CN116337203A - 基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统，属于光纤传感领域技术领域，方法包括：S1、设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C及所述目标频率梳的初始相位；S2、将所述目标频率梳转换成时域信号，并将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；S3、对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；S4、将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，进行定量分布式光纤振动探测。本发明实现了在探测脉冲上调制出目标频率梳，压缩了单次探测时间，从而提高了对外界扰动的频率响应能力，能够实现动态信号的高信噪比探测。

Description

基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统

技术领域

本发明属于光纤传感领域技术领域，更具体地，涉及一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统。

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，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，最常见的基于瑞利散射的分布式传感方案主要是相位敏感光时域反射仪

相位敏感光时域反射仪/>

是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。

相位敏感光时域反射仪

包括单频探测/>

和移频探测

单频探测方案每次探测使用单一频率，通过对后向瑞利散射信号进行强度/相位解调来获取外界扰动信息，能够实现对信号强度的探测，但探测灵敏度不高。移频探测方案每次探测使用一组不同频率的探测光，通过这一组不同探测频率的探测脉冲所得到的瑞利散射信号重构出光纤沿线的瑞利频移谱，再由此定量分析外界扰动信号的大小，因而能够实现拥有超高灵敏度的定量探测；但是完成一次探测的时间长，响应速度慢，无法实现对动态信号的实时监测，具体表现在：移频探测系统中每组探测中的若干次探测都是各自独立进行的，假设每组探测中所进行独立探测的次数为N，则单次探测耗时至少是单频探测系统的N倍，加上信号发生器的频率切换时间，单次探测时间还会更长，使得现有的移频探测系统中即便使用功能了昂贵的捷变频器件也只能实现Hz量级的响应速度，因而无法用于动态信号的探测，只能实现对缓变的准静态信号的监测。

现有的频率梳探测技术一般是通过对硬件设备(比如激光器)进行硬件调制产生频率梳，其性能特点是带宽很大，但频梳间隔也很大，使得频率梳是很稀疏的，由于傅里叶变换的时频对易特性，这种频率梳对应的时间重复周期很长，使得探测脉冲时间宽度很大，导致空间分辨率极低，无法应用在移频探测φ-OTDR上。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法及系统，其目的在于实现动态信号的超高灵敏度定量探测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法，包括：

S1、设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；

S2、将所述目标频率梳转换成时域信号，并将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；

S3、对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；

S4、将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，进行定量分布式光纤振动探测。

进一步地，在S2之前，还包括步骤：

将所述目标频率梳依次进行m次频移，且每次频移步长是所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的

频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，将所述m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。

进一步地，S3中，所述光域频移量与所述目标频率梳之间满足：

所述目标频率梳总频带宽度f_BW不大于所述光域频移量的两倍，所述目标频率梳起点频率与所述光域频移量的差值不低于所述光域频移量与所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的和。

进一步地，S1中，计算所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位，包括：

随机设定所述目标频率梳每个梳齿的初始相位，并计算所述目标频率梳时域波形对应的峰值平均功率比；

通过迭代优化，得到所述目标频率梳取得最小峰值平均功率比时所对应的相位。

进一步地，S4中，进行定量分布式光纤振动探测包括：

S41、将所述待测光纤FUT产生的连续后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；

S42、提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；

S43、将所述强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁并重排；再对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息；将所述频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵；

S44、将某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻一段时间内的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，计算每个测量谱与所述参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，用所述频移量大小表征外界扰动大小。

进一步地，S4中，还包括：对所述频梳脉冲序列进行脉冲放大；

或/和还包括：对放大后的脉冲序列进行去噪后，输入至待测光纤FUT。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测系统，包括：

目标频率梳设计模块，用于设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；

任意波形生成器，用于生成所述目标频率梳对应的时域信号；

电光调制器，用于将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；

声光调制器，用于对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；

第二环形器，用于将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，并输出待测光纤FUT产生的后向瑞利散射信号；

3dB耦合器，用于将所述后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；

平衡光电探测器，用于提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；

数据处理模块，用于根据所述强度信息进行定量分布式光纤振动探测。

进一步地，还包括目标频率梳频移模块，用于将所述目标频率梳依次进行m次频移，且每次频移步长是所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的

频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，将所述m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。

