CN115694626A - 一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光缆扰动监测技术领域，具体涉及一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统及方法，包括光学部分、电学部分和数据处理部分，所述括光学部分与电学部分电性连接，所述电学部分与数据处理部分电性连接，所述数据处理部分采用上位机。本发明利用已铺设光缆，基于等效时间采样方法和精密时钟控制、精密延时控制等产生窄脉冲信号，通过同时触发窄脉冲激光器发射激光和精细延时模块产生精细延时，实现背向散射光的产生和和对背向散射光的等效时间取样；通过多次触发发射激光和等效时间采样，重构不同位置、高分辨率的光纤扰动监测信号，可实施监测不同位置的光纤扰动。

Description

一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统及方法

技术领域

本发明属于光缆扰动监测技术领域，具体涉及一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统及方法。

背景技术

分布式光纤扰动检测技术根据监测的原理不同，主要分为干涉型和散射型。干涉型主要由迈克尔逊干涉型、萨格奈克型、MZ型等。其中，Michelson型扰动传感结构传感距离比较近，且定位误差较大；基本Sagnac型扰动传感技术是利用频谱求取陷波点的方法，对扰动行为进行定位，此种方法定位精度不高，且需要扰动行为具有较宽的频谱范围(大于20kHz)，适用范围受到限制；MZ型监测距离较远、定位精度高，但算法比较复杂，且在双M-Z型光纤扰动传感结构中需使用两根传感光纤和一根传导光纤，资源浪费，不适合远距离扰动监测。

散射型光纤扰动检测技术主要有光时域反射技术OTDR，光频域反射技术OFDR，光时域反射技术监测距离较长、定位也较准确，且结构简单、易实现；光频域反射技术分辨率较高、但检测距离较短。

因此，目前有将OTDR进行改进、或者将OTDR与不同干涉型相结合，实现高精度、长距离光纤扰动测试的方法。如：基于相位敏感光时域反射技术φ-OTDR，结构简单、易于实现、系统稳定、定位准确以及多点扰动事件同时检测的能力，但由于φ-OTDR原理为多光束干涉，容易受到外界环境的干扰，导致噪声普遍较大。

针对φ-OTDR分布式光纤传感的不足，许多学者和研究人员对该技术进行了改进，相继提出了外差探测的光时域反射计C-OTDR、基于布里渊散射的光纤扰动传感技术B-OTDR、基于受激布里渊散射的分布式传感技术B-OTDA，以及将干涉型光纤传感技术与φ-OTDR相结合的多种扰动传感技术，如迈克尔逊干涉仪和φ-OTDR结合的分布式光纤扰动应变传感器、马赫-曾德尔(M-Z)干涉的φ-OTDR分布式光纤扰动应变传感器等，以提高分布式光纤扰动检测的有效距离、空间分辨率等系统性能指标。但是该技术在超长距离测量方面仍不足，而且需要专门铺设传感光纤，增加了测试系统的成本。因此，有必要研究利用现有的通信光纤进行环境扰动、安全监测的方法。

发明内容

针对上述基于相位敏感光时域反射技术φ-OTDR容易受到外界环境的干扰，导致噪声普遍较大，且干涉仪和φ-OTDR结合的分布式光纤扰动应变传感器、干涉的φ-OTDR分布式光纤扰动应变传感器超长距离测量方面仍不足，而且需要专门铺设传感光纤，增加了测试系统的成本的技术问题，本发明提供了一种定位精度高、测量速度快的基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统，包括光学部分、电学部分和数据处理部分，所述光学部分与电学部分电性连接，所述电学部分与数据处理部分电性连接，所述数据处理部分采用上位机。

所述光学部分包括窄脉冲激光器、电光调制器、光放大器、第一光环形器、第二光环形器、泵浦光源、通信光纤、光滤波器、光电探测器，所述窄脉冲激光器的光路方向上依次设置有电光调制器、光放大器、第一光环形器，所述第一光环形器通过通信光纤与第二光环形器连接，所述第二光环形器设置在泵浦光源的光路方向上，所述第一光环形器的光路方向上设置有光滤波器，所述光滤波器的光路方向上设置有光电探测器。

