[发明专利]一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统

说明书

本发明公开了一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，涉及光纤传感测量技术领域，其方法步骤包括：将啁啾脉冲信号注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号的相干瑞利散射信号；基于相干瑞利散射信号，采用子啁啾脉冲提取算法获取子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应；基于子啁啾脉冲信号的相干瑞利散射响应分别获取光纤未受到扰动时和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样；基于光纤未受到扰动时和受到扰动时的相干瑞利散射响应图样，通过合适的延迟估计算法获取光纤扰动信息。本发明还同时公开了一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量系统。本发明通过子啁啾脉冲提取过程代替扫频过程获取瑞利散射信号，能够提高光纤传感系统的测量速度和测量动态范围。

技术领域

本发明涉及光纤传感测量技术领域，尤其涉及一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统。

背景技术

基于瑞利散射的光时域反射计是分布式传感领域中一个十分重要的分支，其具有测量精度高、测量点数多、测量距离长等优点。

按照对于传感信号解调方式，可将基于瑞利散射的光时域反射计分为两大类：相位解调型和频率解调型。相位解调型的主要应用是相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)；频率解调型的主要应用是相干光时域反射计(COTDR)。其中，针对现有的相干光时域反射计COTDR，每次测量都需要通过扫频来得到完整的瑞利散射图样，这极大地降低了测量速度，使COTDR仅能用于进行静态或准静态测量。

目前已有几种提升COTDR测量速度的方法。例如，2016年，西班牙阿尔卡拉大学研究人员提出一种基于啁啾脉冲和直接探测的单次测量方案，该方案提出，在外界扰动(主要是温度和应变)引起的散射信号频移较小的情况下，可以通过啁啾脉冲的时延来对频移进行补偿，从而实现只注入一个啁啾脉冲就得到瑞利散射图样。但这种方法可测量的频移范围比较小，仅有啁啾脉冲扫频范围的2-3％，无法测量速度快、范围大的外界扰动；并且该方法在应变分辨率、采样率、扫频范围和脉宽等参数上具有相互制约的关系，因此缺乏灵活性，只有在采样率非常高的情况下才有比较好的测量结果。又例如，2018年，德国联邦材料研究与测试研究所通过使用快速扫频的直调激光器在几公里的光纤范围内实现了千赫兹(KHz)频率级的重复率测量；但该方法也不能避免耗时的扫频过程。由此可见，有必要提出一种新型的测量方法，既能避免耗时的扫频过程，又能实现对变化速度快、变化范围大的外界扰动测量。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有相干光时域反射计测量速度慢、测量范围小的技术问题，提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法及其系统。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于子啁啾脉冲提取的COTDR测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将啁啾脉冲信号p(t)注入待检测光纤，获取啁啾脉冲信号p(t)的相干瑞利散射信号s(t)；

步骤2、基于相干瑞利散射信号s(t)，采用子啁啾脉冲提取算法获取一系列子啁啾脉冲信号p_i(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应s_i(t)(1,2,…,M)；

步骤3、基于子啁啾脉冲信号p_i(t)(i＝1,2,…,M)的相干瑞利散射响应s_i(t)(1,2,…,M)获取光纤未受到扰动时的相干瑞利散射响应图样和光纤受到扰动时的相干瑞利散射响应图样基于相干瑞利散射响应图样和获取光纤扰动信息。

进一步地，步骤1具体包括：

步骤1.1、使用耦合器将激光信号源分为两个分路信号，其中一个分路信号被调制模块调制为啁啾脉冲p(t)，另一个分路信号输入至相干检测模块作为本振信号；

步骤1.2、啁啾脉冲p(t)经光环形器注入待检测光纤，由此产生的瑞利散射信号由光环形器发送至相干检测模块；