进一步地，所述声光调制器带宽f_AOM与所述频率梳之间满足：

所述目标频率梳总频带宽度f_BW不大于所述声光调制器带宽f_AOM的两倍，所述目标频率梳起点频率与所述声光调制器带宽f_AOM的频率差值Δf不低于所述声光调制器带宽f_AOM与所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的和。

进一步地，所述数据处理模块包括瑞利散射轨迹矩阵生成单元和外界扰动定量计算单元；

瑞利散射轨迹矩阵生成单元用于将所述强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁并重排；再对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息；将所述频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵；

外界扰动定量计算单元用于将某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻一段时间内的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，计算每个测量谱与所述参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，用所述频移量大小表征外界扰动大小。

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)本发明通过在数字域基于探测脉冲的宽度设计目标频率梳并设计目标频率梳的初始相位，基于移频探测，将对应的时域波形调制在光载波上，实现了单一脉冲上加载多个不同的探测频率，一个频率梳只占用一次探测时间，相比传统的每个频率占用一次探测时间，极大地压缩了探测时间，从而提高了频率响应能力，能够实现动态信号的超高灵敏度定量探测，同时避免在单脉冲内调制频率梳出现的信噪比极低的问题。

(2)在新的目标频率梳下，m+1个探测脉冲构成一组探测频率梳，一组频率梳只占用m+1次探测时间，相比传统的每个频率占用一次探测时间，极大地压缩了探测时间，从而提高了频率响应能力，能够实现动态信号的超高灵敏度定量探测，同时，新的目标频率梳的频率分辨率提高了m+1倍，适用于对频率分辨率和空间分辨率要求更高的场景。

(3)基于设计的光域频移量与所述目标频率梳之间的关系，将本发明设计的目标频率梳与相干探测方案有机集合，大幅提高了探测信号的信噪比，实现不低于传统单频探测方案的高信噪比单脉冲频梳探测效果，解决了在单脉冲内调制频率梳，会面临脉冲能量被多个不同频率分散、以及基于光纤非线性效应对脉冲总能量的限制，单脉冲内每个频率分量能够加载的最大能量比单频探测更低而造成的探测信号信噪比低的问题。

(4)本发明还给出了进行定量分布式光纤振动探测的具体方法，通过将相干探测技术和设计的频率梳有机结合，设计的目标频率梳被拍为双边带信号，基于该双边带信号计算每次探测的瑞利散射轨迹矩阵，进而得到外界扰动的位置信息，并对其扰动大小进行动态监测。

(5)作为优选，对频梳脉冲序列进行脉冲放大，以及滤除放大后的脉冲序列中的噪声，进一步提升探测的信噪比。

总而言之，本发明实现了在探测脉冲上调制出目标频率梳，压缩了单次探测时间，从而提高了频率响应能力，能够实现动态信号的探测，并能够提升探测的信噪比。

附图说明

图1为本发明的基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法的流程图。

图2为本发明设计的目标频率梳。

图3为本发明的调制频率梳时域波形图。

图4为本发明的频率梳调制后的脉冲时域波形图。

图5为本发明设计的新的目标频率梳。

图6为本发明调制频率梳上边带和调制频率梳下边带的示意图。

图7为本发明提供的基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测系统示意图。

图8为采样结果滤波重组后得到的瑞利散射轨迹矩阵及互相关计算示意图。

图9为本发明实施例得到的互相关谱。

图10为本发明实施例得到的峰值拟合振动测量结果图。

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。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，本发明的基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法，主要包括如下步骤：

S1、设计目标频率梳：包括设计目标频率梳的梳齿间隔Δf_C及目标频率梳的初始相位；该频率梳梳齿的间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍；设计该频率梳的初始相位包括：随机设定目标频率梳每个梳齿的初始相位，计算该频率梳时域波形对应的峰值平均功率比PAPR，通过迭代优化，得到峰值平均功率比PAPR最小的时域波形对应的频率梳的相位，将该相位作为该频率梳的初始相位；

S2、将设计的目标频率梳转换成时域信号，并将该时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；

S3、对调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列，实现单一脉冲上加载n个等间隔的探测频率；

S4、将调制后的频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，进行后向瑞利散射型分布式光纤传感，也即进行定量分布式光纤振动探测。

S1中，设计的目标频率梳，如图2所示，f_BW表示设计的目标频率梳的总频带宽度，包括n个等间隔的探测频率，n表示设计的目标频率梳的梳齿数量，由目标频率梳的总频带宽度和每个频率分量之间的间隔决定。

