基于移频环路的分布式光纤振动传感方法及系统

1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及基于移频环路的分布式光纤振动传感方法及系统。

背景技术：

2.分布式光纤传感技术在多个领域有着巨大的应用潜力，如结构健康监测、温度监测、油气勘探等，分布式光纤传感技术具有连续分布式检测、检测距离长、定位精确、测量信息丰富、本质安全、低成本等优势，在电力、石油、桥梁、隧道、边坡等领域得到了广泛应用。
3.现有基于双脉冲探测的分布式光纤振动传感系统主要为两路直接调制的方式产生不同频率的双脉冲，当分布式光纤振动传感系统的两路脉冲直接调制后，两路探测脉冲的光波频率与光频差也就确定，传感信号产生过程中无法及时调整光波频率与光频差，使得分布式光纤振动传感系统的灵活性较差。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：传统的基于双脉冲探测的分布式光纤振动传感系统中，由于探测脉冲的光波频率与光频差确定，传感信号产生过程中无法及时调整光波频率与光频差，使得分布式光纤振动传感系统的灵活性较差；本发明目的在于提供基于移频环路的分布式光纤振动传感方法及系统，使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔t，通过移频环路灵活控制光脉冲的光波频率与光频差，同时提升探测脉冲频率的多样性，降低非线性效应的影响；解决了上述技术问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.本方案提供基于移频环路的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，包括步骤：
7.将激光器发出的连续光调制为光脉冲；
8.使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔 t；
9.以两路时间间隔为t的光脉冲形成一个光脉冲对；
10.将光脉冲对注入传感光纤并在传感光纤内产生传感信号。
11.本方案工作原理：传统的基于双脉冲探测的分布式光纤振动传感系统中，由于探测脉冲的光波频率与光频差确定，传感信号产生过程中无法及时调整光波频率与光频差，使得分布式光纤振动传感系统的灵活性较差；本发明目的在于提供基于移频环路的分布式光纤振动传感方法及系统，使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔t，通过移频环路灵活控制光脉冲的光波频率与光频差，同时提升探测脉冲频率的多样性，降低非线性效应的影响；解决了两路探测脉冲的光波频率与光频差不可调控的技术问题。
12.进一步优化方案为，光脉冲在两路移频环路中具有不同的单次移频频率。
13.本方案还提供基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，用于实现上述方案所述
的方法，包括：激光器、脉冲调制器、分路器、移频环路、第一耦合器和传感光纤；
14.所述激光器用于发出的连续光；
15.所述脉冲调制器用于将连续光调制为脉宽为τ1，频率为f0的光脉冲；
16.所述分路器用于将光脉冲分成两路分别输入两路移频环路；
17.所述移频环路用于对光脉冲进行n次移频得到两路时间间隔为t的光脉冲；
18.所述第一耦合器用于将两路时间间隔为t的光脉冲形成一个光脉冲对；
19.所述传感光纤用于注入光脉冲对，光脉冲对在传感光纤内产生传感信号。
20.进一步优化方案为，所述移频环路包括：移频器、耦合器和edfa；所述移频器、耦合器和edfa构成一条环路；
21.光脉冲经过耦合器进入环路，由移频器进行移频后经edfa放大后返回耦合器。
22.所述edfa为光纤放大器，用于放大从移频器出来的光脉冲。
23.进一步优化方案为，还包括光开关、延迟光纤、环形器和探测解调；
24.每路移频环路与第一耦合器之间装设一个光开关；
25.延迟光纤装设在第一耦合器与任意一路移频环路之间；
26.所述光脉冲对经过环形器注入传感光纤，光脉冲对在传感光纤内产生的传感信号通过环形器返回至探测解调模块，探测解调模块根据光脉冲解调出振动信息。
27.进一步优化方案为，两路移频环路中的移频器具有不同的单次移频频率。
28.进一步优化方案为，时间间隔t的量纲在纳秒量级。
29.进一步优化方案为，通过改变延迟光纤的长度，改变两路光脉冲的时间间隔t；
30.通过改变光开关的打开时间，改变两路光脉冲的时间间隔t。
31.进一步优化方案为，还包括信号发生器，多路信号发生器分别并行控制脉冲调制器的脉冲宽度、移频器的移频次数和光开关的状态。
32.进一步优化方案为，移频环路对光脉冲完成n次移频前，光开关呈打开状态的状态。通过对光开关的控制，实现单脉冲多次移频，获得大的移频频率，降低对移频器件的性能要求。
33.若要产生多个移频次数不同的脉冲对，在控制移频器的脉冲τ2持续时间内，仅有一个初始光脉冲(频率为f0)进入移频环路，且光开关处于打开状态；
34.若要产生一对频率差较大的探测脉冲，在控制移频器的脉冲τ2持续时间内，仅有一个初始光脉冲(频率为f0)进入移频环路，且光开关在移频完成后打开。
35.当多个移频次数不同的脉冲对注入传感光纤产生的传感信号经解调模块探测后在电域进行分频信号处理；当一对频率差较大的探测脉冲注入传感光纤产生的传感信号可用光滤波器进行分频信号处理。
36.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
