；环形器220用于将探测信号输入至模式复用单元230；模式复用单元230用于将传感信号分解复用为N路空间模式信号，并将每一路空间模式信号输入至对应的环形器220的第一输出端；环形器220还用于将空间模式信号由第二输出端输出至信号处理模块。

具体的，探测信号经过第一耦合单元210分成N路输出，示例性的，本实施例中，少模光纤140采用四模的少模光纤，根据少模光纤140类型将探测信号分光为四路输出，分别输入到环形器220的输入端。其中，环形器220是有数个端的非可逆器件。从输入端输入的信号，其信号只能从第一输出端输出，同样，从第一输出端输入的信号只能从第二输出端输出。环形器220的第一输出端将探测信号输出至模式复用单元230，模式复用单元230将四路探测信号耦合到少模光纤140中，少模光纤140内传输的每个模式分别获得待测物理量信息，不同模式的探测信号传输到光纤另一端经光纤端面反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号由少模光纤140进入模式复用单元230，模式复用单元230根据解复用输出四个空间模式信号分别由环形器220的第二输出端输出至信号处理模块130。实现分解的空间模式单独输出，可以对各模式获取的信号分别处理并分析待测物理量，提高数据分析的数据丰富度。其中，模式复用单元230可以采用模式复用器，模式复用器的工作原始是基于光空分复用技术，是利用不同空间位置传输不同信号的复用方式。

基于上述实施例，图3为本发明实施例提供了又一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图，参见图3，信号处理模块130包括N个第二耦合单元310和处理单元320；

每一第二耦合单元310的第一输入端接入一路空间模式信号；每一第二耦合单元310的第二输入端接入一路参考信号；第二耦合单元310用于将空间模式信号和参考信号进行耦合输出空间模式耦合信号；

处理单元320与每一第二耦合单元310连接；处理单元320用于采集预设周期内的N路空间模式耦合信号，并根据空间模式耦合信号解调传感位置的振动状态。

具体的，第二耦合单元310的个数与少模光纤140的空间模式个数有关，示例性的，少模光纤140为四模的少模光纤140。模式复用单元230分解复用后输出四路空间模式信号，每路空间模式信号对应接入一个第二耦合单元310，每个第二耦合单元310在接入一路参考信号，空间模式信号和参考信号在第二耦合单元310产生在传感位置处发生干涉，在光谱图上会表现出相应的干涉波峰或波谷。处理单元320接收每一个第二耦合单元310的空间模式耦合信号，在一个采集周期中，根据信号接收的时间可以解调出振动传感的位置点，并利用四路空间模式耦合信号的相位转换为强度探测，解调传感位置处的振动强度。其中，可以利用多路的空间模式耦合信号通过平均或差分等算法，进一步提高的定位测量精度和传感精度。

基于上述实施例，可选的，处理单元320包括数据采集子单元321和计算子单元322；

数据采集子单元321用于采集预设周期内的N路空间模式耦合信号；

计算子单元322与数据采集子单元321连接；计算子单元322用于去除N路空间模式耦合信号中每一个传感位置的N个数据中的最小值；还用于计算每一个传感位置的N-1个数据的平均值，并根据每一个传感位置的N-1个数据的平均值解调传感位置的振动状态。

具体的，数据采集子单元321可以采用为数据采集卡，数据采集子单元321根据预设周期采集四路空间模式耦合信号，计算子单元322根据预设周期的时间和光速参数可以确定传感光纤的传感位置，即传感光纤中的一段传感长度。计算子单元322将每一个传感位置对应的四路空间模式耦合信号中数据的最小值剔除，并将剩余三路数据求和取平均，根据合并后的空间模式耦合信号进行数据分析解调传感位置的振动状态。通过对相同位置上的数据进行加权平均，在不同的传感位置去除信号较弱的一个数据，从概率上降低了相位不敏感性对传感精度的影响。对于不同方向的振动对不同空间模式造成的敏感不均衡，也可以一定程度降低其影响。

继续参见图3，处理单元320还包括至少N个双平衡探测器330；数据采集子单元321与第二耦合单元310之间对应串联一个双平衡探测器330；双平衡探测器330用于提高系统信噪比。

具体的，双平衡探测器330集成两个匹配的高线性度模拟PIN探测器和低噪声宽带跨阻放大器，具有高增益、高灵敏度、直流耦合输出、共模抑制比高等特点，可以有效减少输出的共模噪声，提高输出电信号的信噪比。