将设计的目标频率梳转换成时域信号后，其时域波形图如图3所示，可以看出，该时域波形为周期性重复的信号，并且重复周期的长度等于频率梳的间隔Δf_C的倒数。

如图4所示，当该频率梳的间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，可以使得后续S3中进行探测脉冲调制后，调制后的每个探测脉冲的脉宽内至少包含两个完整的周期的时域波形，进而能够使得根据调制后的脉冲信号还原出所设计出的频率梳频谱。

通过将峰值平均功率比PAPR最小的时域波形对应的频率梳的相位作为该频率梳的初始相位，能够在光纤非线性阈值限制下提高单脉冲内的总和光功率，进而提升探测的信噪比。

作为本发明进一步优选的设计，S2之前，还包括步骤：

将S1中设计的目标频率梳依次进行m次频移(即在上一次频移的基础上进行下一次频移)，且每次频移步长是原设计的目标频率梳梳齿间隔的

频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，也即频移后的m+1组频率梳梳齿的间隔与频移之前的频率梳的梳齿间隔相同，以频移后得到的m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。新的目标频率梳的频率分辨率提高了m+1倍，适用于对频率分辨率和空间分辨率要求更高的场景。此时设计的新的目标频率梳可以应用于需求的空间分辨率所对应的探测脉冲宽度和需求的监测灵敏度所对应的频率大小之间不满足傅里叶时频对易关系的情形。

本发明实施例中，以对目标频率梳依次进行4次频移为例，如图5所示，对S1中设计的目标频率梳顺次频移4次，下一个频率梳基于上一个频率梳进行频移，频移步长是频率梳梳齿间隔的1/5，将频移后得到的5组频率梳作为整体，作为新的目标频率梳；图5中的t₁-t₅表示分别在t₁-t₅时刻将第1组-第5组频率梳分别调制在连续的五个单脉冲上。

基于新的目标频率梳，S3中还包括：每个探测脉冲依序加载m+1组频率梳中的一个频率梳，m+1个探测脉冲共同组成一组探测，也即，每个脉冲上加载n个等间隔的探测频率，m+1个脉冲上依次加载m+1组频率梳，每组频率梳包括n个等间隔的探测频率。

S2中，本发明实施例中，将设计的目标频率梳转换成时域信号后，通过任意波形生成器生成该时域信号，再通过任意波形生成器控制电光调制器将该时域信号调制在探测光上，其中，任意波形生成器可以是任意波形发生器AWG或者任意函数生成器AFG。由于目标频率梳转换成的时域信号具有大带宽和高采样率的特性，本实施例优选采用任意波形发生器AWG生成该时域信号；同时，要求调制速度的带宽高，本实施例优选采用电光调制器EOM将该时域信号调制在探测光上，在其他实施例中，也可以选用马赫泽德调制器MZM。

S3中，本发明实施例中，为了实现后续的定量分布式光纤振动探测过程中的相干探测，光域频移量与设计的目标频率梳之间还需要满足：

目标频率梳总宽度f_BW不大于光域频移量的两倍，频率梳起点频率与光域频移量的差值不低于光域频移量与梳齿间隔Δf_C的和。

作为优选，可以通过声光调制器AOM对调制后的时域信号进行光域频移以及探测脉冲调制，同时，声光调制器带宽f_AOM与设计的目标频率梳之间还需要满足：

频率梳总宽度f_BW不大于所使用的声光调制器带宽f_AOM的两倍，频率梳起点频率与声光调制器带宽f_AOM的频率差值Δf不低于声光调制器带宽f_AOM与梳齿间隔Δf_C的和，以实现双边带共存的相干探测；在本发明方法的具体实现方式中，频率梳起点频率与光域频移量的差值与Δf相等。

作为优选，S4中还包括步骤：对调制后的频梳脉冲序列进行脉冲放大，以提升探测信噪比。

具体地，S4中，进行定量分布式光纤振动探测包括：

S41、对脉冲放大后的调制后的脉冲序列进行滤波后进入待测光纤FUT，待测光纤FUT产生连续的后向瑞利散射信号；

将该后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后输出两路连续的耦合信号；其中，探测光和本地光可以通过激光器生成，激光器产生的连续光经过耦合器后分成两路，一路作为探测光，一路作为相干本地光；

