CN116399473A - 基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼温度传感装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感领域，公开了一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置和方法。装置包括混沌光源，脉冲光调制器根据编码脉冲序列将所述混沌光源发出的连续混沌激光分别调制成多个不同的多脉冲序列光信号，多脉冲序列光信号经光放大器放大后被分光器分成两束，其中一束作为参考光被第一光电探测器探测，另一束作为探测光经波分复用器后进入传感光纤，产生的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号经波分复用器后被第二光电探测器探测；计算机用于根据多个不同的多脉冲序列光信号下，第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。本发明可以提高系统的信噪比、温度精度和传感距离。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置和方法。
背景技术
分布式光纤拉曼传感系统可以连续测量传感光纤沿线的分布式温度特征信息。在分布式光纤拉曼传感系统中，传感光纤沿线的环境温度可以对光纤中的拉曼散射光进行强度调制，系统通过采集这些携带着温度信息的拉曼散射光，可以得到传感光纤沿线的分布式温度信息。分布式光纤拉曼传感系统具有环境适应能力强、抗电磁干扰、检测范围大、温度精度高等优点，因此被广泛应用于煤矿、油气管道、桥梁、建筑等温度安全监测领域。
在分布式光纤拉曼传感系统中，空间分辨率是一项极其重要的技术指标，反映能够分辨光纤温度变化的最小长度。该系统所用探测信号为脉冲信号，定位原理为脉冲时间飞行法，这种方法采集得到的拉曼后向反斯托克斯散射信号并非传感光纤L位置点的光强信息，而是大小为半个脉冲宽度的一段传感光纤上的光强信息叠加，这使得传统分布式拉曼传感系统空间分辨率受限于脉冲宽度。减小光源脉宽，可以优化系统的空间分辨率，但是会恶化系统的信噪比和传感距离，这就导致现有分布式光纤拉曼传感系统存在空间分辨率与空间分辨率无法兼顾的技术瓶颈。
基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率受限于OTDR原理，导致其传感距离和空间分辨率无法兼顾的技术瓶颈，同时提升其信噪比。
发明内容
为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率受限于OTDR原理，导致其传感距离和空间分辨率无法兼顾的技术瓶颈，同时提升其信噪比，本发明提出了一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置和方法，目的在于准确识别并解调出光纤沿线温度突变点信息，最终实现光纤沿线的毫米量级空间分辨率高信噪比测量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，包括：混沌光源，脉冲光调制器，光放大器，分光器，第一光电探测器，波分复用器，传感光纤，第二光电探测器，数据采集卡，计算机；
所述脉冲光调制器用于根据编码脉冲序列将所述混沌光源发出的连续混沌激光分别调制成多个不同的多脉冲序列光信号，多脉冲序列光信号经光放大器放大后被分光器分成两束，其中一束作为参考光被第一光电探测器探测，另一束作为探测光经波分复用器的a，b端口后进入传感光纤，在传感光纤中产生的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号经波分复用器的b，c端口后被第二光电探测器探测；第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号经数据采集卡采集后发送至计算机；所述编码脉冲序列为二进制码元数组，序列总长度为2n，每个编码脉冲序列中包含的脉冲数量为m；
所述计算机用于根据脉冲光调制器输出的
个不同的多脉冲序列光信号条件下，第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号进行计算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。
所述混沌光源包括半导体激光器，环形器，分束器，偏振控制器，光衰减器，所述半导体激光器发出的激光经环形器后被分束器分为两束，其中一束作为反馈光经偏振控制器，光衰减器，环形器后返回半导体激光器使其输出混沌光，另一束作为混沌光源的输出。
所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，还包括光隔离器，所述光隔离器设置在混沌光源的输出端口。
所述混沌光源的波长为1550nm，所述波分复用器的a端口波长为1550nm，b端口波长为1550nm/1450nm，c端口波长为1450nm。
所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，还包括脉冲信号发生器，所述脉冲信号发生器用于发出多个不同的编码脉冲序列驱动所述脉冲光调制器。
所述计算机定位和解调光纤沿线的温度突变点信息的具体方法为：
