CN116222744A - 双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统与方法 - Google Patents

双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统与方法 Download PDF

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王一鸣
王洪海
桂鑫
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Abstract

本发明公开了一种双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，它包括脉冲光调制器、双脉冲程序控制器、光纤放大器、第一光环形器、第一光栅阵列光纤、第二光环形器、非匹配短干涉仪、三通道光电探测器和三通道数据采集卡，本发明采用双脉冲非匹配短干涉仪实现光栅反射信号的干涉振动传感，当接入不同光栅间距的光栅阵列光纤时，无需将系统内部的干涉仪臂长差调整到与光栅间距一致，只需调节双脉冲时延即可实现对不同光栅间距的光栅阵列光纤形成干涉传感，从而提升解调系统的适用性。

Description

双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统与 方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体地指一种双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统与方法。
背景技术
振动是自然界最普遍的现象之一，振动信号的传感应用也十分广泛，如在石油勘探、水声探测、轨道交通、周界安防等领域。光纤传感因无源，体积小，易复用等优势被广泛研究与应用，而利用相位敏感光时域反射技术
Figure BDA0004069996830000011
的光纤传感系统，可利用光纤作为传感器形成全分布式振动传感，通过在光纤中传输的光脉冲发生干涉，并解调干涉信号的相位变化来还原环境中的振动信息，具有高灵敏度、大容量等优势。
为实现干涉信号的相位解调，
Figure BDA0004069996830000012
方案主要可分为外差检测和零差检测。使用本征光和Δf频移的方法称为外差检测，通常利用纯光纤实现全分布式振动传感，外差检测方案可使光纤上每一个瑞利背向散射光与本征光发生干涉，具有全分布式的特点。而不使用本征光的方案被称为零差检测，典型的应用为采用光栅阵列光纤形成分布式振动传感系统。零差检测方案以相邻两个光栅之间的光纤为传感单元，发射单脉冲光进入光栅阵列光纤，通过构建具有臂长差的干涉仪，并使其臂长差完全匹配相邻两个光栅的间距，从而使前后光栅反射回的脉冲光在干涉仪的延迟作用下发生匹配干涉，干涉信号携带两个光栅间传感光纤的相位信息。采用固定位置的光栅作为反射点，增强了信号反射率，提高了系统的定位精度与信噪比，实现了对微小振动信号的高精度高灵敏度分布式振动传感。
基于零差检测的光栅增强型匹配干涉在分布式振动传感中具有诸多优势，但是系统采用的是匹配干涉仪，其臂长差需严格匹配传感阵列的光栅间距。存在如下问题：
1、当系统更换不同间距的光栅阵列光纤时，系统内干涉仪也需更换，以实现长度匹配，严重影响了系统的适用性。
2、随着传感阵列的光栅间距提升，干涉仪臂长差也需增大，所形成的干涉仪长延迟光纤会受到外界环境的严重影响，引入额外的相位解调误差，严重影响了光栅增强型分布式振动传感系统在实际工程中的应用。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统与方法，本发明采用双脉冲非匹配短干涉仪实现光栅反射信号的干涉振动传感，当接入不同光栅间距的光栅阵列光纤时，无需将系统内部的干涉仪臂长差调整到与光栅间距一致，只需调节双脉冲时延即可实现对不同光栅间距的光栅阵列光纤形成干涉传感，从而提升解调系统的适用性。
为实现此目的，本发明所设计的一种双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，它包括脉冲光调制器、双脉冲程序控制器、光纤放大器、第一光环形器、第一光栅阵列光纤、第二光环形器、非匹配短干涉仪、三通道光电探测器和三通道数据采集卡，其中，脉冲光调制器用于利用双脉冲程序控制器产生的电脉冲将连续光信号调制为双脉冲光，双脉冲光进入光纤放大器后，输出放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光环形器用于将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到第一光栅阵列光纤，第一光栅阵列光纤的每个光纤光栅形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光栅阵列光纤中前一个光纤光栅反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差A的前后双脉冲光信号组，具有光程差A的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器和第二光环形器输送到非匹配短干涉仪；具有光程差A的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪的第一法拉第旋转镜，具有光程差A的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤进入第二法拉第旋转镜，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜分别反射后得到具有光程差C的两束双脉冲光信号，该光程差C提供给具有光程差A的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