S42、提取两路连续的耦合信号拍频后的强度信息(也即外差瑞利散射信号)；

S43、对拍频后的强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁，再按照每个探测脉冲与其所加载的调制频率梳的对应关系进行重排，对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息，也即，若单次探测采用一个频率梳，每次探测得到2n个频率信息，若单次探测采用上述设计的m+1个频率梳，每次探测得到2*(m+1)*n个频率信息；再将每次探测得到的各频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵，如图8所示。其中，得到的滤波后的信号包含三个频率段：基准载波频率、调制频率梳上边带和调制频率梳下边带；在对重排后的强度信息滤波时，根据目标频率梳每个频率的位置以及光域频移的大小，计算调制频率梳上边带和调制频率梳下边带，进而设计滤波器。

也即，本发明通过将相干探测技术和设计的频率梳有机结合，原始设计的目标频率梳被拍为双边带信号，在频域上，调制频率梳上边带为设计的目标频率梳频率整体上移一个光域频移量，调制频率梳下边带为设计的目标频率梳频率整体下移一个光域频移量，在本实施例中该光域频移量等于声光调制器带宽f_AOM。基于本发明设计的目标频率梳，得到的调制频率梳上边带和调制频率梳下边带共同形成一段连续的长频率梳或者形成具有一定频率间隔的两段频率梳信号。基准载波频率将在频带较低处单独存在，且与两段频率梳之间存在易于分辨的频率间隔，如图6所示。

S44、将所测得的某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻前或/和后一段时间内所测得的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，每个测量谱均与参考谱通过互相关算法或其他向量相关度估计算法计算每个测量谱与参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，即可从中获得外界扰动的位置信息，并对其扰动大小进行动态监测。其中，频移量大小与外界扰动大小存在对应关系，在常见的通信光纤中，该对应关系一般约为150MHz/με。可以将得到调制频率梳上边带和调制频率梳下边带分别进行处理后，分别各自进行互相关运算，再将得到的结果进行平均，两段频率梳以不同的维度对同样的外界扰动信息进行探测，可以提升探测信噪比。

通过本发明的方法，可以在一段时间内得到大量的测量结果，一个频率梳只占用一次探测时间，或者一组频率梳只占用m+1次探测时间，相比传统的每个频率占用一次探测时间，本发明方法的探测时间大大缩短，也即可以大大提升测量速度，以实现信号的动态探测。如图7所示，基于上述的探测方法，本发明提供一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测系统，主要包括：

目标频率梳设计模块、激光器laser、耦合器coupler1、偏振控制器PC、电光调制器、任意波形生成器、声光调制器AOM、放大器、第一环形器、布拉格光纤光栅FBG、第二环形器、3dB耦合器coupler2、平衡光电探测器BPD、高速示波器Oscilloscope以及数据处理模块；

目标频率梳设计模块用于设计目标频率梳：该频率梳的间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，并且确定该频率梳的初始相位，包括计算该频率梳时域波形对应的峰值平均功率比PAPR，通过迭代优化，得到峰值平均功率比PAPR最小的时域波形对应的频率梳的相位，将该相位作为该频率梳的初始相位；

作为本发明的优选设计，还包括目标频率梳频移模块，用于对目标频率梳设计模块设计得到的目标频率梳依次进行m次频移，且频移步长是频率梳梳齿间隔的

频移后得到的m+1组频率梳的间隔不变，以频移后的m+1组频率梳作为新的目标频率梳。本发明实施例中，采用新的目标频率梳进行移频探测。

激光器laser用于输出激光，输出的激光经过耦合器coupler1分成两路激光，一路激光作为探测光，一路作为相干本地光，本实施例中，激光器选择窄线宽的激光器；探测光经过偏振控制器PC经过偏振态调整后，输入电光调制器；

任意波形生成器用于生成目标频率梳转换成的时域信号，其中，任意波形生成器可以是任意波形发生器AWG或者任意函数生成器AFG；

电光调制器用于将该时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号，其中，电光调制器可以是电光调制器EOM或者马赫泽德调制器MZM；

声光调制器AOM用于对调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列，实现单一脉冲上加载n个等间隔的探测频率；其中，本实施例中，通过任意函数生成器AFG给声光调制器AOM提供周期矩形脉冲射频信号；两个光脉冲之间的时间间隔大于光脉冲渡越时间的两倍。优选使用较大带宽的声光调制器AOM(如200MHz或300MHz)，以实现更大的信号强度测量范围。