37.本发明提供的基于移频环路的分布式光纤振动传感方法，使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔t，通过移频环路灵活控制光脉冲的光波频率与光频差，同时提升探测脉冲频率的多样性，降低非线性效应的影响；基于移频环路的分布式光纤振动传感系统中，利用两路移频环路形成多对移频次数不同的探测脉冲，即光脉冲频率不同的探测脉冲，注入传感光纤可抑制干涉衰落，同时提高系统采样率，提升系统性能，降低系统噪声。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
39.图1为基于移频环路的分布式光纤振动传感方法流程示意图；
40.图2为基于移频环路的分布式光纤振动传感系统结构示意图；
41.图3为实施例3移频环路产生的多个脉冲对示意图；
42.图4为实施例4移频环路产生的一个脉冲对示意图。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
44.现有基于双脉冲探测的分布式光纤振动传感系统主要为两路直接调制的方式产生不同频率的双脉冲，当分布式光纤振动传感系统的两路脉冲直接调制后，两路探测脉冲的光波频率与光频差也就确定，传感信号产生过程中无法及时调整光波频率与光频差，使得分布式光纤振动传感系统的灵活性较差。
45.鉴于此，提供以下实施例解决上述技术问题：
46.实施例1
47.本实施例提供基于移频环路的分布式光纤振动传感方法，如图1所示，包括步骤：
48.将激光器发出的连续光调制为光脉冲；
49.使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔 t；第n次移频产生脉冲对频率分别为f0+nf1，f0+nf2；
50.以两路时间间隔为t的光脉冲形成一个光脉冲对；
51.将光脉冲对注入传感光纤并在传感光纤内产生传感信号。
52.光脉冲在两路移频环路中具有不同的单次移频频率。
53.通过移频环路可灵活控制双脉冲的光波频率与光频差，同时可提升探测脉冲频率的多样性，降低非线性效应的影响。
54.实施例2
55.本实施例提供基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，用于实现上一实施例所述的方法，如图2所示，包括：激光器、脉冲调制器、分路器、移频环路、第一耦合器和传感光纤；
56.所述激光器用于发出的连续光；
57.所述脉冲调制器用于将连续光调制为脉宽为τ1，频率为f0的光脉冲；
58.所述分路器用于将光脉冲分成两路分别输入两路移频环路；
59.所述移频环路用于对光脉冲进行n次移频得到两路时间间隔为t的光脉冲；第n次移频产生脉冲对频率分别为f0+nf1，f0+nf2；
60.所述第一耦合器用于将两路时间间隔为t的光脉冲形成一个光脉冲对；
61.所述传感光纤用于注入光脉冲对，光脉冲对在传感光纤内产生传感信号。
62.所述移频环路包括：移频器、耦合器和edfa；所述移频器、耦合器和edfa构成一条环路；
63.光脉冲经过耦合器进入环路，由移频器进行移频后经edfa放大后返回耦合器。
64.还包括光开关、延迟光纤、环形器和探测解调；
65.每路移频环路与第一耦合器之间装设一个光开关；
66.延迟光纤装设在第一耦合器与任意一路移频环路之间；
67.通过移频环路可灵活控制双脉冲的光波频率与光频差，同时可提升探测脉冲频率的多样性，降低非线性效应的影响；通过对光开关的控制，实现单脉冲多次移频，获得大的移频频率，降低对移频器件的性能要求。
68.所述光脉冲对经过环形器注入传感光纤，光脉冲对在传感光纤内产生的传感信号通过环形器返回至探测解调模块，探测解调模块根据光脉冲解调出振动信息。
69.两路移频环路中的移频器具有不同的单次移频频率。图中移频器1单次移频频率为f1，移频器2单次移频频率为f2。
70.时间间隔t的量纲在纳秒量级。
71.通过改变延迟光纤的长度，改变两路光脉冲的时间间隔t；
72.通过改变光开关的打开时间，改变两路光脉冲的时间间隔t。通过在控制移频环路后的延迟光纤长度控制两路脉冲的时间间隔或通过同步控制电路控制光开关打开时间控制两路脉冲的时间间隔。
73.还包括信号发生器，多路信号发生器分别并行控制脉冲调制器的脉冲宽度、移频器的移频次数和光开关的状态。
74.移频环路对光脉冲完成n次移频前，光开关呈打开状态的状态。
75.实施例3
76.基于上一实施例，本实施例基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，要产生多个移频次数不同的脉冲对，在控制移频器的脉冲τ2持续时间内，仅有一个初始光脉冲(频率为f0) 进入移频环路，且光开关处于打开状态；
77.具体执行以下步骤：
78.s1、激光器发出的连续光被调制为光脉冲(脉宽为τ1，频率为f0)；
79.s2、光脉冲经分路器进入两路移频光路进行移频，一路移频器单次移频频率为f1，一路移频器单次移频频率为f2，光开关处于打开状态。移频产生的多个光脉冲对如图3所示，第1 次移频产生脉冲对频率分别为f0+f1，f0+f2；第2次移频产生脉冲对频率分别为f0+2f1， f0+2f2……
第n次移频产生脉冲对频率分别为f0+nf1，f0+nf2。
80.s3、两路移频后的光脉冲经耦合器、环形器以一定时间间隔的光脉冲对注入传感光纤，第n次移频产生脉冲对频率分别为f0+nf1，f0+nf2，光脉冲对在传感光纤内产生传感信号；
81.s4、传感信号返回至探测解调模块，经探测解调模块解调出外界振动信息。
82.实施例4
