CN115326186A - 基于相移双脉冲探测技术的ф-otdr系统及其解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相移双脉冲探测技术的Ф‑OTDR系统及其解调方法，系统包括前端组件，所述前端组件产生经过光环行器输入到待测传感光纤的双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号为经由驱动信号源对声光调制器进行驱动之后产生的、具有初始相位差的两个脉冲激光信号；所述双脉冲激光信号，经过所述待测传感光纤瑞利散射产生后向瑞利散射光信号，所述后向瑞利散射光信号经过光环行器输出至探测处理组件；所述探测处理组件，用于对经过光环行器输出的、所述后向瑞利散射光信号的干涉信号进行光电转换并对电信号进行解析，获取振动事件的位置信息、振动波形和频谱信息。所述系统解决了噪声烦扰严重、光路复杂和硬件成本高的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤振动传感技术领域，尤其涉及一种基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统及其解调方法。
背景技术
在水电水利的基础建设中，如油气管道、轨道交通、桥梁隧道等基础设施，存在大量的物理场需要监测。
在实际应用中，广泛使用的现有技术为分布式光纤传感技术。其中，Ф-OTDR(相位敏感型光时域探测仪)是一种快速发展的分布式振动传感技术，目前常应用为基于强度解调的系统光路和基于相位解调的系统光路。
基于强度解调的系统光路，由于结构简单，存在强度信息只能定性分析振动事件，无法分析振动事件的波形及频谱信息的缺陷，用途少，应用前景差。
基于相位解调的系统光路，由于使用外差探测技术得到中心频率为几十至几百兆赫兹的拍频信号，且需要使用与拍频信号频率匹配的大带宽光电转换器和数据采集设备，导致存在光路复杂，信号受激光源噪声影响严重，系统硬件成本过高且数据处理难度大的缺陷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统及其解调方法，所述系统解决了光路复杂、噪声干扰严重、硬件成本高和数据处理难度大的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统。系统包括：
前端组件，所述前端组件产生经过光环行器输出到待测传感光纤的双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号为经由驱动信号源对声光调制器进行驱动之后产生的、具有初始相位差的两个脉冲激光信号；
所述双脉冲激光信号，经过所述待测传感光纤瑞利散射产生后向瑞利散射光信号，所述后向瑞利散射光信号经过光环行器输出至探测处理组件；
所述探测处理组件，用于对经过光环行器输出的、所述后向瑞利散射光信号的干涉信号进行光电转换并对电信号进行解析，获取振动事件的位置信息、振动波形和/或频谱信息。
可选地，所述前端组件，包括窄线宽激光器、光隔离器、声光调制器、驱动信号源和第一掺珥光纤放大器；
所述窄线宽激光器、光隔离器、声光调制器和第一掺珥光纤放大器顺序连接，所述驱动信号源通过射频线与声光调制器连接。
可选地，所述窄线宽激光器线宽小于10千赫兹；所述窄线宽激光器，输出入射激光，经过所述光隔离器输出到所述声光调制器；
所述声光调制器经由驱动信号源驱动，调制所述入射激光，输出到所述第一掺珥光纤放大器；
所述第一掺珥光纤放大器，作为所述前端组件的输出端与所述光环行器的第一端口连接；
所述光环行器的第二端口与所述待测传感光纤连接；
所述光环行器的第三端口输出到所述探测处理组件。
可选地，所述双脉冲激光信号，与所述驱动信号源产生的用于驱动声光调制器的射频双脉冲信号具有相同的重复频率、脉冲宽度、两个脉冲信号之间的时延和相位差；