为了避免后续进行相关解调时产生混叠，设计的目标频率梳还需要满足：

频率梳总宽度f_BW不大于所使用的声光调制器带宽f_AOM的两倍，频率梳起点频率与声光调制器带宽f_AOM的频率差值Δf不低于声光调制器带宽f_AOM目标频率梳梳齿间隔Δf_C的和，以实现双边带共存的相干探测。

基于本发明设计的目标频率梳，通过探测脉冲调制后的每个光脉冲内能够分辨出两个波形变化周期；同时声光调制器AOM引入一个固定频移，使得后续信号能够进行外差相干解调。

作为优选，将调制后的频梳脉冲序列通过放大器进行脉冲放大，本实施例中，放大器选择掺铒光纤放大器EDFA。脉冲放大后的脉冲序列经过第一环形器和布拉格光纤光栅FBG滤除掺铒光纤放大器EDFA产生的自发辐射噪声后，通过第二环形器进入待测光纤FUT；其中，探测光纤包括但不限于普通单模光纤、多芯光纤、少模光纤、光子晶体光纤、塑料光纤等。本实施例中，选择普通单模光纤。

待测光纤FUT产生的后向瑞利散射信号通过第二环形器的另外一个端口输出，输出的后向瑞利散射信号和另外一路相干本地光分别接入3dB耦合器coupler2干涉后，输出两路连续的耦合信号；通过平衡光电探测器BPD进行光信号采样并转化为电信号，提取两路连续的耦合信号拍频后的强度信息，也即外差瑞利散射信号；通过高速示波器Oscilloscope采集该外差瑞利散射信号。

数据处理模块包括瑞利散射轨迹矩阵生成单元和外界扰动定量计算单元，瑞利散射轨迹矩阵生成单元用于执行上述基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法中的步骤S43，外界扰动定量计算单元用于执行上述基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法中的S44。

本实施例中，以t₀时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，以t₁-t_n时间内的所测得瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，进行互相关计算，如图8所示。

本实施例中，对调制频率梳上边带和调制频率梳下边带分别进行处理，计算得到的互相关谱如图9所示，当光纤上存在外界扰动时，互相关谱对应位置处的相关峰会偏离零值——该偏离量的大小即线性对应外界扰动的大小，若使用的光纤非标准单模光纤则需提前对该线性关系进行标定。将调制频率梳下边带信号所得到的互相关谱沿频率分量方向翻转后，与调制频率梳上边带信号所得到的互相关谱进行平均，即可得到图像增强的光纤沿线频移相关谱图样，通过计算每一时刻的相关谱、并对每一时刻的相关谱做峰值拟合之后，即可得到光纤沿线的外界扰动信号。如图10所示，展示了对图9上的振动信号位置处数个不同振幅大小的500Hz正弦信号的峰值拟合结果，验证了本发明的动态定量监测能力；系统响应速度等于每组测量的总耗时，在本实施例中，总耗时为5次单脉冲测量的需求时间之和。系统对扰动信号强度的分辨率由实验所设置的频率梳间隔和具体使用的峰值拟合算法决定，一般情况下测量应变灵敏度在nε量级乃至pε量级，相比传统的单频相干探测方案με量级的灵敏度(振动信号幅值测量精度)提高了三个数量级以上，其中，振动信号幅值测量精度与空间分辨率大小相关，而振动信号幅值测量精度由频率梳总带宽f_BW及频率梳梳齿的间隔Δf_C决定，空间分辨率大小由探测脉冲的脉宽决定。并且，基于本发明设计的频率梳，直接根据探测结果的强度信息得到外加扰动信号对应的频移信息，使得本发明不需要进行相位解调，不受干涉衰落的影响，因此对振动的监测和感知也更可靠。

相比传统的逐频扫描的移频探测

方案，通过设计的频率梳实现了单一脉冲上加载n个等间隔的探测频率，一个频率梳只占用一次探测时间，或者一组频率梳只占用m次探测时间，相比传统的每个频率占用一次探测时间，将漫长的频率扫描过程压缩至单次或数次探测之内，极大地压缩了探测时间，从而提高了频率响应能力；频率响应速度只受传感光纤长度和测量精度限制，能够轻易达到kHz量级。且由于采用了相干探测，无需进行平均，信噪比也比通常的捷变频方案更高。