所述电学部分包括精密时基、功率放大电路、延时计数电路、窄脉冲电路、取样器、信号调理滤波电路和采集通信模块，所述精密时基分别与功率放大电路、延时计数电路电性连接，所述延时计数电路与窄脉冲电路电性连接，所述窄脉冲电路与取样器电性连接，所述取样器与信号调理滤波电路电性连接，所述信号调理滤波电路与采集通信模块电性连接。

所述功率放大电路与电光调制器电性连接，所述取样器与光电探测器电性连接，所述采集通信模块与数据处理部分电性连接。

所述泵浦光源采用弧浦光源。

一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统的监测方法，包括下列步骤：

S1、以窄脉冲激光器为发射光源，通过电光调制器调制为窄脉冲激光并经过光放大器对激光信号进行放大；

S2、经第一环形器将光耦合到通信光纤中，以通信光纤为扰动传感载体，以泵浦光源为补偿光源增加散射光强搭建光纤扰动测试系统，通过光滤波器、光电探测器实现对背向散射光的光电转换；

S3、通过测量光从起始点到扰动点光在光纤中的传输时间，计算出光纤扰动点的位置；

S4、精密时基产生频率可控的窄脉冲触发信号，一路信号经功率放大和窄脉冲压缩后驱动电光调制器，实现对超窄线宽的激光的调节，发射窄脉冲激光；

S5、另一路脉冲信号经过延时计数电路后再经窄脉冲电路对脉冲信号压缩变换后触发取样器的取样开关，实现背向散射光信号的重建和扰动分析；

S6、基于取样器采集的瞬态背向散射光信号经过信号调理滤波电路进行阻抗积分变换、滤波、AD采集后，通过USB接口传到上位机进行数据存储和处理。

所述S3中计算光纤扰动点的位置的方法为：

设从光纤入射端注入脉冲光后，到接收到该脉冲光在距入射端L处产生的后向散射光所需的时间为t，由于脉冲光在光纤中传输了从入射端到反射点的往返路程，因此有如下关系式：

由此可以得到扰动位置与入射端的距离为L：

其中，n为光纤的折射率，c为光速，L为光纤扰动距离起始点的距离；t为光从起始点传输到扰动位置，再返回到起始点所需的时间。

所述S6中背向散射光信号的重建的方法为：包括下列步骤：

S6.1、精密时基电路每间隔20ms+50ns＝20000050ns时间发射一个触发脉冲信号，连续产生20个触发脉冲信号，全部采集40000个数据，相邻两次触发脉冲，时间延时20000050ns，采集数组中的对应序号的数据在空间上的延时为τ，即50ns；

S6.2、取样器的采样时间有粗延时和细延时两部分组成，即：

t＝nT+mτ

其中，T为取样器采样的粗延时时间间隔；τ为细延时的时间间隔；m为第m次触发激光发射脉冲激光信号；n为单次触发后激光往返2ms内的第n次取样；

S6.3、每经过2ms发射一次窄脉冲激光信号，取样器每间隔时间T对反射的散射光信号进行采样，取样器每次粗延时的时间间隔T为1us，在单次发射周期内采样点数为N1＝2ms/1us＝2000次；

S6.4、同时触发激光发射电路中的电光调制器和精密延时电路，触发脉冲经延时计数电路，每延时1us产生一个脉冲信号，并经过窄脉冲发生电路产生的取样窄脉冲触发取样器进行采样，连续采集2000个数据点；

S6.5、第1次触发采集的2000个数据点与第2次触发采集的2000个数据点，相应的第n个数据点在时间上差20000050ns，但在光缆的位置上差25ns时间传输的距离，即：2.5m，依次类推，得到四万个数据点在空间上的分布，从而重构出背向散射光信号在空间上波形图。