S101、对混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌重构拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S102、将混沌脉冲序列参考信号和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行短尺度时域相关压缩运算，得到短尺度时域相关压缩系数；
S103、然后将所有不同多脉冲编码序列信号下的短尺度时域相关压缩系数进行求和运算，得到求和后的短尺度时域相关压缩系数；
S104、根据求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数a0和a1，以及求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，计算温度突变位置L1，温度突变区域长度ΔL以及温变处的温度信息T；计算公式为：
ΔL＝(a1-a0)·c/(2n0·fs)；
其中，c表示光速，n0表示光纤中的折射率，fs表示采样率，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移，k为波尔兹曼常数，T0表示非温变区传感光纤温度，
表示温变位置L1处附加损耗信息，/>
为传感光纤L1处的衰减信息，Cpeak表示求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，P表示单组脉冲序列总功率，Ka表示与拉曼后向反斯托克斯散射截面有关的系数，λa是拉曼后向反斯托克斯散射信号的波长，A表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数。
温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数A的计算公式为：
其中，Pj表示第j个数据点的功率，w表示脉冲元宽度；Qi表示编码脉冲序列中第i个码元的值；Δm表示温度突变区域的长度在时间尺度内的表示；
温变位置L1处衰减信息和附加损耗信息的计算公式为：
其中，Ras(T0)表示拉曼后向反斯托克斯散射光的温度调制函数，P0表示单个脉冲的功率。
所述S101中，重构的计算公式为：
其中，Fas(L，j)为位置L处的第j个采样点的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号；
和Ias(L)表示位置/>
和位置L处的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号；
所述S102中，短尺度时域相关压缩系数的计算公式为：
其中，C(a)表示短尺度时域相关压缩系数，M表示重构后的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号总采样点个数，Fas(j)表示第j个采样点的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，Iref(i，j+a)表示脉冲序列中第i个码元对应的脉冲延时a个采样点的混沌脉冲参考信号。
优选地，m＝n。
此外，本发明还提供了基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感方法，采用的装置包括连续混沌激光器、脉冲光调制器、分光器、波分复用器，传感光纤、第一光电探测器和第二光电探测器，连续混沌激光器输出的连续混沌激光被脉冲光调制器调制成多脉冲编码序列信号，并经分光器将其分为两束，一束作为参考光通过第一光电探测器探测，另一束作为探测光使其通过波分复用器进入传感光纤，并通过第二光电探测器探测在传感光纤中产生的并从波分复用器输出的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，所述传感方法包括以下步骤：
S1、使连续混沌激光被调制成多脉冲编码序列信号，通过第一光电探测器探测参考光，通过第二光电探测器探测在混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S2、对混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌重构拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S3、将混沌脉冲序列参考信号和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行短尺度时域相关压缩计算，得到短尺度时域相关压缩系数；
S4、保持多脉冲编码序列的长度2n和脉冲数m不变，改变脉冲编码序列，重复步骤S1～S3，直至遍历所有的多脉冲编码序列，对得到的所有短尺度时域相关压缩系数进行累加求和运算；
S5、根据求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数a0和a1，以及求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，计算温度突变位置L1，温度突变区域长度ΔL以及温变处的温度信息T；计算公式为：
ΔL＝(a1-a0)·c/(2n0·fs)；
其中，c表示光速，n0表示光纤中的折射率，fs表示采样率，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移，k为波尔兹曼常数，T0表示非温变区传感光纤温度，
表示温变位置L1处附加损耗信息，/>