非匹配短干涉仪中的三分三光耦合器将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第一光栅阵列光纤监测目标的振动相位信息。
本发明的有益效果：
1、本发明采用双脉冲非匹配短干涉仪实现光栅反射信号的干涉振动传感，当接入不同光栅间距的光栅阵列光纤时，无需将系统内部的干涉仪臂长差调整到与光栅间距一致，只需调节双脉冲时延即可实现对不同光栅间距的光栅阵列光纤形成干涉传感，从而提升解调系统的适用性。
2、由于可匹配不同间距的光栅发生干涉，因此基于光栅阵列光纤制备的振动传感阵列(水听器阵列、检波器阵列等)传感器尺寸更加灵活，而传感器尺寸直接影响频率响应范围，本发明间接提升了系统响应频带的选择能力。
3、本发明采用的双脉冲时延调节可有效缩短系统内部干涉仪延时光纤长度，由于干涉仪为振动敏感器件，内部光纤的缩短可以有效减小外界环境引入的系统噪声，从而提升了系统干端的整体抗震、抗噪声能力，可以将本发明所述振动系统更好地适用于环境扰动较大的轨道交通、地震勘探、海洋环境监测等振动传感的领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中双脉冲干涉的原理图。
图2为双脉冲光信号组的时域示意图，可以清晰看出是通过调节双脉冲的时间间隔，并经过干涉仪短臂、长臂的作用，实现前一个双脉冲光信号组的第二脉冲经过长臂的延时，与后一个双脉冲光信号组的第一个脉冲经过短臂的延时，在时域上发生相遇产生干涉。
其中，1—激光器、2—脉冲光调制器、3—双脉冲程序控制器、4—光纤放大器、5—第一光环形器、6—光开关、7—光纤光栅、8—第一光栅阵列光纤、9—短传感光纤、10—第二光栅阵列光纤、11—长传感光纤、12—第二光环形器、13—三分三光耦合器、14—第一法拉第旋转镜、15—第二法拉第旋转镜、16—延时光纤、17—非匹配短干涉仪、18—三通道光电探测器、19—三通道数据采集卡。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，它包括激光器1、脉冲光调制器2、双脉冲程序控制器3、光纤放大器4(掺铒光纤放大器)、第一光环形器5、第一光栅阵列光纤8、第二光环形器12、非匹配短干涉仪17、三通道光电探测器18和三通道数据采集卡19，其中，激光器1用于输出连续光信号，脉冲光调制器2用于利用双脉冲程序控制器3产生的电脉冲将连续光信号调制为双脉冲光，双脉冲光进入光纤放大器4后，输出放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光环形器5用于将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到第一光栅阵列光纤8，第一光栅阵列光纤8的每个光纤光栅7形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光栅阵列光纤8中前一个光纤光栅7反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅7反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差A的前后双脉冲光信号组。为了使每个测区的振动信息反应到该前后双脉冲光信号组上，需要使前后双脉冲光信号组发生干涉，该干涉信号的相位信息即为所检测目标的振动相位信息。因此需通过匹配短干涉仪17以及双脉冲时域调节来匹配该光程差A使其发生干涉。首先具有光程差A的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器5和第二光环形器12输送到非匹配短干涉仪17；具有光程差A的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪17的第一法拉第旋转镜14，具有光程差A的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤16进入第二法拉第旋转镜15，第一法拉第旋转镜14和第二法拉第旋转镜15分别反射后得到具有光程差C的两束双脉冲光信号，该光程差C提供给具有光程差A的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器3调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
