[发明专利]一种少模光纤分布式声传感系统及其信号处理方法

说明书

本发明公开了一种少模光纤分布式声传感系统及其信号处理方法，涉及分布式光纤传感领域，包括：光源模块、调制模块、多通道注入模块、模式多路复用/解复用器、少模光纤、参考光分束模块、信号探测模块、数据采集卡和信号处理模块。本发明将少模光纤与MIMO技术相结合。在调制模块对注入到少模光纤中的各个模式加以不同的频率标签。信号处理模块中，每个探测器的输出信号通过带通滤波将各个不同频率的传输模式的瑞利光散射信号加以分离，并采用MIMO均衡算法消除信号传输时模式耦合的影响。最后，将多个分集的信号有效地合并起来，通过M个模式注入，N个模式接收，不仅可以抑制信号衰落，还实现了10log(M*N)dB的底噪抑制，为开发更长距离、更高信噪比的分布式光纤传感系统提供了可能。

技术领域

本发明涉及高信噪比的分布式光纤传感领域，具体地涉及一种少模光纤分布式声传感系统及其信号处理方法。

背景技术

随着低损耗光导纤维制作技术和光纤通信技术的发展，光纤传感技术逐步形成并得到了长足发展。近年来，分布式光纤传感技术由于其特有的强抗电磁干扰能力、强环境适应能力、长距离、高灵敏度等优势在周界安防、油气勘探等诸多领域得到了广泛的应用。其中，相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是最具代表性的一类分布式光纤传感技术，它是利用外界扰动信号作用在传感光纤上导致后向瑞利散射光的相位变化来实现声波信号的分布式探测的。由于光相位信号与作用于光纤上的动态信号呈线性关系，Φ-OTDR技术可以实现光纤链路上振动与声波的实时定量化检测，是国内外重点发展的战略性高技术。

Φ-OTDR技术是利用瑞利背向散射(RBS)的干涉效应来进行传感的，但是干涉效应又会引起相干衰落的问题，由于光纤空间折射率的随机分布，在一些位置处信号幅度接近于零，导致相位信息丢失，极大地影响系统的可靠性。除此之外，相比于激光发射脉冲的功率，瑞利散射光要弱几个数量级，导致低反向散射光水平和相应的高噪声水平，系统底噪相比基于反射点或干涉仪型系统高得多，限制了对弱信号的探测能力。然而，现有的Φ-OTDR技术普遍采用普通的单模光纤(SMF)作为传感光纤，普通SMF的非线性效应阈值较低，导致注入到传感光纤中的脉冲光功率受限，对于提高系统的传感距离和信噪比有很大的限制。

由于具有较高的非线性效应阈值以及较大的散射光捕获效率等优点，少模光纤或多模光纤有潜力解决单模光纤系统所受的两个限制。MATTHEW J.MURRAY等人提出了一种基于多模光纤的相位测量Φ-OTDR系统，通过使用高速摄像机来检测整个背向散射场，系统带宽达到20kHz，最小相位噪声为80[dBrad²/Hz]。【M.J.Murray,A.Davis,and B.Redding,Multimode fiber Phi-OTDR with holographic demodulation,Optics Express,vol.26,no.18,pp.23019-23030,Sep 3 2018.】但是传感器位置由参考臂延迟固定，还未能实现分布式多模光纤的声学传感器。Ali Masoudi等人提出了一种基于双模光纤的分布式光纤动态应变传感器，通过结合两个不同的模式实现了2.52dB的噪声改善。【M.M.Chen,A.Masoudi,F.Parmigiani,and G.Brambilla,Distributed acoustic sensor based ona two-mode fiber,Optics Express,vol.26,no.19,pp.25399-25407,Sep 17 2018.】但是，N个模式的少模光纤只能实现10logN(dB)的底噪抑制，离更低底噪的Φ-OTDR系统还有一段距离。因此，发明一种新的基于MIMO技术的低底噪少模光纤声传感系统及方法是十分有意义的，可以为更高信噪比的Φ-OTDR系统提供技术支持，以适用于更长距离、更微弱信号的监测。

发明内容

本发明的目的在于提出一种少模光纤分布式声传感系统及其信号处理方法，以期突破目前基于单模光纤的Φ-OTDR系统，由于其面临的由瑞利散射信号幅度过低而导致的系统信噪比受限问题，无法实现低底噪声传感系统从而满足微弱声信号检测的应用需求。