所述S6.5中得到四万个数据点在空间上的分布的方法为：

第1次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_1,1 x_1,2 … x_1,2000]

第2次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_2,1 x_2,2 … x_2,2000]

第n次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_n,1 x_n,2 … x_n,2000]

第20次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_20,1 x_20,2 … x_20,2000]

基于20次触发发射激光窄脉冲信号，基于背向散射光传输距离的不同，重构的随背向散射光传输距离增加的信号为：

[x_1,1 x_2,1 … x_20,1 x_1,2 x_2,2 … x_20,2 … x_1,2000 x_2.2000 … x_20,2000]

基于重构的四万个数据绘制出背向散射光随着传输距离变化的强度变化曲线。

所述S6中背向散射光信号扰动分析的方法为：

设无扰动发生时，不同传输距离时背向散射光强为：

I_C＝[x_1c,1 x_2c,1 … x_20c,1 x_1c,2 x_2c,2 … x_20c,2 … x_1c,2000 x_2c,2000 … x_20c,2000]

在实验中，测试的光纤扰动的背向散射光信号为：

I_P＝[x_1p,1 x_2p,1 … x_20p,1 x_1p,2 x_2p,2 … x_20p,2 … x_1p,2000 x_2p.2000 … x_20p,2000]

为消除背向散射光随传输距离的强度衰减影响，则有：

I＝I_P-I_C

其中，I为去掉背景干扰的光纤扰动信号；

在同一次光纤扰动测量过程中，同时监测多个位置存在不同强度的扰动，通过测量不同点的幅值、以及该点的变化率确定扰动点的位置；

若测量得知第k个点有扰动干扰，则第k点距离起始点的传输时间为：

t_k＝k×50ns

距离起始点的位置为：

因此，消除背向散射光衰减影响后，重构的光纤扰动的时间点和幅值可同时确定多个光纤扰动的位置和强度。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明利用已铺设光缆，基于等效时间采样方法和精密时钟控制、精密延时控制等产生窄脉冲信号，通过同时触发窄脉冲激光器发射激光和精细延时模块产生精细延时，实现背向散射光的产生和和对背向散射光的等效时间取样；通过多次触发发射激光和等效时间采样，重构不同位置、高分辨率的光纤扰动监测信号。可实施监测不同位置的光纤扰动。本发明通过计算触发与背向瑞利光散射信号的时间差，对光纤上不同位置的扰动进行定位，从而实现快速、长距离光纤周界环境扰动的检测，实现光纤的损坏预防，以及利用光纤实现周界安防、重要设施的监控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明基于等效取样的扰动信号测量原理图；

图3为本发明向散射光衰减消除方法图。

其中：1为光学部分，101为窄脉冲激光器，102为电光调制器，103为光放大器，104为第一光环形器，105为第二光环形器，106为泵浦光源，107为通信光纤，108为光滤波器，109为光电探测器，2为电学部分，201为精密时基，202为功率放大电路，203为延时计数电路，204为窄脉冲电路，205为取样器，206为信号调理滤波电路，207为采集通信模块，3为数据处理部分。

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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

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。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实施例中，如图1所示，在光学部分1，扰动光纤既是通信光纤107也可进行扰动检测，不专门铺设专用的传感光纤，节约资源；窄脉冲激光器101采用3KHz的超窄线宽激光器，产生连续激光。电光调制器102在精密时基201产生的窄脉冲作用下进行调制控制，产生窄脉冲激光，并经过光放大器103放大后经过光耦合器耦合到通信光纤107中。当激光在通信光纤107中受到振动、形变等扰动干扰时，则产生不同强度的背向散射光。背向散射光经光纤传输并通过第一光环形器104耦合到光滤波器108、光电探测器109，将光信号转换为电信号。