所述脉冲宽度取值范围为：50ns≤W≤200ns；
所述两个脉冲信号之间的时延50ns≤τ≤300ns；
所述相位差为
满足：
i为所述双脉冲激光信号的生成次数，θ为相移常量，所述θ取值为π/2或π/3。
可选地，所述探测处理组件，包括：
顺序连接的第二掺铒光纤放大器、光滤波器、光电探测器、数据采集卡和上位机；
所述第二掺铒光纤放大器作为所述探测处理组件的输入端与所述光环行器的第三端口连接；
所述光电探测器，接收所述后向瑞利散射光信号的干涉信号进行光电转换，产生电信号输出到数据采集卡；
所述数据采集卡对输入的电信号进行采样，将采样的电信号数据输出到上位机进行解调，获取振动事件的位置信息、振动波形和/或频谱信息。
可选地，所述上位机，计算确定所述电信号数据的差分相位结果
将所述差分相位结果
以二维数据矩阵
的形式进行存储；计算所述二维数据矩阵
在变量i方向的标准差并与预设阈值比较，获取振动事件的位置信息、振动波形和/或频谱信息。
第二方面，本申请提供了一种基于第一方面所述的Ф-OTDR系统的解调方法，包括：
所述上位机，通过预先构建的计算公式，结合多组不同相位差的后向瑞利散射光信号的干涉信号Ii(t)，得到多个所述干涉信号的差分相位结果
结合变量i与所述差分相位结果
建立二维数据矩阵
对所述二维数据矩阵
求标准差D(t)，根据所述标准差D(t)，进行振动事件的判定，确定所述振动事件的位置信息，时域波形信息和/或频谱信息。
可选地，所述预先构建的计算公式为：
所述后向瑞利散射光信号的干涉信号Ii(t)为：
所述上位机利用第i-1个、第i+1个后向瑞利散射光干涉信号，计算第i个后向瑞利散射干涉信号Ii(t)的差分相位
ω是窄线宽激光器输出的中心频率，t是探测处理组件探测到所述干涉信号的时刻，
为后向瑞利散射光干涉信号在t时刻的相位，I’和I”分别为所述后向瑞利散射光干涉信号的直流与交流分量幅值，
是两路后向瑞利散射光信号在t时刻的相位差。
可选地，进行振动事件的判定，具体为：
将所述标准差D(t)与预先设置的阈值D0进行比较；
若在t＝t0时刻，D(t0)＞D0，则判断存在振动事件；
所述待测传感光纤探测到振动事件的位置到所述光环行器第二端口的距离为：
v·t0/2；
v是探测光在光纤中的传播的速度。
可选地，所述振动事件的振动波形为
对所述振动波形进行快速傅里叶变换，确定所述振动事件的频谱信息。
(三)有益效果
本申请一实施例的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统使用具有一定时延和相位差的双脉冲激光信号作为探测光，获取所述双脉冲激光信号在待测传感光纤中发生瑞利散射返回的后向瑞利散射光信号的干涉信号，通过解调后向瑞利散射光差分相位，获取振动事件的位置信息、时域波形信息和频谱信息，利用相邻的干涉信号之间存在的固定相移，由直接探测所采集的光强度信息直接计算得到光相位信息，相较于现有技术而言，无需外差探测的复杂光路，避免了外差探测中参考光引入的激光源相位噪声，并且降低了对光电探测器和数据采集卡的带宽要求，节约了硬件成本。
本申请一实施例的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统，由于采用声光调制器对输入激光同时进行强度与相位调制，相较于现有技术，省去了额外的光相位调制器，节省了硬件成本和硬件连接的复杂程度，实现了系统光路的简化，降低了结构的连接难度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR 系统结构图；
图2为本发明另一实施例提供的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统结构示意图；