为了提取干涉信号的相位信息，采用3×3耦合器解调算法解调上述干涉信号的相位信息。非匹配短干涉仪17中的三分三光耦合器13将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器18分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡19采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第一光栅阵列光纤8监测目标的振动相位信息。使用3×3耦合器解调算法可将干涉光信号的强度信息解调为干涉光信号的相位信息，并具有实时性高、计算量小等解相优势。
上述技术方案中，它还包括光开关6和第二光栅阵列光纤10，第一光环形器5用于将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到光开关6中，根据应用需求使用光开关6切换第一光栅阵列光纤8和第二光栅阵列光纤10，第一光栅阵列光纤8是短传感光纤，传感器尺寸更小，在需要探测目标的频率范围大(通常可覆盖10Hz至2kHz频率范围)，信号强度大(如声源级大于110dB)时，使用第一光栅阵列光纤8接通光开关6，第二光栅阵列光纤10是长传感光纤，传感器尺寸大，灵敏度更好，在需要探测目标的频率范围小(通常可覆盖10Hz至1kHz范围时)，信号强度小(如声源级小于110dB)时，使用第二光栅阵列光纤10。
当光开关6的输入端与其第一输出端导通时，光开关6的第一输出端连接第一光栅阵列光纤8。
当光开关6的输入端与其第二输出端导通时，光开关6的第二输出端连接第二光栅阵列光纤10，第二光栅阵列光纤10的每个光纤光栅7形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第二光栅阵列光纤10中前一个光纤光栅7反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅7反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差B的前后双脉冲光信号组，该光程差B由长传感光纤11决定，具有光程差B的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器5和第二光环形器12输送到非匹配短干涉仪17；具有光程差B的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪17的第一法拉第旋转镜14，具有光程差B的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤16进入第二法拉第旋转镜15，第一法拉第旋转镜14和第二法拉第旋转镜15分别反射后得到具有光程差D的两束双脉冲光信号，光程差D由延时光纤16决定，该光程差D提供具有光程差B的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器3调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿具有光程差B的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
非匹配短干涉仪17中的三分三光耦合器13将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器18分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡19采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第二光栅阵列光纤10监测目标的振动相位信息。
上述技术方案中，所述三分三光耦合器13、第一法拉第旋转镜14、第二法拉第旋转镜15和延时光纤16构成具备干涉仪臂长差的非匹配短干涉仪17，延时光纤16长度可远小于短传感光纤9和长传感光纤11，无需满足延时光纤16长度与传感光纤长度的匹配，第一法拉第旋转镜14所在的光路为短臂，第二法拉第旋转镜15所在的含延时光纤16的光路为长臂。干涉仪通过设计短臂与长臂可提供光程差，从而为前后双脉冲光信号组发生干涉提供场所。通过调节双脉冲的时间间隔，结合干涉仪短臂、长臂的作用，使前一个双脉冲双脉冲光信号组的第二脉冲经过长臂的延时，与后一个双脉冲光信号组的第一个脉冲经过短臂的延时，在时域上发生相遇产生干涉。
根据应用需求使用光开关切换第一光栅阵列光纤8和第二光栅阵列光纤10。第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10连接光开关6时，前一个光纤光栅反射双脉冲(第一脉冲和第二脉冲)光经非匹配短干涉仪的长臂被反射，后一个光纤光栅反射的双脉冲光经非匹配短干涉仪的短臂被反射，两束脉冲之间的光程差减小，减小量由长臂中的延时光纤16决定。接着第一脉冲与第二脉冲的延时τ经双脉冲程序控制器3调节，共同补偿由延时光纤16带来的延时，使得前一个光纤光栅反射的第二个脉冲(FBGn)与后一个光纤光栅反射的第一个脉冲(FBGn+1)发生干涉，双脉冲程序控制器3可根据不同的光栅间距调节τ，保证第一光栅阵列光纤8和第二光栅阵列光纤10的前后光栅发生干涉。
上述技术方案中，所述第一光栅阵列光纤8中相邻两个光纤光栅7之间通过短传感光纤9连接，第二光栅阵列光纤10中相邻两个光纤光栅7之间通过长传感光纤11连接。