当光源被注入到通信光纤107入射端，在传播过程中会因为光纤受到外界的扰动，噪声光纤的形变、弯曲等，产生不同强度的背向瑞利散射光，背向散射光返回到入射端，并经过第一光环形器104耦合到光电探测器109，进行光电转换。设从通信光纤107入射端注入脉冲光后，到接收到该脉冲光在距入射端L处产生的后向散射光所需的时间为t，由于脉冲光在通信光纤107中传输了从入射端到反射点的往返路程，因此有如下关系式：

由此可以得到扰动位置与入射端的距离为L：

其中，n为光纤的折射率，c为光速，L为光纤扰动距离起始点的距离；t为光从起始点传输到扰动位置，再返回到起始点所需的时间。通过公式(1)和(2)可知，通过测量光从起始点到扰动点光在光纤中的传输时间，就可以计算出光纤扰动点的位置。入射光在通信光纤107中传播时遇到断点、接头等光纤结构问题，瑞利后向散射光会产生一个衰减或突变。因此，基于散射光强度的变化确定散射光强度变化处，光传输的时间从而实现扰动位置的检测。

为了获得光纤的扰动位置并识别扰动源，需要在一个周期内实时采样背向瑞利散射光信号。当通信光纤107监测测试长度等于200km，以及扰动的空间分辨率大于5m时，则要求AD转换器有高的转换速度、高分辨率。但目前AD转换芯片很难满足要求。本实施例拟以取样器205为核心，以等效时间采样方法为理论基础，通过取样器205对光纤扰动信号进行瞬态等效时间采样，实现背向散射光信号的重建和扰动分析。其工作过程如图2所示。

根据公式(1)，依据通信光纤107的长度、光传播的速度、光缆的折射率可计算出单次脉冲激光产生的散射光的传输时间。当光缆的长度为200km，光缆的折射率为1.544时，可计算出光在200km长的光缆中传播的来回时间为2ms。为满足相邻两次光脉冲产生的散射光不重叠，在本实施例中两次光脉冲的间隔固定时间T设置为2ms。

在本实施例中拟以精密时基模块在外部时钟的作用下产生脉冲信号。脉冲信号同时触发激光器发射窄脉冲激光信号和触发延时计时电路进行延时采样背向散射光信号。

一路脉冲信号经过功率放大和窄脉冲压缩后，触发电光调制器102产生脉冲激光并经过第一环形器104，耦合到通信光纤107中。并产生强度变化的散射光返回到起始点，并耦合到光电探测器109。散射光传输的时间由公式(1)可知。

为了实现对散射光的检测，并克服对高速AD转换器的需求，精密时基201产生的脉冲触发信号触发延时计数电路203对脉冲信号进行延时，每延时时间T，即1us的时间，延时计数电路产生一个脉冲信号，并计数加1；为实现取样器门关的快速开通和关断，通过窄脉冲电路204对延时脉冲信号进行压缩、放大后触发取样器205对背向散射光信号进行快速等效采样；计数2000次可实现200km内间隔50m的数据采集。

等效采样后的信号因其具有瞬态特性，不能直接进行AD转换，因此需通过信号调理滤波电路206，对取样器205采样信号进行阻抗积分变换转换为50KHz的低频信号，并经过滤波、通过AD采集后传输给上位机。

为满足扰动定位5m空间分辨率，需提高光纤扰动信号的采样数据。因此，本实施例提出精密时基201每间隔(20ms+50ns＝20000050ns)时间发射一个触发脉冲信号，连续产生20个触发脉冲信号。全部采集40000个数据。相邻两次触发脉冲，时间延时20000050ns，采集数组中的对应序号的数据在空间上的延时为τ，即50ns。

因此，取样器205的采样时间有粗延时和细延时两部分组成，即：

t＝nT+mτ (3)

T：为取样器205采样的粗延时时间间隔；τ:为细延时的时间间隔；m：为第m次触发激光发射脉冲激光信号；n：为单次触发后激光往返2ms内的第n次取样。

在本实施例中，每经过2ms发射一次窄脉冲激光信号，取样器205每间隔时间T对反射的散射光信号进行采样。取样器205每次粗延时的时间间隔T为1us,在单次发射周期内采样点数为N1＝2ms/1us＝2000次。