图3为本发明再一实施例基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统的解调方法流程示意图。
【附图标记说明】
1：窄线宽激光器；
2：光隔离器；
3：声光调制器；
4：驱动信号源；
5：第一掺铒光纤放大器；
6：光环行器；
7：待测传感光纤；
8：第二掺铒光纤放大器；
9：光滤波器；
10：光电探测器；
11：数据采集卡；
12：上位机。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。可以理解的是，以下所描述的具体地实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
如图1所示，图1为本发明一实施例提供的Ф-OTDR系统结构图，本实施例中，所述Ф-OTDR系统包括：前端组件、光环行器、待测传感光纤和探测处理组件。其中，所述光环行器，包括第一端口，第二端口和第三端口。
所述前端组件输入到光环行器的第一端口，产生经过光环行器输出到待测传感光纤的双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号为经由驱动信号源对声光调制器进行驱动之后产生的、具有初始相位差的两个脉冲激光信号；
所述待测传感光纤与光环行器的第二端口连接，所述双脉冲激光信号，经过所述待测传感光纤瑞利散射产生后向瑞利散射光信号，所述后向瑞利散射光信号经过光环行器输出至探测处理组件。
所述光环行器的第三端口输出到所述探测处理组件，所述探测处理组件，用于对经过光环行器输出的、所述后向瑞利散射光信号的干涉信号进行光电转换并对电信号进行解析，获取振动事件的位置信息、时域波形信息和/或频谱信息。
本申请一实施例提供的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统使用具有一定时延和相位差的双脉冲激光信号作为探测光，获取所述双脉冲激光信号在待测传感光纤中发生瑞利散射返回的后向瑞利散射光信号的干涉信号，通过解调后向瑞利散射光差分相位，获取振动事件的位置信息、时域波形信息和频谱信息，利用相邻的干涉信号之间存在的固定相移，由直接探测所采集的光强度信息直接计算得到光相位信息，相较于现有技术而言，无需外差探测的复杂光路，避免了外差探测中参考光引入的激光源相位噪声，并且降低了对光电探测器和数据采集卡的带宽要求，节约了硬件成本。
图2为本发明的另一实施例提供的Ф-OTDR系统结构示意图，如图 2所示，所述Ф-OTDR系统结构主要包括线宽小于10千赫兹的窄线宽激光器1、光隔离器2、声光调制器3、驱动信号源4和第一掺珥光纤放大器5、光环行器6、待测传感光纤7、第二掺铒光纤放大器8、光滤波器9、光电探测器10、数据采集卡11和上位机12。
其中所述窄线宽激光器1、光隔离器2、声光调制器3、驱动信号源 4和第一掺珥光纤放大器5为前端组件，所述第一掺珥光纤放大器，作为所述前端组件的输出端与所述光环行器的第一端口连接；所述第二掺铒光纤放大器8、光滤波器9、光电探测器10、数据采集卡11和上位机12 为探测处理组件，所述第二掺铒光纤放大器8作为所述探测处理组件的输入端与所述光环行器6的第三端口连接。
本实施例中，各器件的连接方式如下：
所述窄线宽激光器1的激光输出端口与光隔离器2的输入端口连接，所述光隔离器2的输出端口与声光调制器3的光输入端口连接。所述声光调制器3的调制信号输入端口经射频线与驱动信号源4的输出端口连接，所述声光调制器3的光输出端口经光纤与第一掺铒光纤放大器5的输入端口连接。所述的第一掺铒光纤放大器5的输出端口与光环行器6 的第一端口连接。所述光环行器6的第二端口与待测传感光纤7的输入端口连接，所述光环行器6的第三端口与第二掺铒光纤放大器8的输入端口连接。所述的第二掺铒光纤放大器8的输出端口与光滤波器9的输入端口相连接，所述光滤波器9的输出端口与光电探测器10的光信号输入端口相连接，光电探测器10的电信号输出端口经射频线与数据采集卡11的输入端口相连接。所述数据采集卡11的输出端口连接至上位机12。