上述技术方案中，所述光程差A由短传感光纤9决定，短传感光纤9的长度范围为1～10m，光程差B由长传感光纤11决定，长传感光纤11的长度范围为10～50m；由短传感光纤9绕制而成的传感器长度可达0.1～1m，由长传感光纤11绕制而成的传感器长度可达1～5m。上述尺寸为单模光纤可实现的缠绕尺寸，通过缠绕一方面缩小传感器尺寸，以更好地布置在现场，另一方面通过缩小尺寸，增大频率响应范围。
所述短传感光纤9和长传感光纤11均为单模光纤；
所述第一光栅阵列光纤8中相邻两个光纤光栅7与之间的短传感光纤9共同构成一个传感区A，第一光栅阵列光纤8包含多个传感区A，传感区A的数量由第一光栅阵列光纤8中的光纤光栅7的数量决定；
所述第二光栅阵列光纤10中相邻两个光纤光栅7与之间的长传感光纤11共同构成一个传感区B，第二光栅阵列光纤10包括多个传感区B，传感区B的数量由第二光栅阵列光纤10中的光纤光栅7的数量决定。
上述技术方案中，获取第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10中监测目标的振动相位信息的具体方法为：
第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10中的前后光纤光栅7反射产生的脉冲延时时间ΔT和延时光纤16产生的脉冲延时时间ΔT1由以下公式确定：
Figure BDA0004069996830000081
其中，n为光纤折射率，c为光在真空中传输时间，L代表短传感光纤9或长传感光纤11的长度，d代表延时光纤16的长度，光程差A为2L；
当满足如下公式时，第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10的相邻两个光纤光栅7反射的光发生干涉；
ΔT＝ΔT1+τ (2)
其中，τ表示通过双脉冲程序控制器3调节的双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔；
短传感光纤9和长传感光纤11长度产生不同的ΔT，只需双脉冲程序控制器3调节脉冲延时时间τ，即可保证光栅阵列光纤的前后光栅发生干涉。
假设E1,N和E2,N分别为第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10中的第N个光栅7所反射光脉冲中的第一个子脉冲和第二个子脉冲的电场强度，表示为：
Figure BDA0004069996830000091
其中，ω表示连续光信号的角频率，
Figure BDA0004069996830000093
表示激光器1发出的连续光信号携带的初始相位，n表示第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10的纤芯折射率，AN表示第N个光栅7反射光脉冲的强度，波数k＝2π/λ，λ表示连续光信号的波长，exp表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位；
经过第一光环形器5和非匹配短干涉仪17后得到的两束反射光，并在三分三光耦合器13处发生干涉，干涉信号的脉冲强度IN表示为：
Figure BDA0004069996830000092
其中，双脉冲发出去，每个光栅回来的是两个子脉冲，其中，前一个光栅的第二个子脉冲与下一个光栅的第一个子脉冲相遇发生干涉，E1,(N+1)表示第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10中的第N+1个光栅7所反射光脉冲中的第一个子脉冲(采用上述E1,N相同的计算方式计算E1,(N+1))，AN表示第N+1个光栅7反射光脉冲的强度，*代表复共轭；
公式4的cos函数项中的相位值即为振动信号的相位信息，可标记为φ，为了解出φ，通过三分三光耦合器13，将式4中的干涉信号分成具有2π/3相位差的三路干涉信号，光强分别为I1，I2和I3，如式(5)所示；
Figure BDA0004069996830000101
再利用式三分三光耦合器数字相位反正切算法对三组干涉光强电信号进行相位解调得到φ，如式(6)所示，其中arctan为反正切函数；
Figure BDA0004069996830000102
振动信号的相位信息φ的变化量Δφ为传感系统监测得到的振动大小变化，对式(6)做微分得到Δφ：
Figure BDA0004069996830000103
其中，D表示短传感光纤9或长传感光纤11的直径，ΔD表示表示短传感光纤9或长传感光纤11的直径变化量，Δn表示纤芯折射率的变化量，L代表短传感光纤9或长传感光纤11的长度，ΔL代表短传感光纤9或长传感光纤11的长度变化量，d代表延时光纤16的长度，Δd代表延时光纤16的长度变化量。
公式7中右边三项分别是由于传感光纤的长度、传感光纤折射率和传感光纤直径变化引起的相位变化。由于ΔD引起的相位变化极小，数量级相对前两项小两到三个数量级，可以忽略此项。因此，Δφ可以简化为：
Figure BDA0004069996830000111