为满足扰动定位5m空间分辨率，细延时步进延时时间为50ns，则细延时的次数为1us/50ns＝20次，也就是通过发射间隔时间为(20ms+50ns＝20000050ns)的20个脉冲信号，通过大约40ms的时间采样4万个数据完成一次扰动信号的采样。

基于取样器205的背向散射光信号采集原理示意图如附图2所示。

在图2中，同时触发激光发射电路中的电光调制器和精密延时电路。两次触发信号的时间间隔为20000050ns。触发脉冲经延时计数电路203，每延时1us产生一个脉冲信号，并经过窄脉冲电路204产生的取样窄脉冲触发取样器205进行采样，连续采集2000个数据点。

第1次触发采集的2000个数据点与第2次触发采集的2000个数据点，相应的第n个数据点在时间上差20000050ns，但在光缆的位置上差25ns时间传输的距离，即：2.5m。依次类推，可得四万个数据点在空间上的分布，从而可以重构出背向散射光信号在空间上波形图。

第1次触发发射激光信号，取样器205顺序采集的信号为：

[x_1,1 x_1,2 … x_1,2000]

第2次触发发射激光信号，取样器205顺序采集的信号为：

[x_2,1 x_2,2 … x_2,2000]

第n次触发发射激光信号，取样器205顺序采集的信号为：

[x_n,1 x_n,2 … x_n,2000]

第20次触发发射激光信号，取样器205顺序采集的信号为：

[x_20,1 x_20,2 … x_20,2000]

基于20次触发发射激光窄脉冲信号，基于背向散射光传输距离的不同，重构的随背向散射光传输距离增加的信号为：

[x_1,1 x_2,1 … x_20,1 x_1,2 x_2,2 … x_20,2 … x_1,2000 x_2.2000 … x_20,2000]

基于重构的四万个数据可以绘制出背向散射光随着传输距离变化的强度变化曲线。

散射光强随时间的变化公式：

I(t_k)＝∑a_iexp[j2πv₀(t_k-τ_i)] (4)

可知，随着光传输的距离越远，光强是随着时间呈指数衰减的。但当光纤受到扰动信号干扰时，产生的背向散射光随着扰动的加剧而增加。因此，通过4万个数据点重构的背向散射光波形强度的变化分析扰动的位置。

当相邻数据的变化率等于背向散射光信号的衰减率时，则无扰动发生；当相邻数据的变化率不等于该点的散射光信号的衰减率时，则在该位置附近有扰动发生。当在某位置发生扰动时，在该点附近随着传输距离的增加，其强度由衰减变为增加，当增加到某个值时，再由最大值衰减，其衰减的速率大于该距离的光强衰减率。

基于前面分析，为了减小背向散射光强随传输距离衰减的影响。在实验前，首先通过激光器发射脉冲宽度、强度相同的激光，基于等效取样的原理，以相同的速率和延时间隔采集其在不同传输距离时背向散射光的强度，基于采集的4万个数据点重构出背向散射光的强度曲线图，并按散射光传输距离由小到大的顺序存储4万个数据。这4万个数据用于校正背向散射光的衰减影响。

设无扰动发生时，不同传输距离时背向散射光强为

I_C＝[x_1c,1 x_2c,1 … x_20c,1 x_1c,2 x_2c,2 … x_20c,2 … x_1c,2000 x_2c,2000 … x_20c,2000]

在实验中，测试的可能还有光纤扰动的背向散射光信号为：

I_P＝[x_1p,1 x_2p,1 … x_20p,1 x_1p,2 x_2p,2 … x_20p,2 … x_1p,2000 x_2p.2000 … x_20p,2000]

为消除背向散射光随传输距离的强度衰减影响，则有：

I＝I_P-I_C (5)