为传感光纤L1处的衰减信息，Cpeak表示求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，P表示单组脉冲序列总功率，Ka表示与拉曼后向反斯托克斯散射截面有关的系数，λa是拉曼后向反斯托克斯散射信号的波长，A表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于混沌脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置和方法，将多组脉冲编码序列混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行时域差分重构，在光纤沿线温度突变区域得到与混沌探测信号时序特征一致的混沌拉曼后向反斯托克斯信号，随后将重构的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号与混沌探测信号进行短尺度时域相关压缩处理，最后对多组脉冲序列下的相关压缩信号进行累加求和处理，根据相关峰值定位和解调光纤沿线的温度突变点信息；本发明利用时域差分重构方法、短尺度时域相关压缩方法消除了脉冲宽度对空间分辨率的限制，使得系统可以达到毫米量级的空间分辨率；此外，利用多脉冲注入光纤可以提高入纤功率，加强了混沌序列与重构信号相关性，实现混沌相关峰峰值倍增，避免了信号串扰，提高了系统的信噪比，提升了温度精度与传感距离。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一的另一种结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感方法采用的装置结构示意图；
图中：1-半导体激光器，2-环形器，3-分束器，4-偏振控制器，5-光衰减器，6-光隔离器，7-脉冲信号发生器，8-脉冲光调制器，9-光放大器，10-分光器，11-第一光电探测器，12-波分复用器，13-传感光纤，14-第二光电探测器，15-数据采集卡，16-计算机，18-混沌光源。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，包括：混沌光源18，脉冲光调制器8，光放大器9，分光器10，第一光电探测器11，波分复用器12，传感光纤13，第二光电探测器14，数据采集卡15，计算机16。所述脉冲光调制器8用于根据编码脉冲序列将所述混沌光源18发出的连续混沌激光分别调制成多个不同的多脉冲序列光信号，多脉冲序列光信号经光放大器9放大后被分光器10分成两束，其中一束作为参考光被第一光电探测器11探测，另一束作为探测光经波分复用器12的a，b端口后进入传感光纤13，在传感光纤13中产生的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号经波分复用器12的b，c端口后被第二光电探测器14探测；第一光电探测器11和第二光电探测器14的输出信号经数据采集卡15采集后发送至计算机16；所述编码脉冲序列为二进制码元数组，序列总长度为2n，每个编码脉冲序列中包含的脉冲数量为m；标记为编码序列
共有/>
组编码脉冲序列。
所述计算机16用于根据脉冲光调制器8输出的
个不同的多脉冲序列光信号条件下，第一光电探测器11和第二光电探测器14的输出信号进行计算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。具体地，计算机16用于对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌拉曼后向散射信号，并通过将多组混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼后向散射信号进行时域相关压缩运算和累加运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。
具体地，本实施例中，如图2所示，所述混沌光源包括半导体激光器1，环形器2，分束器3，偏振控制器4，光衰减器5，所述半导体激光器1发出的激光经环形器2后被分束器3分为两束，其中一束作为反馈光经偏振控制器4，光衰减器5，环形器2后返回半导体激光器1使其输出混沌光，则混沌光经环形器2、耦合器3、光隔离器6后入射到脉冲光调制器8，经脉冲光调制器8之后，连续混沌光变成多脉冲编码序列信号，并由光放大器9放大。
进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，还包括光隔离器6，所述光隔离器6设置在混沌光源的输出端口，用于隔离后续光路中的散射光对光源的扰动。光放大器9具体可以为脉冲掺铒光纤放大器，用于对编码调制后的脉冲光进行放大。
具体地，本实施例中，分光器10和分束器3均可以为光纤耦合器，分光器10的分光比为1:99，其中1为参考光，99为探测光，分束器3的分光比可以为50:50。
具体地，本实施例中，所述混沌光源18的波长为1550nm，所述波分复用器的a端口波长为1550nm，b端口波长为1550nm/1450nm，c端口波长为1450nm。则光放大器9放大后的多脉冲序列激光经过分光器后分为参考光和探测光。参考路的混沌脉冲序列激光经被第一光电探测器11探测，探测路的混沌脉冲激光经波分复用器12后进入传感光纤13，在传感光纤中产生背向混沌拉曼散射光从波分复用器12的1450nm端口发出并被第二光电探测器14探测。第一光电探测器11和第二光电探测器14将探测到的光信号转化电信号并被数字采集卡15采集和计算机16处理。