图4为本发明实施例提供了又一种基于少模光纤的分布式振动传感系统的结构示意图，参见图4，信号模块110包括：信号发生单元111、调制单元112、第三耦合单元113和第四耦合单元114第四耦合单元114；

信号发生单元111用于生成激光信号；

第三耦合单元113与信号发生单元111连接；第三耦合单元113用于将激光信号分光两路输出光；

调制单元112与第三耦合单元113连接；调制单元112用于将激光信号调制为探测信号；

第四耦合单元114与第三耦合单元113连接，第四耦合单元用于将参考信号分光为N路输出。

具体的，信号发生单元111可以采用激光器产生激光信号，激光具有相同的频率、方向和严格的相位关系。激光器可以采用超窄线宽的强相干激光器，提高系统的灵敏度。信号发生单元111产生激光信号后，由第三耦合单元113将激光信号分成两路信号出射，调制单元112接收一路该激光信号，将激光信号调制为脉冲激光，示例性的，调制模块可以采用电光调制器，利用信号源对激光信号进行脉冲调制得到具有脉冲特性的脉冲激光信号，即探测信号。第四耦合单元114将第三耦合单元113发射的另一路激光信号分成N路输出，即参考信号，示例性的，少模光纤140为四模的少模光纤140，则将参考信号分成四路输出至信号处理模块130。其中，探测信号与参考信号都经过1×N耦合器后分成N路。本发明实施例，探测信号与参考信号经过1×4耦合器后分成四路。四路探测光分别经过环形器220后通过模式复用单元230注入到少模光纤140中，探测信号在少模光纤140中以四种不同空间模式的独立数据通道进行传输，各个模式中的后向瑞利散射光信号经模式复用单元230后通过环形器220和四路参考信号通过分光比为50:50的第二耦合单元310进行拍频，拍频后的信号经过双平衡探测器330进行探测，输出的电信号由数据采集子单元321进行采集，将相位探测转换为强度探测，以实现振动的传感。

可选的，信号模块110还包括第一放大单元115和第二放大单元116；

第一放大单元115与调制单元112连接；第一放大单元115用于放大探测信号；

第三耦合单元113与第四耦合器114之间连接第二放大单元116；第二放大单元用于放大参考信号。

具体的，第一放大单元115和第二放大单元116用于分别放大探测信号和参考信号。从而提高探测信号和参考信号强度，提高系统的信号信噪比。

图5为本发明实施例提供的一种基于少模光纤的分布式振动传感方法的流程示意图，由本发明实施例任意的基于少模光纤的分布式振动传感系统执行，该装置可采用硬件和/或软件的方式来实现。少模光纤的分布式振动传感系统包括：信号模块、信号复用模块和信号处理模块；

该方法具体包括：

S510、信号模块产生探测信号和参考信号；

具体的，信号模块的信号光源为激光光源，激光是基于物质受激辐射原理而产生的一种高强度的相干光，激光具有相同的频率、方向和严格的相位关系。激光器可以采用超窄线宽的强相干激光器，提高系统的灵敏度。信号模块生成探测信号和参考信号，其中，探测信号是激光信号的调制信号，示例性的，可以利用电信号对激光器进行脉冲调制得到具有脉冲特性的脉冲激光信号，利用脉冲周期可以解调探测信号的传输距离，进而可以分析振动发生位置。

S520、信号复用模块将探测信号耦合至少模光纤；少模光纤根据传感位置的振动状态生成传感信号；信号复用模块还将传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；

具体的，信号复用模块将探测信号耦合进少模光纤，探测信号在少模光纤内激发出空间模式，其中可激发的空间模式个数，由少模光纤可以传输的波导决定。示例性的，本发明实施例传感光纤使用四模的少模光纤，即少模光纤中包括四种独立的空间模式传输的并行数据流，需要说明的是，少模光纤的空间模式个数仅为示意，并不具体限定。其中，传感用的少模光纤的长度可以根据需要检测的传感距离进行设定，探测信号在少模光纤中以N种不同模式的独立数据通道进行传输，传感位置发生振动时影响探测信号的相位变化，少模光纤内传输的每个模式分别获得待测物理量信息，不同模式的探测信号传输到光纤另一端反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号进入信号复用模块，传感信号进入信号复用模块，信号复用模块根据可传输的空间模式解复用输出N个空间模式信号。