其中，I为去掉背景干扰的光纤扰动信号。

可根据测试的光纤扰动信号I不同点的信号幅值判断该点是否有扰动，幅值越大，则扰动强度越大。如图3所示。

在同一次光纤扰动测量过程中，可同时监测多个位置存在不同强度的扰动。可通过测量不同点的幅值、以及该点的变化率确定扰动点的位置。

若测量得知第k个点有扰动干扰，则第k点距离起始点的传输时间为：

t_k＝k×50ns

距离起始点的位置为：

因此，消除背向散射光衰减影响后，重构的光纤扰动的时间点和幅值可同时确定多个光纤扰动的位置和强度。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统，其特征在于：包括光学部分(1)、电学部分(2)和数据处理部分(3)，所述光学部分(1)与电学部分(2)电性连接，所述电学部分(2)与数据处理部分(3)电性连接，所述数据处理部分(3)采用上位机。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统，其特征在于：所述光学部分(1)包括窄脉冲激光器(101)、电光调制器(102)、光放大器(103)、第一光环形器(104)、第二光环形器(105)、泵浦光源(106)、通信光纤(107)、光滤波器(108)、光电探测器(109)，所述窄脉冲激光器(101)的光路方向上依次设置有电光调制器(102)、光放大器(103)、第一光环形器(104)，所述第一光环形器(104)通过通信光纤(107)与第二光环形器(105)连接，所述第二光环形器(105)设置在泵浦光源(106)的光路方向上，所述第一光环形器(104)的光路方向上设置有光滤波器(108)，所述光滤波器(108)的光路方向上设置有光电探测器(109)。

3.根据权利要求2所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统，其特征在于：所述电学部分(2)包括精密时基(201)、功率放大电路(202)、延时计数电路(203)、窄脉冲电路(204)、取样器(205)、信号调理滤波电路(206)和采集通信模块(207)，所述精密时基(201)分别与功率放大电路(202)、延时计数电路(203)电性连接，所述延时计数电路(203)与窄脉冲电路(204)电性连接，所述窄脉冲电路(204)与取样器(205)电性连接，所述取样器(205)与信号调理滤波电路(206)电性连接，所述信号调理滤波电路(206)与采集通信模块(207)电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统，其特征在于：所述功率放大电路(202)与电光调制器(102)电性连接，所述取样器(205)与光电探测器(109)电性连接，所述采集通信模块(207)与数据处理部分(3)电性连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统，其特征在于：所述泵浦光源(106)采用弧浦光源。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统的监测方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、以窄脉冲激光器为发射光源，通过电光调制器调制为窄脉冲激光并经过光放大器对激光信号进行放大；

S2、经第一环形器将光耦合到通信光纤中，以通信光纤为扰动传感载体，以泵浦光源为补偿光源增加散射光强搭建光纤扰动测试系统，通过光滤波器、光电探测器实现对背向散射光的光电转换；

S3、通过测量光从起始点到扰动点光在光纤中的传输时间，计算出光纤扰动点的位置；

S4、精密时基产生频率可控的窄脉冲触发信号，一路信号经功率放大和窄脉冲压缩后驱动电光调制器，实现对超窄线宽的激光的调节，发射窄脉冲激光；

S5、另一路脉冲信号经过延时计数电路后再经窄脉冲电路对脉冲信号压缩变换后触发取样器的取样开关，实现对背向散射光的快速等效时间采样；

S6、基于取样器采集的瞬态背向散射光信号经过信号调理滤波电路进行阻抗积分变换、滤波、AD采集后，通过USB接口传到上位机进行数据存储和处理，实现背向散射光信号的重建和扰动分析。

7.根据权利要求6所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统的监测方法，其特征在于：所述S3中计算光纤扰动点的位置的方法为：