具体地，本实施例的一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，还包括脉冲信号发生器7，所述脉冲信号发生器7用于发出多个不同的编码脉冲序列驱动所述脉冲光调制器8。
下面介绍本发明的测量原理。
一、混沌脉冲参考信号、混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号光强处理
(1)混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号的采集与处理。
在温度解调中，设激光脉冲元宽度为W，传感光纤L位置处的后向拉曼后向反斯托克斯散射信号(anti-Stokes)强度为：
式中P0为脉冲激光的入射功率，即多脉冲序列光信号中单个脉冲的功率，Ka表示与拉曼后向反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λa是拉曼后向反斯托克斯散射信号的波长，α0、αas分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，L为传感光纤的位置，Ras(T)是反斯托克斯散射光的温度调制函数：
其中，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T为传感光纤温度。
实际上，在分布式光纤拉曼传感系统中，由于光时域反射原理和时间飞行法定位原理，采集系统采集到传感光纤某一位置的拉曼后向反斯托克斯信号并不是传感光纤该点受温度调制的光强信息，而是脉宽尺度内传感光纤沿线所激发的拉曼散射光强信息累加。基于宽频混沌激光的分布式光纤拉曼传感系统，宽频混沌激光具有随机振幅特性。因此，将脉冲元宽度为W，脉冲元个数为2n，编码周期为2nW的混沌脉冲编码信号注入传感光纤后，高速数据采集卡采集到传感光纤L位置处的与第i个码元相关的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号强度可以表示为：
其中，Pj为混沌脉冲元激光的第j个数据点的功率，fs为采样率，W·fs为混沌脉冲信号在fs采样率下的单位脉冲数据点个数，Wi表示i个数据点对应的脉冲宽度，Wj＝j/fs，
为位置L-Wj·c/2n0处的反斯托克斯散射光的温度调制函数值，表征了单位长度受温度调制的反斯托克斯光子后向散射因子，c为光在传感光纤中的传播速度，n0为传感光纤的折射率。Qi表示多脉冲序列光信号中第i个码元的值，当码元为“1”时，Qi＝1，否则Qi＝0。
(2)混沌脉冲参考信号的采集与处理。
由采集卡15收集得到的与第i个码元相关的第j个数据点的参考信号为：
Iref(i,j)＝Qi·Pj；其中，1≤i≤2n,1≤j≤W·fs； (4)
(3)基于时域差分信号重构方法重新构建混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号。
采集得到的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，其每个采样点均为整个混沌脉冲序列的光强信息叠加且受传感光纤温度突变区域调制的混沌信号不断发生变化。基于此，将后向反斯托克斯散射信号进行重构，得到重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，时域差分重构方法表达式为：
其中，Fas(L，j)为位置L处的第j个采样点的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号。
设温变区温度为T1，非温变区的温度为T0，位置为L1，ΔL为温度突变区域的长度(空间尺度)，其长度大小在时间尺度内表示为Δm，其中
经时域差分重构处理后，得到非温度突变区域重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号为0，温度突变点位置的重构拉曼后向反斯托克斯散射信号Fas(L1,k)表示为：
其中，k表示温度突变点位置对应的数据点，
表示传感光纤L1处附加损耗信息，/>
为传感光纤L1处的衰减信息，/>
可以由公式(7)表示：
其中，P0表示单个脉冲对应的功率，
可以通过光功率计探测得到。
通过公式(3)可以看出，采集到的每个信号点实际为脉冲元尺度长度的光纤叠加，本发明实施例中，通过公式(5)时域的差分操作，将公式(3)所示的反斯托克斯信号进行差分处理，时域差分之后的反斯托克斯信号如公式(6)所示，对比公式(3)和(6)可看出，经过时域差分处理后的反斯托克斯信号不再是信号累加，这样就消除了脉冲宽度限制的空间分辨率问题，提升了空间分辨率，然后再做相关根据相关峰确定出温变区的位置和温度，因此，本发明的空间分辨率取决于相关峰的半高全宽。而混沌相关峰的半高全宽取决于混沌信号的带宽，混沌信号的宽带特性决定了本发明的空间分辨率可以达到毫米量级。
二、利用短尺度时域相关压缩方法进行定位。
对混沌脉冲序列参考信号Iref和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号Fas进行短尺度时域相关压缩运算得到短尺度时域相关压缩系数C(a)，然后将
个不同的多脉冲序列光信号对应的短尺度时域相关压缩系数进行求和，根据求和后的短尺度时域相关压缩系数确定相关峰的位置和峰值；具体计算公式如下：
其中M表示重构后的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号总采样点个数，Fas(j)表示第j个采样点的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，Iref(i，j+a)表示脉冲序列中第i个码元对应的脉冲延时a个采样点的混沌脉冲参考信号。