具体地，在本实施例中，所述窄线宽激光器1，输出入射激光，经过所述光隔离器2输入到所述声光调制器3；所述声光调制器3经由驱动信号源4驱动，调制所述入射激光，输出双脉冲激光信号经由所述第一掺珥光纤放大器5和光环行器6第一端口601、第二端口602进入到待测传感光纤7，所述双脉冲激光信号在所述待测传感光纤7中发生瑞利散射，产生两路后向瑞利散射光信号经过光环行器6第二端口602、第三端口 603进入到第二掺珥光纤放大器8，两路后向瑞利散射光信号在传输过程中发生干涉，形成所述后向瑞利散射光信号的干涉信号由所述光电探测器10直接检测并进行光电转换，产生电信号输入到数据采集卡11；所述数据采集卡11对输入的电信号进行采样，将采样的电信号数据输入到上位机12进行解调，所述上位机12，计算确定所述电信号数据的差分相位结果
将所述差分相位结果
以二维数据矩阵
的形式进行存储；计算所述二维数据矩阵
在变量i方向的标准差并与预设阈值比较，获取振动事件的位置信息、时域波形信息和/或频谱信息。
所述声光调制器3经由驱动信号源4驱动，调制所述入射激光，输出双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号，与所述驱动信号源产生的用于驱动声光调制器的射频双脉冲信号具有相同的重复频率、脉冲宽度、两个脉冲信号之间的时延和相位差，具体为：
所述驱动信号源4，产生中心频率f、重复频率为R、脉冲宽度为W、时延为τ以及相位差为
的射频双脉冲信号用于驱动所述声光调制器3；所述相位差
满足：
其中i为所述射频双脉冲信号的产生次数，θ为相移常量，所述中心频率f与所述声光调制器3的中心频率一致。
所述声光调制器3由所述驱动信号源4驱动后，调制入射激光，产生重复频率为R、脉冲宽度为W、时延为τ以及相位差为
的双脉冲激光信号，在本实施例中，所述射频双脉冲信号的产生次数与所述双脉冲激光信号的生成次数相等，因此所述i也为所述双脉冲激光信号的生成次数。
举例来说,在第1次探测振动事件时，所述射频双脉冲信号的产生次数i＝1，产生的射频双脉冲信号相位差为θ，即第一射频脉冲信号初始相位调制为0，第二射频脉冲信号初始相位调制为θ，所述声光调制器3由所述射频双脉冲信号驱动后，产生的双脉冲激光信号的第一脉冲激光信号初始相位为0，第二脉冲激光信号初始相位为θ；在第2次探测振动事件时，所述射频双脉冲信号的产生次数i＝2，产生的射频双脉冲信号相位差为2θ，即第一射频脉冲信号初始相位调制为0，第二射频脉冲信号初始相位调制为2θ，所述声光调制器3由所述射频双脉冲信号驱动后，产生的双脉冲激光信号的第一脉冲激光信号初始相位为0，第二脉冲激光信号初始相位为2θ，以此类推，i＝3,4,5…时，相位差分别为3θ,4θ,5θ…。
所述i的大小由实际探测过程所需确定，此处不做限制，所述θ需满足cosθ不等于1，sinθ不等于0，优选范围为0<θ<π，在实际应用中，所述θ优选取值为π/2或π/3；所述脉冲宽度W优选范围为50ns≤W≤200ns；所述两个脉冲信号之间的时延优选范围为50ns≤τ≤300ns，优选取值为 100ns，所述重复频率的取值与所述待测传感光纤的取值相互制约，在实际应用时，依据具体需要的待测光纤长度来确定重复频率。
图3为本发明再一实施例提供的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统的解调方法流程示意图，如图3所示，所述上位机，通过预先构建的计算公式，结合多组不同相位差的后向瑞利散射光信号的干涉信号Ii(t)，得到多个所述干涉信号的差分相位结果