S530、信号处理模块根据参考信号和N路空间模式信号解调传感位置的振动状态。

具体的，信号处理模块根据N个空间模式信号利用干涉作用将相位探测转换为强度探测，以实现解调传感位置的振动状态。其中，示例性的，可以采用平均或差分等算法进行解调分析。

本发明实施例提供的技术方案，通过使用少模光纤作为传感系统的信号传输介质和敏感介质，利用信号复用模块将探测信号耦合进少模光纤，激发少模光纤生成N个空间模式，当传感位置发生振动时影响探测信号的相位变化，少模光纤内传输的每个模式分别获得待测物理量信息，不同模式的探测信号传输到光纤另一端反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号进入信号复用模块，信号复用模块将传感信号分解复用为N个空间模式信号，信号处理模块根据N个空间模式信号利用干涉作用将相位探测转换为强度探测，以实现振动的传感。本发明实施例采用少模光纤作为传感光纤，由于少模光纤的纤芯截面面积较小，不同空间模式中的传感光信号对来自不同方向上的外界物理量变化的敏感性均高度相近。不同空间模式下物理量变化的敏感性差异极小，不会以引起不同空间模式信号合并解调时的合集信号的信噪比降低。可以有效提高传感系统整体的物理参量解调精度。并且少模光纤具有与普通单模光纤接近的衰减系数，也可以获得接近于单模光纤的长传感距离。同时数据处理过程通过采集多个空间模式信号，并将多个空间模式信号共同参与物理量解调，降低了在长距离光纤传感链路上少模光纤各空间模式信号在空间上的随机不均匀带来的负面影响，提高了定位测量精度和传感精度。

可选的，信号复用模块包括第一耦合单元、N个环形器和模式复用单元；

第一耦合单元将探测信号分成N路输出；环形器将探测信号输入至模式复用单元；模式复用单元将传感信号分解复用为N路空间模式信号，并将每一路空间模式信号输入至对应的环形器的第一输出端；环形器还将空间模式信号由的第二输出端输出至信号处理模块。

示例性的，本实施例中，根据少模光纤类型将探测信号分光为四路输出，分别输入到环形器的输入端。环形器的第一输出端将探测信号输出至模式复用单元，模式复用单元将四路探测信号耦合到少模光纤中，不同模式的探测信号传输到光纤另一端反射后形成后向瑞利散射光信号，后向瑞利散射光信号将作为传感信号进入信号复用模块，传感信号进入信号复用模块，信号复用模块根据解复用输出四个空间模式信号分别由环形器的第二输出端输出至信号处理模块。实现分解的空间模式单独输出，可以对各模式获取的信号分别处理并分析待测物理量，提高数据分析的数据丰富度。

可选的，信号处理模块包括处理单元；处理单元包括数据采集子单元和计算子单元；

数据采集子单元采集预设周期的N路空间模式耦合信号；

计算子单元去除N路空间模式耦合信号中每一个传感位置的N个数据中的最小值，计算每一个传感位置的N-1个数据的平均值，并根据每一个传感位置的N-1个数据的平均值解调传感位置的振动状态。

具体的，数据采集子单元根据预设周期采集四路空间模式耦合信号，根据预设周期的时间和光速参数可以确定传感光纤的传感位置，即传感光纤中的一段传感长度。筛选子单元将每一个传感位置对应的四路空间模式耦合信号中数据的最小值剔除，计算子单元将剩余三路数据求和取平均，处理子单元根据合并后的空间模式耦合信号进行数据分析解调传感位置的振动状态。通过对相同位置上的数据进行加权平均，在不同的传感位置去除信号较弱的一个数据，从概率上降低了相位不敏感性对传感精度的影响。对于不同方向的振动对不同空间模式造成的敏感不均衡，也可以一定程度降低其影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，包括：信号模块、信号复用模块和信号处理模块；

所述信号模块用于产生探测信号和参考信号；

所述信号复用模块包括信号输入端、第一输出端和至少N个第二输出端；所述信号复用模块的信号输入端接入所述探测信号，所述信号复用模块的第一输出端连接所述少模光纤；所述信号复用模块用于将所述探测信号耦合至所述少模光纤；所述少模光纤用于根据传感位置的振动状态生成传感信号；所述信号复用模块还用于将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；

所述信号处理模块包括至少N个第一输入端和至少N个第二输入端；

所述信号处理模块的第一输入端对应连接所述信号复用模块的第二输出端；所述信号处理模块的第二输入端接入所述参考信号；所述信号处理模块用于根据所述参考信号和N路所述空间模式信号解调所述传感位置的振动状态。