当参考信号延时a0个采样点到温度突变区域起始端点位置时，相关系数呈现正峰值，因此可以确定温度突变区域位置为：
当参考信号延时a1个采样点到温度突变区域结束端点位置时，相关系数呈现负峰值，根据两峰值延时差值即可确定温度突变区域长度，即温度突变区域长度的计算公式为：
三、利用短尺度时域相关压缩正峰值解调温度。
将参考信号Iref与温度突变位置L1的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行相关短尺度时域压缩，相关正峰值表达式为：
Cpeak＝∑∑IrefFas(L1)； (11)
为了分析温度突变区域长度对相关峰值的影响，引入与温度突变区域的空间尺度长度大小在时间尺度内表示Δm相关的参考信号自相关函数A(Δm)，其表达式为：
则温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数A可以表示为：
即：
其中，
表示从2n个元素中取m个元素的组合，其表征了编码脉冲序列的数量，表达式为：
结合公式(4)(6)，对公式(11)进行展开，并结合式(13)，以及结合温度调制函数值公式
可以提取温度突变区域温度信息，其解调方程如公式(16)所示。
其中，c表示光速，n0表示光纤中的折射率，fs表示采样率，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移，k为波尔兹曼常数，T0表示非温变区传感光纤温度，
表示温变位置L1处附加损耗信息，/>
为传感光纤L1处的衰减信息，Cpeak表示求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，P表示单个脉冲序列总功率，P＝∑P0；∑P表示/>
个不同的脉冲序列总功率之和，Ka表示与拉曼后向反斯托克斯散射截面有关的系数，λa是拉曼后向反斯托克斯散射信号的波长，A表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数。
具体地，本实施例中，所述计算机16定位和解调光纤沿线的温度突变点信息的具体方法为：
S101、通过公式(5)对混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌重构拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S102、通过公式(8)将混沌脉冲序列参考信号和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行短尺度时域相关压缩运算，得到短尺度时域相关压缩系数；
S103、然后将所有不同多脉冲编码序列信号下的短尺度时域相关压缩系数进行求和运算，得到求和后的短尺度时域相关压缩系数；
S104、根据求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数a0和a1，以及求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值Cpeak，计算温度突变位置L1，温度突变区域长度ΔL以及温变处的温度信息T；计算公式为公式(9)、(10)和公式(16)。
具体地，本实施例中，m＝n，即设置的编码脉冲序列的宽度为2n，每个编码脉冲序列中包括n个序列，n的值可以为3～10，本发明实施例通过多脉冲编码，加强了混沌序列与重构信号相关性，实现混沌相关峰峰值倍增，并且避免了信号串扰，提高了系统的信噪比，提升了温度精度与传感距离。
实施例二
本发明实施例二提供了一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感方法，如图3所示，采用的装置包括连续混沌激光器15、脉冲光调制器8、分光器10、波分复用器12，传感光纤13、第一光电探测器11和第二光电探测器14，连续混沌激光器15输出的连续混沌激光被脉冲光调制器8调制成多脉冲编码序列信号，并经分光器10将其分为两束，一束作为参考光通过第一光电探测器11探测，另一束作为探测光使其通过波分复用器12进入传感光纤13，并通过第二光电探测器14探测在传感光纤13中产生的并从波分复用器12输出的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，所述传感方法包括以下步骤：
S1、使连续混沌激光被调制成多脉冲编码序列信号，通过第一光电探测器11探测参考光Iref，通过第二光电探测器14探测混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号Ias；
S2、通过公式(5)对混沌拉曼反斯托克散射斯信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌重构拉曼反斯托克散射信号Fas；
S3、根据公式(8)对混沌脉冲序列参考信号Iref和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号Fas进行短尺度时域相关压缩运算，得到短尺度时域相关压缩系数；
S4、保持多脉冲编码序列的长度和脉冲数不变，改变脉冲编码序列，重复步骤S1～S3，直至遍历所有的多脉冲编码序列，对得到的所有短尺度时域相关压缩系数进行累加求和运算；其中，对于多脉冲编码序列信号的长度为2n，其中的脉冲数量为m的情况，重复的次数为