结合变量i 与所述差分相位结果
建立二维数据矩阵
对所述二维数据矩阵
求标准差D(t)，根据所述标准差D(t)，进行振动事件的判定，确定所述振动事件的位置信息，时域波形信息和/或频谱信息。
根据所述射频双脉冲信号的产生次数i，判断输入待测传感光纤的双脉冲激光信号相位差为
则产生的两路后向瑞利散射光信号可分别表示为：
基于上述表达式，确定所述后向瑞利散射光信号的干涉信号Ii(t)为：
ω是窄线宽激光器输出的中心频率，t是以双脉冲激光信号输入传感光纤时刻为0时刻，探测处理组件探测到所述后向瑞利散射光信号的干涉信号的时刻；
为所述干涉信号在t时刻的相位，I’和I”分别为所述干涉信号的直流与交流分量幅值，
是两束后向瑞利散射光信号在t时刻的相位差，差分相位包含传感光纤沿线振动事件的位置信息、波形及频谱信息。
上位机基于预先构建的计算公式，利用第i-1个、第i+1个后向瑞利散射光干涉信号Ii-1(t)、Ii+1(t)，计算确定第i个后向瑞利散射光干涉信号的差分相位结果
所述预先构建的计算公式为：
更进一步地，基于所述差分相位结果
结合变量i，建立二维数据矩阵
即差分相位信号，并计算沿变量i方向的标准差D(t)；将标准差D(t)与预先设定的阈值D0进行比较，若存在t＝t0时刻，所述标准差D(t)大于所述阈值D0，则判断为存在振动事件；
所述待测传感光纤探测到振动事件的位置到所述光环行器第二端口的距离为：
v·t0/2；
v为探测光在光纤中的传播的速度；
所述振动事件的时域波形信息与差分相位信号在该位置的波形变化形状相同，即
对所述时域波形信息进行快速傅里叶变换，即可确定所述振动事件的频谱信息。
为了更好的展示本申请提供的Ф-OTDR系统及其解调方法，接下来将结合一具体实施例进行更加详细的解释和说明。
本实施例采用如图2所示的Ф-OTDR系统结构，具体使用的器件包括：
窄线宽激光器1，产生中心波长为1550纳米、线宽为5千赫兹、功率为20dBm的连续入射激光经过光隔离器2进入声光调制器3。
光隔离器2，用于保护窄线宽激光器1不受光路中反射回的激光干扰。
声光调制器3，中心调制频率为80兆赫兹。
驱动信号源4，产生中心频率为80兆赫兹、重复频率为16千赫兹，脉冲宽度为100纳秒、优选时延为100纳秒以及相位差i·π/2的射频双脉冲信号，经声光调制器3的调制输入端口输入，驱动声光调制器3对入射激光进行强度及相位调制，产生中心频率为80兆赫兹、重复频率为16 千赫兹，脉冲宽度为100纳秒、两个脉冲信号之间时延为100纳秒以及相位差i·π/2等与射频双脉冲信号参数相同的双脉冲激光信号，经由声光调制器3的输出端口进入第一掺铒光纤放大器5的输入端口。i为射频双脉冲信号的发射次数。
所述双脉冲激光信号由第一掺铒光纤放大器5进行增益后，经光纤环行器6的第一端口601输入，经第二端口602输出，作为探测光注入待测传感光纤7。
所述探测光在待测传感光纤7中向前传输过程中，两路脉冲光信号分别发生瑞利散射，各自产生一路后向瑞利散射光信号，两路后向瑞利散射光信号由光纤环行器6的第二端口602输入，由第三端口603输出至探测处理组件。
所述探测处理组件接收到两路后向瑞利散射光信号及其发生干涉产生的干涉信号，由第二掺铒光纤放大器8进行放大，光滤波器9滤除第一掺铒光纤放大器5、第二掺铒光纤放大器8引入的放大器自发辐射噪声。
光电探测器10直接检测所述干涉信号，并进行光电转换，转换为模拟电信号，然后由数据采集卡11采集为数字电信号，并输入上位机12 进行解调处理。
在本实施例中，使用的待测传感光纤7总长度为5.1公里，光电探测器10的带宽为10兆赫兹，数据采集卡11的带宽为200兆赫兹，采样率为10兆赫兹，上位机12为计算机。