在具体的应用中，该系统可按照传统的相干探测φ-OTDR单端传感系统进行安装，安装完成后根据目标传感场景预先设计好需要使用的频率梳信号，按照上述步骤进行信号处理即可实现对动态信号的高灵敏度定量监测。

本发明中能够实现与传统单频探测

系统相当的动态信号响应，同时保持移频探测/>

系统的超高灵敏度的优势，从而实现超高灵敏度快速定量振动信号监测。

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)

1.一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测方法，其特征在于，包括：

S1、设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；

S2、将所述目标频率梳转换成时域信号，并将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；

S3、对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；

S4、将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，进行定量分布式光纤振动探测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S2之前，还包括步骤：

将所述目标频率梳依次进行m次频移，且每次频移步长是所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的

频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，将所述m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S3中，所述光域频移量与所述目标频率梳之间满足：

所述目标频率梳总频带宽度f_BW不大于所述光域频移量的两倍，所述目标频率梳起点频率与所述光域频移量的差值不低于所述光域频移量与所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的和。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S1中，计算所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位，包括：

随机设定所述目标频率梳每个梳齿的初始相位，并计算所述目标频率梳时域波形对应的峰值平均功率比；

通过迭代优化，得到所述目标频率梳取得最小峰值平均功率比时所对应的相位。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S4中，进行定量分布式光纤振动探测包括：

S41、将所述待测光纤FUT产生的连续后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；

S42、提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；

S43、将所述强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁并重排；再对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息；将所述频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵；

S44、将某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻一段时间内的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，计算每个测量谱与所述参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，用所述频移量大小表征外界扰动大小。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S4中，还包括：对所述频梳脉冲序列进行脉冲放大；

或/和还包括：对放大后的脉冲序列进行去噪后，输入至待测光纤FUT。

7.一种基于频率梳的快速定量分布式光纤振动探测系统，其特征在于，包括：

目标频率梳设计模块，用于设计目标频率梳，包括设计所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C及所述目标频率梳的初始相位；其中，所述目标频率梳的梳齿间隔Δf_C不低于探测脉冲脉宽倒数的两倍，所述目标频率梳的初始相位为所述目标频率梳时域波形的峰值平均功率比最小时所对应的相位；

任意波形生成器，用于生成所述目标频率梳对应的时域信号；

电光调制器，用于将所述时域信号调制在探测光上，得到调制后的时域光载波信号；

声光调制器，用于对所述调制后的时域光载波信号进行光域频移及探测脉冲调制，得到调制后的频梳脉冲序列；

第二环形器，用于将所述频梳脉冲序列输入至待测光纤FUT，并输出待测光纤FUT产生的后向瑞利散射信号；

3dB耦合器，用于将所述后向瑞利散射信号与本地光进行干涉后，输出两路连续的耦合信号；

平衡光电探测器，用于提取所述两路连续的耦合信号拍频后的强度信息；

数据处理模块，用于根据所述强度信息进行定量分布式光纤振动探测。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括目标频率梳频移模块，用于将所述目标频率梳依次进行m次频移，且每次频移步长是所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的

频移后得到的m+1组频率梳的梳齿间隔不变，将所述m+1组频率梳作为新的目标频率梳，m≥1。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述声光调制器带宽f_AOM与所述频率梳之间满足：

所述目标频率梳总频带宽度f_BW不大于所述声光调制器带宽f_AOM的两倍，所述目标频率梳起点频率与所述声光调制器带宽f_AOM的频率差值Δf不低于所述声光调制器带宽f_AOM与所述目标频率梳梳齿间隔Δf_C的和。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块包括瑞利散射轨迹矩阵生成单元和外界扰动定量计算单元；

瑞利散射轨迹矩阵生成单元用于将所述强度信息按照探测脉冲间隔进行周期剪裁并重排；再对重排后的强度信息滤波，得到每次探测的各频率信息；将所述频率信息依频率顺序排列，得到每次探测的瑞利散射轨迹矩阵；

外界扰动定量计算单元用于将某一时刻的瑞利散射轨迹矩阵作为参考谱，将该时刻一段时间内的瑞利散射轨迹矩阵作为测量谱，计算每个测量谱与所述参考谱的相关度，得到待测光纤每个位置对应的频移量大小，用所述频移量大小表征外界扰动大小。

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