S5、根据求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数a0和a1，以及求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，计算温度突变位置L1，温度突变区域长度ΔL以及温变处的温度信息T；计算公式为公式(9)、(10)和公式(16)。
进一步地，本实施例采用的装置也可以包括脉冲信号发生器7，所述脉冲信号发生器7用于发出多个不同的编码脉冲序列驱动所述脉冲光调制器8。此外，还可以包括设置在混沌光源出光口的光隔离器，以及设置在脉冲光调制器8出光口上的光放大器。
综上所述，本申请提供了一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置和方法，通过多组不同的编码脉冲序列对脉冲光进行调制，将多组脉冲编码序列混沌拉曼后向散射信号进行时域差分重构，在光纤沿线温度突变区域得到与混沌探测信号时序特征一致的混沌拉曼反斯托克斯信号，随后将重构的混沌拉曼后向散射信号与混沌探测信号进行短尺度时域相关压缩处理，最后对多组脉冲序列下的相关压缩信号进行累加求和处理，根据相关峰值定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。时域差分重构方法、短尺度时域相关压缩方法消除了脉冲宽度对空间分辨率的限制，使得系统可以达到毫米量级的空间分辨率；脉冲编码提高入纤功率，加强了混沌序列与重构信号相关性，实现混沌相关峰峰值倍增，避免了信号串扰，提高了系统的信噪比，提升了温度精度与传感距离
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，包括：混沌光源(18)，脉冲光调制器(8)，光放大器(9)，分光器(10)，第一光电探测器(11)，波分复用器(12)，传感光纤(13)，第二光电探测器(14)，数据采集卡(15)，计算机(16)；
所述脉冲光调制器(8)用于根据编码脉冲序列将所述混沌光源(18)发出的连续混沌激光分别调制成多个不同的多脉冲序列光信号，多脉冲序列光信号经光放大器(9)放大后被分光器(10)分成两束，其中一束作为参考光被第一光电探测器(11)探测，另一束作为探测光经波分复用器(12)的a，b端口后进入传感光纤(13)，在传感光纤(13)中产生的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号经波分复用器(12)的b，c端口后被第二光电探测器(14)探测；第一光电探测器(11)和第二光电探测器(14)的输出信号经数据采集卡(15)采集后发送至计算机(16)；所述编码脉冲序列为二进制码元数组，序列总长度为2n，每个编码脉冲序列中包含的脉冲数量为m；
所述计算机(16)用于根据脉冲光调制器(8)输出的
个不同的多脉冲序列光信号条件下，第一光电探测器(11)和第二光电探测器(14)的输出信号进行计算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。
2.根据权利要求1所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，所述混沌光源(18)包括半导体激光器(1)，环形器(2)，分束器(3)，偏振控制器(4)，光衰减器(5)，所述半导体激光器(1)发出的激光经环形器(2)后被分束器(3)分为两束，其中一束作为反馈光经偏振控制器(4)，光衰减器(5)，环形器(2)后返回半导体激光器(1)使其输出混沌光，另一束作为混沌光源的输出。
3.根据权利要求1所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，还包括光隔离器(6)，所述光隔离器(6)设置在混沌光源的输出端口。
4.根据权利要求1所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，所述混沌光源的波长为1550nm，所述波分复用器的a端口波长为1550nm，b端口波长为1550nm/1450nm，c端口波长为1450nm。
5.根据权利要求1所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，还包括脉冲信号发生器(7)，所述脉冲信号发生器(7)用于发出多个不同的编码脉冲序列驱动所述脉冲光调制器(8)。
6.根据权利要求1所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，所述计算机(16)定位和解调光纤沿线的温度突变点信息的具体方法为：
S101、对混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌重构拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S102、将混沌脉冲序列参考信号和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行短尺度时域相关压缩运算，得到短尺度时域相关压缩系数；
S103、然后将所有不同多脉冲编码序列信号下的短尺度时域相关压缩系数进行求和运算，得到求和后的短尺度时域相关压缩系数；
S104、根据求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数a0和a1，以及求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，计算温度突变位置L1，温度突变区域长度ΔL以及温变处的温度信息T；计算公式为：