本实施例中，模拟振动事件设置在待测传感光纤7距离光环行器第二端口602的5公里处、表面缠绕有1米长光纤的一个圆柱状压电陶瓷，以频率为10赫兹、电压峰峰值为5伏的正弦电信号驱动该压电陶瓷，模拟该处的传感光纤7受到振动事件影响，本实施例中，以双脉冲激光信号输入传感光纤时刻为0时刻，探测处理组件探测到传感光纤内某一点产生的后向瑞利散射光信号的干涉信号的时刻为t，将所用时间t视为双脉冲激光信号到达该点及相应的后向瑞利散射光信号在传感光纤中传输的时间和。
本实施例中，共发射16000组双脉冲激光信号，输入到待测传感光纤7，即i＝[1,16000],相移常量θ选取为π/2，则第i组发射的双脉冲激光信号产生的后向瑞利散射光的干涉信号的差分相位信息的解调公式为：
计算机解调得到每一组发射的双脉冲激光信号产生的后向瑞利散射光的干涉信号的差分相位信息后，将其转换为二维数据矩阵
并存储，沿变量i方向计算该二维数据矩阵各列数据的标准差D(t)，并与阈值D0＝100进行比较，存在t＝t0至t＝t1时间段，即t0-t1时间段内，D(t)＞100，判断在传感光纤vt0/2至vt1/2的位置存在振动事件，定位到距离光环行器第二端口4995米至5005米的传感光纤7处有振动事件发生。该处对应的差分相位信息受振动事件影响，呈正弦函数变化，相位变化的峰峰值为15弧度，通过快速傅里叶变换，得到该正弦函数的频率为10赫兹，即振动事件的频谱信息。
本实施例中，基于本实施例的实际需求，设定所述阈值D0为100，双脉冲激光信号发射共16000组，在其他实施例中，所述阈值D0、双脉冲激光信号发射组数依据其他实施例的实际需求划定，此处不做限制。
本申请实施例提供的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统，具有监测距离长、定位精度高、免疫电磁干扰的优点，能够大范围、高密度进行实时动态检测。
本申请一实施例的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统，由于采用声光调制器对输入激光同时进行强度与相位调制，相较于现有技术，省去了额外的光相位调制器，节省了硬件成本和硬件连接的复杂程度，实现了系统光路的简化，降低了结构的连接难度。
本申请实施例提供的基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统能够对传感光纤沿线的振动事件实现实时分布式测量，并准确地还原振动波形及频谱信息。在不加入额外调制器件的前提下，采用相移双脉冲探测技术，产生的后向瑞利散射光干涉信号同样受到相移调制，利用相邻干涉信号间的固定相移，使用简单的直接探测方法，就可以解调得到后向瑞利散射光的差分相位信息，并进一步得到振动波形及频谱信息，不需要引入本地参考光辅助相位解调。相比需要本地参考光的外差探测方法，显著抑制了激光源相位噪声的影响，提升了系统的相位信息解调信噪比；将中心频率为几十至几百兆赫兹的外差探测拍频信号，转换为零频的后向瑞利散射光干涉信号，显著降低了系统对光电探测器频率响应带宽、数据采集卡最高采样率及带宽的要求，节约了硬件成本。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于相移双脉冲探测技术的Ф-OTDR系统，其特征在于，包括：
前端组件，所述前端组件产生经过光环行器输出到待测传感光纤的双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号为经由驱动信号源对声光调制器进行驱动之后产生的、具有初始相位差的两个脉冲激光信号；
所述双脉冲激光信号，经过所述待测传感光纤瑞利散射产生后向瑞利散射光信号，所述后向瑞利散射光信号经过光环行器输出至探测处理组件；
所述探测处理组件，用于对经过光环行器输出的、所述后向瑞利散射光信号的干涉信号进行光电转换并对电信号进行解析，获取振动事件的位置信息、振动波形和/或频谱信息。