设从光纤入射端注入脉冲光后，到接收到该脉冲光在距入射端L处产生的后向散射光所需的时间为t，由于脉冲光在光纤中传输了从入射端到反射点的往返路程，因此有如下关系式：

由此可以得到扰动位置与入射端的距离为L：

其中，n为光纤的折射率，c为光速，L为光纤扰动距离起始点的距离；t为光从起始点传输到扰动位置，再返回到起始点所需的时间。

8.根据权利要求6所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统的监测方法，其特征在于：所述S6中背向散射光信号的重建的方法为：包括下列步骤：

S6.1、精密时基电路每间隔20ms+50ns＝20000050ns时间发射一个触发脉冲信号，连续产生20个触发脉冲信号，全部采集40000个数据，相邻两次触发脉冲，时间延时20000050ns，采集数组中的对应序号的数据在空间上的延时为τ，即50ns；

S6.2、取样器的采样时间有粗延时和细延时两部分组成，即：

t＝nT+mτ

其中，T为取样器采样的粗延时时间间隔；τ为细延时的时间间隔；m为第m次触发激光发射脉冲激光信号；n为单次触发后激光往返2ms内的第n次取样；

S6.3、每经过2ms发射一次窄脉冲激光信号，取样器每间隔时间T对反射的散射光信号进行采样，取样器每次粗延时的时间间隔T为1us，在单次发射周期内采样点数为N1＝2ms/1us＝2000次；

S6.4、同时触发激光发射电路中的电光调制器和精密延时电路，触发脉冲经延时计数电路，每延时1us产生一个脉冲信号，并经过窄脉冲发生电路产生的取样窄脉冲触发取样器进行采样，连续采集2000个数据点；

S6.5、第1次触发采集的2000个数据点与第2次触发采集的2000个数据点，相应的第n个数据点在时间上差20000050ns，但在光缆的位置上差25ns时间传输的距离，即：2.5m，依次类推，得到四万个数据点在空间上的分布，从而重构出背向散射光信号在空间上波形图。

9.根据权利要求6所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统的监测方法，其特征在于：所述S6.5中得到四万个数据点在空间上的分布的方法为：

第1次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_1,1 x_1,2 … x_1,2000]

第2次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_2,1 x_2,2 … x_2,2000]

第n次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_n,1 x_n,2 … x_n,2000]

第20次触发发射激光信号，取样器顺序采集的信号为：

[x_20,1 x_20,2 … x_20,2000]

基于20次触发发射激光窄脉冲信号，基于背向散射光传输距离的不同，重构的随背向散射光传输距离增加的信号为：

[x_1,1 x_2,1 … x_20,1 x_1,2 x_2,2 … x_20,2 … x_1,2000 x_2.2000 … x_20,2000]

基于重构的四万个数据绘制出背向散射光随着传输距离变化的强度变化曲线。

10.根据权利要求6所述的一种基于等效取样和精密延时的光缆扰动监测系统的监测方法，其特征在于：所述S6中背向散射光信号扰动分析的方法为：

设无扰动发生时，不同传输距离时背向散射光强为：

I_C＝[x_1c,1 x_2c,1 … x_20c,1 x_1c,2 x_2c,2 … x_20c,2 … x_1c,2000 x_2c,2000 … x_20c,2000]

在实验中，测试的光纤扰动的背向散射光信号为：

I_P＝[x_1p,1 x_2p,1 … x_20p,1 x_1p,2 x_2p,2 … x_20p,2 … x_1p,2000 x_2p.2000 … x_20p,2000]

为消除背向散射光随传输距离的强度衰减影响，则有：

I＝I_P-I_C

其中，I为去掉背景干扰的光纤扰动信号；

在同一次光纤扰动测量过程中，同时监测多个位置存在不同强度的扰动，通过测量不同点的幅值、以及该点的变化率确定扰动点的位置；

若测量得知第k个点有扰动干扰，则第k点距离起始点的传输时间为：

t_k＝k×50ns

距离起始点的位置为：

因此，消除背向散射光衰减影响后，重构的光纤扰动的时间点和幅值可同时确定多个光纤扰动的位置和强度。

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