2.根据权利要求1所述的基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，所述信号复用模块包括第一耦合单元、N个环形器和模式复用单元；

所述第一耦合单元的输入端作为所述信号复用模块的信号输入端；所述第一耦合单元用于将所述探测信号分成N路输出；每一所述环形器的输入端对应接入一路所述探测信号；每一所述环形器的第一输出端连接所述模式复用单元的输入端；每一所述环形器的第二输出端对应连接所述信号处理模块的第一输入端；所述环形器用于将所述探测信号输入至所述模式复用单元；所述模式复用单元用于将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号，并将每一路所述空间模式信号输入至对应的所述环形器的第一输出端；所述环形器还用于将所述空间模式信号由第二输出端输出至信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，所述信号处理模块包括N个第二耦合单元和处理单元；

每一所述第二耦合单元的第一输入端接入一路所述空间模式信号；每一所述第二耦合单元的第二输入端接入一路所述参考信号；所述第二耦合单元用于将所述空间模式信号和所述参考信号进行耦合输出空间模式耦合信号；

所述处理单元与每一所述第二耦合单元连接；所述处理单元用于采集预设周期内的N路所述空间模式耦合信号，并根据所述空间模式耦合信号解调所述传感位置的振动状态。

4.根据权利要求3所述的基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，所述处理单元包括数据采集子单元和计算子单元；

所述数据采集子单元用于采集预设周期内的N路所述空间模式耦合信号；

所述计算子单元与所述数据采集子单元连接；所述计算子单元用于去除N路所述空间模式耦合信号中每一个传感位置的N个数据中的最小值，计算每一个传感位置的N-1个数据的平均值，并根据每一个传感位置的N-1个数据的平均值解调所述传感位置的振动状态。

5.根据权利要求4所述的基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，所述处理单元还包括至少N个双平衡探测器；所述数据采集子单元与所述第二耦合单元之间对应串联一个所述双平衡探测器；所述双平衡探测器用于提高系统信噪比。

6.根据权利要求1所述的基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，所述信号模块包括：信号发生单元、调制单元、第三耦合单元和第四耦合单元；

所述信号发生单元用于生成激光信号；

所述第三耦合单元与所述信号发生单元连接；所述第三耦合单元用于将激光信号分光两路输出光；

所述调制单元与所述第三耦合单元连接；所述调制单元用于将激光信号调制为所述探测信号；

所述第四耦合单元与所述第三耦合单元连接，所述第四耦合单元用于将所述参考信号分光为N路输出。

7.根据权利要求6所述的基于少模光纤的分布式振动传感系统，其特征在于，所述信号模块还包括第一放大单元和第二放大单元；

所述第一放大单元与所述调制单元连接；所述第一放大单元用于放大所述探测信号；

所述第三耦合单元与所述第四耦合单元之间连接所述第二放大单元；所述第二放大单元用于放大所述参考信号。

8.一种基于少模光纤的分布式振动传感方法，其特征在于，由权利要求1-7任一所述的少模光纤的分布式振动传感系统执行，所述方法包括：

所述信号模块产生探测信号和参考信号；

所述信号复用模块将所述探测信号耦合至所述少模光纤；所述少模光纤根据传感位置的振动状态生成传感信号；所述信号复用模块还将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号；其中，N为少模光纤的空间模式个数；

所述信号处理模块根据所述参考信号和N路所述空间模式信号解调所述传感位置的振动状态。

9.根据权利要求8所述的基于少模光纤的分布式振动传感方法，其特征在于，所述信号复用模块包括第一耦合单元、N个环形器和模式复用单元；

所述第一耦合单元将所述探测信号分成N路输出；所述环形器将所述探测信号输入至所述模式复用单元；所述模式复用单元将所述传感信号分解复用为N路空间模式信号，并将每一路所述空间模式信号输入至对应的所述环形器的第一输出端；所述环形器还将所述空间模式信号由所述环形器的第二输出端输出。

10.根据权利要求8所述的基于少模光纤的分布式振动传感方法，其特征在于，所述信号处理模块包括处理单元；所述处理单元包括数据采集子单元和计算子单元；

所述数据采集子单元采集预设周期内的N路空间模式耦合信号；

所述计算子单元去除N路所述空间模式耦合信号中每一个传感位置的N个数据中的最小值，计算每一个传感位置的N-1个数据的平均值，并根据每一个传感位置的N-1个数据的平均值解调所述传感位置的振动状态。

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