2.如权利要求1所述的Ф-OTDR系统，其特征在于，
所述前端组件，包括窄线宽激光器、光隔离器、声光调制器、驱动信号源和第一掺珥光纤放大器；
所述窄线宽激光器、光隔离器、声光调制器和第一掺珥光纤放大器顺序连接，所述驱动信号源通过射频线与声光调制器连接。
3.如权利要求2所述的Ф-OTDR系统，其特征在于，所述窄线宽激光器线宽小于10千赫兹；所述窄线宽激光器，输出入射激光，经过所述光隔离器输出到所述声光调制器；
所述声光调制器经由驱动信号源驱动，调制所述入射激光，输出到所述第一掺珥光纤放大器；
所述第一掺珥光纤放大器，作为所述前端组件的输出端与所述光环行器的第一端口连接；
所述光环行器的第二端口与所述待测传感光纤连接；
所述光环行器的第三端口输出到所述探测处理组件。
4.如权利要求1所述的Ф-OTDR系统，其特征在于，
所述双脉冲激光信号，与所述驱动信号源产生的用于驱动声光调制器的射频双脉冲信号具有相同的重复频率、脉冲宽度、两个脉冲信号之间的时延和相位差；
所述脉冲宽度取值范围为：50ns≤W≤200ns；
所述两个脉冲信号之间的时延50ns≤τ≤300ns；
所述相位差为
满足：
i为所述双脉冲激光信号的生成次数，θ为相移常量，所述θ取值为π/2或π/3。
5.如权利要求1所述的Ф-OTDR系统，其特征在于，所述探测处理组件，包括：
顺序连接的第二掺铒光纤放大器、光滤波器、光电探测器、数据采集卡和上位机；
所述第二掺铒光纤放大器作为所述探测处理组件的输入端与所述光环行器的第三端口连接；
所述光电探测器，接收所述后向瑞利散射光信号的干涉信号进行光电转换，产生电信号输出到数据采集卡；
所述数据采集卡对输入的电信号进行采样，将采样的电信号数据输出到上位机进行解调，获取振动事件的位置信息、振动波形和/或频谱信息。
6.如权利要求5所述的Ф-OTDR系统，其特征在于，所述上位机，计算确定所述电信号数据的差分相位结果
将所述差分相位结果
以二维数据矩阵
的形式进行存储；计算所述二维数据矩阵
在变量i方向的标准差并与预设阈值比较，获取振动事件的位置信息、振动波形和/或频谱信息。
7.一种基于权利要求1至6任一所述的Ф-OTDR系统的解调方法，其特征在于，包括：
所述上位机，通过预先构建的计算公式，结合多组不同相位差的后向瑞利散射光信号的干涉信号Ii(t)，得到多个所述干涉信号的差分相位结果
结合变量i与所述差分相位结果
建立二维数据矩阵
对所述二维数据矩阵
求标准差D(t)，根据所述标准差D(t)，进行振动事件的判定，确定所述振动事件的位置信息，时域波形信息和/或频谱信息。
8.如权利要求7所述的解调方法，其特征在于，所述预先构建的计算公式为：
所述后向瑞利散射光信号的干涉信号Ii(t)为：
所述上位机利用第i-1个、第i+1个后向瑞利散射光干涉信号，计算第i个后向瑞利散射干涉信号Ii(t)的差分相位
ω是窄线宽激光器输出的中心频率，t是探测处理组件探测到所述干涉信号的时刻，
为后向瑞利散射光干涉信号在t时刻的相位，I’和I”分别为所述后向瑞利散射光干涉信号的直流与交流分量幅值，
是两路后向瑞利散射光信号在t时刻的相位差。
9.如权利要求7述的解调方法，其特征在于，进行振动事件的判定，具体为：
将所述标准差D(t)与预先设置的阈值D0进行比较；
若在t＝t0时刻，D(t0)＞D0，则判断存在振动事件；
所述待测传感光纤探测到振动事件的位置到所述光环行器第二端口的距离为：
v·t0/2；
v是探测光在光纤中的传播的速度。
10.如权利要求9述的解调方法，其特征在于，所述振动事件的振动波形为
对所述振动波形进行快速傅里叶变换，确定所述振动事件的频谱信息。
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