其中，εL,1表示短传感光纤9或长传感光纤11的轴向应变，εd,1表示延时光纤16的轴向应变。ΔnL,i表示第一光栅阵列光纤8或第二光栅阵列光纤10纤芯折射率的变化，Δnd,i表示延时光纤16纤芯折射率的变化，当i＝1,2,3时分别表示光纤的轴向和两个径向分量。明显可以看出，干涉仪延时光纤16长度d越小时，系统解调出的Δφ变化越能代表短传感光纤9或长传感光纤11感知的外界振动大小变化，干涉仪延时光纤16的缩短可减小外界环境引入的系统噪声。根据以上公式，本发明通过设计一种双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，减小了光栅增强型分布式振动传感系统中的干涉仪中的延迟光纤长度，实现了外界振动大小的准确获取，降低了外界环境噪声对系统的影响，提升了系统的抗噪性能。
一种基于上述系统的分布式振动传感方法，它包括如下步骤：
步骤1：脉冲光调制器2利用双脉冲程序控制器3产生的电脉冲将连续光信号调制为双脉冲光，双脉冲光进入光纤放大器4后，输出放大了峰值功率的双脉冲光信号；
步骤2：第一光环形器5将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到第一光栅阵列光纤8，第一光栅阵列光纤8的每个光纤光栅7形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光栅阵列光纤8中前一个光纤光栅7反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅7反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差A的前后双脉冲光信号组；
步骤3：具有光程差A的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器5和第二光环形器12输送到非匹配短干涉仪17；具有光程差A的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪17的第一法拉第旋转镜14，具有光程差A的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤16进入第二法拉第旋转镜15，第一法拉第旋转镜14和第二法拉第旋转镜15分别反射后得到具有光程差C的两束双脉冲光信号，该光程差C提供给具有光程差A的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器3调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
步骤4：非匹配短干涉仪17中的三分三光耦合器13将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器18分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡19采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第一光栅阵列光纤8监测目标的振动相位信息。
本发明采用双脉冲非匹配短干涉仪实现不同传感区长度的光栅阵列光纤形成光栅干涉，解决现有系统需更换干涉仪，实现系统干涉仪内部光纤的缩短，从而提升系统的适用性、抗外界环境干扰能力，使之能够适用于环境扰动较大的轨道交通、地震勘探、海洋环境监测等振动传感领域。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：它包括脉冲光调制器(2)、双脉冲程序控制器(3)、光纤放大器(4)、第一光环形器(5)、第一光栅阵列光纤(8)、第二光环形器(12)、非匹配短干涉仪(17)、三通道光电探测器(18)和三通道数据采集卡(19)，其中，脉冲光调制器(2)用于利用双脉冲程序控制器(3)产生的电脉冲将连续光信号调制为双脉冲光，双脉冲光进入光纤放大器(4)后，输出放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光环形器(5)用于将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到第一光栅阵列光纤(8)，第一光栅阵列光纤(8)的每个光纤光栅(7)形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光栅阵列光纤(8)中前一个光纤光栅(7)反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅(7)反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差A的前后双脉冲光信号组，具有光程差A的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器(5)和第二光环形器(12)输送到非匹配短干涉仪(17)；具有光程差A的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪(17)的第一法拉第旋转镜(14)，具有光程差A的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤(16)进入第二法拉第旋转镜(15)，第一法拉第旋转镜(14)和第二法拉第旋转镜(15)分别反射后得到具有光程差C的两束双脉冲光信号，该光程差C提供给具有光程差A的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器(3)调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