ΔL＝(a1-a0)·c/(2n0·fs)；
其中，c表示光速，n0表示光纤中的折射率，fs表示采样率，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移，k为波尔兹曼常数，T0表示非温变区传感光纤温度，
表示温变位置L1处附加损耗信息，/>
为传感光纤L1处的衰减信息，Cpeak表示求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，P表示单组脉冲序列总功率，Ka表示与拉曼后向反斯托克斯散射截面有关的系数，λa是拉曼后向反斯托克斯散射信号的波长，A表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数。
7.根据权利要求6所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数A的计算公式为：
其中，Pj表示第j个数据点的功率，W表示脉冲元宽度；Qi表示编码脉冲序列中第i个码元的值；Δm表示温度突变区域的长度在时间尺度内的表示；
温变位置L1处衰减信息和附加损耗信息的计算公式为：
其中，Ras(T0)表示拉曼后向反斯托克斯散射光的温度调制函数，P0表示单个脉冲的功率。
8.根据权利要求6所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，所述S101中，时域差分信号重构的计算公式为：
其中，Fas(L，j)为位置L处的第j个采样点的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号；
和Ias(L)表示位置/>
和位置L处的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号；
所述S102中，短尺度时域相关压缩系数的计算公式为：
其中，C(a)表示短尺度时域相关压缩系数，M表示重构后的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号总采样点个数，Fas(j)表示第j个采样点的重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，Iref(i，j+a)表示脉冲序列中第i个码元对应的脉冲延时a个采样点的混沌脉冲参考信号。
9.根据权利要求1所述的基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，m＝n。
10.基于混沌多脉冲编码的分布式光纤拉曼传感方法，其特征在于，采用的装置包括连续混沌激光器(15)、脉冲光调制器(8)、分光器(10)、波分复用器(12)，传感光纤(13)、第一光电探测器(11)和第二光电探测器(14)，连续混沌激光器15输出的连续混沌激光被脉冲光调制器8调制成多脉冲编码序列信号，并经分光器10将其分为两束，一束作为参考光通过第一光电探测器(11)探测，另一束作为探测光使其通过波分复用器(12)进入传感光纤(13)，并通过第二光电探测器(14)探测在传感光纤(13)中产生的并从波分复用器(12)输出的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，所述传感方法包括以下步骤：
S1、使连续混沌激光被调制成多脉冲编码序列信号，通过第一光电探测器(11)探测参考光，通过第二光电探测器(14)探测在混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S2、对混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌重构拉曼后向反斯托克斯散射信号；
S3、将混沌脉冲序列参考信号和重构混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号进行短尺度时域相关压缩计算，得到短尺度时域相关压缩系数；
S4、保持多脉冲编码序列的长度2n和脉冲数m不变，改变脉冲编码序列，重复步骤S1～S3，直至遍历所有的多脉冲编码序列，对得到的所有短尺度时域相关压缩系数进行累加求和运算；
S5、根据求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数a0和a1，以及求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，计算温度突变位置L1，温度突变区域长度ΔL以及温变处的温度信息T；计算公式为：
ΔL＝(a1-a0)·c/(2n0·fs)；
其中，c表示光速，n0表示光纤中的折射率，fs表示采样率，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移，k为波尔兹曼常数，T0表示非温变区传感光纤温度，
表示温变位置L1处附加损耗信息，/>
为传感光纤L1处的衰减信息，Cpeak表示求和后的短尺度时域相关压缩系数的正峰值，P表示单组脉冲序列总功率，Ka表示与拉曼后向反斯托克斯散射截面有关的系数，λa是拉曼后向反斯托克斯散射信号的波长，A表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数。
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