83.基于实施例2，本实施例基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，要产生一对频率差较大的探测脉冲，在控制移频器的脉冲τ2持续时间内，仅有一个初始光脉冲(频率为f0)
进入移频环路，且光开关在移频完成后打开。
84.具体执行以下步骤：
85.s1、激光器发出的连续光被调制为光脉冲(脉宽为τ1，频率为f0)；
86.s2、光脉冲经分路器进入两路移频光路进行移频，一路移频器单次移频频率为f1，一路移频器单次移频频率为f2；
87.s3、光开关先处于关闭状态，经n次移频后，光开关打开，产生一对频率分别为f0+nf1、f0+nf2的脉冲对注入传感光纤，如图4所示，并在传感光纤内产生传感信号；
88.s4、传感信号返回至探测解调模块，经探测解调模块解调出外界振动信息。
89.以上实施例中激光器发出的光被调制为光脉冲后分为两路进入移频环路进行移频，移频后的两路光脉冲一前一后形成脉冲对经环形器注入传感光纤，产生传感信号进入返回至分布式光纤振动传感系统，并解调出振动信号。当移频环路的光开关处于常开状态，移频环路形成的多个移频次数不同的脉冲对注入传感光纤。当移频环路的光开关受控于信号发生器时，两个移频环路可形成一对频率差较大的探测脉冲(移频过程中，光开关处于关闭状态，移频完成后打开光开关输出)注入传感光纤。多个移频次数不同的脉冲对注入传感光纤可抑制干涉衰落，同时提高系统采样率，提升系统性能。
90.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
91.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.基于移频环路的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，包括步骤：将激光器发出的连续光调制为光脉冲；使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔t；以两路时间间隔为t的光脉冲形成一个光脉冲对；将光脉冲对注入传感光纤并在传感光纤内产生传感信号。2.根据权利要求1所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，光脉冲在两路移频环路中具有不同的单次移频频率。3.基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，用于实现权利要求1或2所述的方法，包括：激光器、脉冲调制器、分路器、移频环路、第一耦合器和传感光纤；所述激光器用于发出的连续光；所述脉冲调制器用于将连续光调制为脉宽为τ1，频率为f0的光脉冲；所述分路器用于将光脉冲分成两路分别输入两路移频环路；所述移频环路用于对光脉冲进行n次移频得到两路时间间隔为t的光脉冲；所述第一耦合器用于将两路时间间隔为t的光脉冲形成一个光脉冲对；所述传感光纤用于注入光脉冲对，光脉冲对在传感光纤内产生传感信号。4.根据权利要求3所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述移频环路包括：移频器、耦合器和edfa；所述移频器、耦合器和edfa构成一条环路；光脉冲经过耦合器进入环路，由移频器进行移频后经edfa放大后返回耦合器。5.根据权利要求3所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，还包括光开关、延迟光纤、环形器和探测解调；每路移频环路与第一耦合器之间装设一个光开关；延迟光纤装设在第一耦合器与任意一路移频环路之间；所述光脉冲对经过环形器注入传感光纤，光脉冲对在传感光纤内产生的传感信号通过环形器返回至探测解调模块，探测解调模块根据光脉冲解调出振动信息。6.根据权利要求3所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，在控制移频器的脉冲τ2持续时间内，令一个频率为f0的初始光脉冲进入移频环路，且光开关处于打开状态，以产生多个移频次数不同的光脉冲对，在控制移频器的脉冲τ2持续时间内，令一个频率为f0的初始光脉冲进入移频环路，且光开关在移频完成后打开，以产生一个频率差较大的光脉冲对。7.根据权利要求3所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，时间间隔t的量纲在纳秒量级。8.根据权利要求5所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，通过改变延迟光纤的长度，改变两路光脉冲的时间间隔t；通过改变光开关的打开时间，改变两路光脉冲的时间间隔t。9.根据权利要求5所述的基于移频环路的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，还包括信号发生器，多路信号发生器分别并行控制脉冲调制器的脉冲宽度、移频器的移频次数和光开关的状态。

技术总结

本发明公开基于移频环路的分布式光纤振动传感方法及系统，涉及光纤传感技术领域，使光脉冲分别进入两路移频环路进行n次移频，并使两路移频后的光脉冲产生时间间隔t，通过移频环路灵活控制光脉冲的光波频率与光频差，同时提升探测脉冲频率的多样性，降低非线性效应的影响；基于移频环路的分布式光纤振动传感系统中，利用两路移频环路形成多对移频次数不同的探测脉冲，即光脉冲频率不同的探测脉冲，注入传感光纤可抑制干涉衰落，同时提高系统采样率，提升系统性能，降低系统噪声。降低系统噪声。降低系统噪声。