非匹配短干涉仪(17)中的三分三光耦合器(13)将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器(18)分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡(19)采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第一光栅阵列光纤(8)监测目标的振动相位信息。
2.根据权利要求1所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：它还包括光开关(6)，第一光环形器(5)用于将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到光开关(6)中，当光开关(6)的输入端与其第一输出端导通时，光开关(6)的第一输出端连接第一光栅阵列光纤(8)。
3.根据权利要求1所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：它还包括第二光栅阵列光纤(10)，当光开关(6)的输入端与其第二输出端导通时，光开关(6)的第二输出端连接第二光栅阵列光纤(10)，第二光栅阵列光纤(10)的每个光纤光栅(7)形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第二光栅阵列光纤(10)中前一个光纤光栅(7)反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅(7)反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差B的前后双脉冲光信号组，具有光程差B的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器(5)和第二光环形器(12)输送到非匹配短干涉仪(17)；具有光程差B的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪(17)的第一法拉第旋转镜(14)，具有光程差B的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤(16)进入第二法拉第旋转镜(15)，第一法拉第旋转镜(14)和第二法拉第旋转镜(15)分别反射后得到具有光程差D的两束双脉冲光信号，该光程差D提供具有光程差B的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器(3)调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
非匹配短干涉仪(17)中的三分三光耦合器(13)将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器(18)分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡(19)采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第二光栅阵列光纤(10)监测目标的振动相位信息。
4.根据权利要求1所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：它还包括激光器(1)，激光器(1)用于输出连续光信号。
5.根据权利要求1所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：所述三分三光耦合器(13)、第一法拉第旋转镜(14)、第二法拉第旋转镜(15)和延时光纤(16)构成具备干涉仪臂长差的非匹配短干涉仪(17)，第一法拉第旋转镜(14)所在的光路为短臂，第二法拉第旋转镜(15)所在的含延时光纤(16)的光路为长臂。
6.根据权利要求3所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：所述第一光栅阵列光纤(8)中相邻两个光纤光栅(7)之间通过短传感光纤(9)连接，第二光栅阵列光纤(10)中相邻两个光纤光栅(7)之间通过长传感光纤(11)连接。
7.根据权利要求6所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：所述光程差A由短传感光纤(9)决定，短传感光纤(9)的长度范围为1～10m，光程差B由长传感光纤(11)决定，长传感光纤(11)的长度范围为10～50m；
所述短传感光纤(9)和长传感光纤(11)均为单模光纤；
所述第一光栅阵列光纤(8)中相邻两个光纤光栅(7)与之间的短传感光纤(9)共同构成一个传感区A，第一光栅阵列光纤(8)包含多个传感区A，传感区A的数量由第一光栅阵列光纤(8)中的光纤光栅(7)的数量决定；
所述第二光栅阵列光纤(10)中相邻两个光纤光栅(7)与之间的长传感光纤(11)共同构成一个传感区B，第二光栅阵列光纤(10)包括多个传感区B，传感区B的数量由第二光栅阵列光纤(10)中的光纤光栅(7)的数量决定。
8.根据权利要求1所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：
