[发明专利]基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置及方法

权利要求书

1.一种基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2耦合器(2)、调制信号产生装置(3)、双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、光混合器(8)、第一、第二光电探测器(9)(10)以及信号采集和解调装置(11)；其中：所述光源(1)输出端与所述1×2耦合器(2)的输入端连接；所述1×2耦合器(2)包括两路输出端：一路连接至所述调制信号产生装置(3)的输入端；所述调制信号产生装置(3)包括两路输出端：一路连接至所述双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)的输入端，另一路连接至所述掺铒光纤放大器(5)的输入端；所述掺铒光纤放大器(5)的输出端连接至所述光纤环行器(6)的输入端；所述1×2耦合器(2)的另一路输出端连接至所述光混合器(8)的一路输入端，所述光混合器(8)的一路输出端连接至所述第二光电探测器(10)；再经所述第二光电探测器(10)的一路输出端连接至信号采集和解调装置(11)；所述光纤环行器(6)的一路输出端连接至所述光混合器(8)的另一路输入端，所述光混合器(8)的另一路输出端连接至所述第一光电探测器(9)；再经所述第一光电探测器(9)的另一路输出端连接至信号采集和解调装置(11)；

所述光源(1)，用于提供系统所需长相干长度的激光输出；

所述1×2耦合器(2)，用于将连续激光器发出的激光分成两路，一路经过双偏振四平行马赫增德尔电光调制器调制产生信号光，一路作为本地参考光；

所述调制信号产生装置(3)，使用任意波形发生器产生分别用于X、Y偏振方向调制的二路信号，经过射频放大器放大，由90度电桥生成相位差90°的I、Q信号；

所述双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)，用于调制产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲；

所述掺铒光纤放大器(5)，用于放大经过调制产生的信号光，增益10～30dB，满足长距离探测的要求；

所述光纤环行器(6)，用于将信号光输入传感光纤并将反射回的信号光输入到解调光路中；

所述传感光纤(7)，用于感受声波振动信号和传输光信号，长度0.1km～50km；

所述光混合器(8)，用于实现相干探测，输入为反射的瑞利散射信号光和本地参考光；

所述第一、第二光电探测器(9)(10)，用于接收光混合器输出的信号。

2.一种基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感方法，其特征在于，该方法具体包括以下流程：

步骤一、光源发出频率为f₀的连续激光经过1×2耦合器分为本地参考光和信号光两路光；由调制信号产生装置控制的双偏振四平行马赫增德尔电光调制器，被调制成脉冲内偏振态数字编码、光频率为f₀+Δf的移频光脉冲，Δf为移频频率；其中，控制电光调制器的调制信号产生4路信号；其4路信号的振幅值为A_X和A_Y，一个移频光脉冲内的偏振态编码个数为n，对应偏振方向与快轴夹角步进步长为A_X依次取n个值，分别为A_Y依次取n个值，分别为A₀为设定的电压常量；产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲偏振态，移频光脉冲内各偏振态对应光强保持不变；

步骤二、脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环形器，然后被注入传感光纤中，脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回，含有用于解调相位信息φ_(t)的光信号，经过环形器返回后到达光混合器，与本地参考光混合干涉；

步骤三、信号光与本地参考光在光混合器中混合干涉后，当输出的信号分别为I信号I＝I_(t)cos(2πΔft+φ_(t))和Q信号Q＝I_(t)sin(2πΔft+φ_(t))，光信号光电探测器接收转化成电压信号并由信号采集和解调装置处理；

步骤四、脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在传感光纤各处产生的光信号的偏振态和相位信息与光纤各处X、Y方向相位差δ_(Z)无关，消除了δ_(Z)对光混合器输出信号中I_(t)、φ_(t)的影响；采用I、Q信号相位解调算法，根据计算得到φ′_(t)，再积分，解调得到传感光纤各处的相位信息φ_(t)，计算各处相位在每帧之间的变化，得到传感光纤各处受到的振动情况。