获取第一光栅阵列光纤(8)监测目标的振动相位信息的具体方法为：
第一光栅阵列光纤(8)的前后光纤光栅(7)反射产生的脉冲延时时间ΔT和延时光纤(16)产生的脉冲延时时间ΔT1由以下公式确定：
Figure FDA0004069996770000041
其中，n为光纤折射率，c为光在真空中传输时间，L代表短传感光纤(9)的长度，d代表延时光纤(16)的长度，光程差A为2L；
当满足如下公式时，第一光栅阵列光纤(8)相邻两个光纤光栅(7)反射的光发生干涉；
ΔT＝ΔT1+τ
(2)
其中，τ表示通过双脉冲程序控制器(3)调节的双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔；
假设E1,N和E2,N分别为第一光栅阵列光纤(8)中的第N个光栅(7)所反射光脉冲中的第一个子脉冲和第二个子脉冲的电场强度，表示为：
Figure FDA0004069996770000042
其中，ω表示连续光信号的角频率，
Figure FDA0004069996770000054
表示激光器(1)发出的连续光信号携带的初始相位，n表示第一光栅阵列光纤(8)的纤芯折射率，AN表示第N个光栅(7)反射光脉冲的强度，波数k＝2π/λ，λ表示连续光信号的波长，exp表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位；
经过第一光环形器(5)和非匹配短干涉仪(17)后得到的两束反射光，并在三分三光耦合器(13)处发生干涉，干涉信号的脉冲强度IN表示为：
Figure FDA0004069996770000051
其中，E1,(N+1)表示第一光栅阵列光纤(8)中的第N+1个光栅(7)所反射光脉冲中的第一个子脉冲，AN表示第N+1个光栅(7)反射光脉冲的强度，*代表复共轭；
公式4的cos函数项中的相位值即为振动信号的相位信息，可标记为φ，为了解出φ，通过三分三光耦合器(13)，将式4中的干涉信号分成具有2π/3相位差的三路干涉信号，光强分别为I1，I2和I3，如式(5)所示；
Figure FDA0004069996770000052
再利用式三分三光耦合器数字相位反正切算法对三组干涉光强电信号进行相位解调得到φ，如式(6)所示，其中arctan为反正切函数；
Figure FDA0004069996770000053
9.根据权利要求8所述的双脉冲非匹配短干涉仪的光栅增强型分布式振动传感系统，其特征在于：振动信号的相位信息φ的变化量Δφ为传感系统监测得到的振动大小变化，对式(6)做微分得到Δφ：
Figure FDA0004069996770000061
其中，D表示短传感光纤(9)的直径，ΔD表示表示短传感光纤(9)的直径变化量，Δn表示纤芯折射率的变化量，L代表短传感光纤(9)的长度，ΔL代表短传感光纤(9)的长度变化量，d代表延时光纤(16)的长度，Δd代表延时光纤(16)的长度变化量。
10.一种基于权利要求1所述系统的分布式振动传感方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：脉冲光调制器(2)利用双脉冲程序控制器(3)产生的电脉冲将连续光信号调制为双脉冲光，双脉冲光进入光纤放大器(4)后，输出放大了峰值功率的双脉冲光信号；
步骤2：第一光环形器(5)将放大了峰值功率的双脉冲光信号输送到第一光栅阵列光纤(8)，第一光栅阵列光纤(8)的每个光纤光栅(7)形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的双脉冲光信号，第一光栅阵列光纤(8)中前一个光纤光栅(7)反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号与后一个光纤光栅(7)反射的放大了峰值功率的双脉冲光信号形成具有光程差A的前后双脉冲光信号组；
步骤3：具有光程差A的前后双脉冲光信号组依次通过第一光环形器(5)和第二光环形器(12)输送到非匹配短干涉仪(17)；具有光程差A的前后双脉冲光信号组进入非匹配短干涉仪(17)的第一法拉第旋转镜(14)，具有光程差A的前后双脉冲光信号组还通过延时光纤(16)进入第二法拉第旋转镜(15)，第一法拉第旋转镜(14)和第二法拉第旋转镜(15)分别反射后得到具有光程差C的两束双脉冲光信号，该光程差C提供给具有光程差A的前后双脉冲光信号组中前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉所需的部分时间差，再通过双脉冲程序控制器(3)调节双脉冲光信号中两个脉冲之间的时间间隔，完全补偿剩余时间差，使得前一光纤光栅与后一光纤光栅反射的双脉冲光信号发生干涉；
步骤4：非匹配短干涉仪(17)中的三分三光耦合器(13)将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号，多通道光电探测器(18)分别将三路干涉光信号转换成对应的三组干涉光的强度电信号，三通道数据采集卡(19)采集到三组干涉光的强度电信号后，利用三分三光耦合器数字解调算法对三组干涉光的强度电信号进行相位解调，得到第一光栅阵列光纤(8)监测目标的振动相位信息。
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