[发明专利]基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法

说明书

本发明公开了一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，包括：驱动光纤激光器发射光信号；光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫‑曾德干涉仪，生成光拍信号，经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；锁相控制信号驱动光纤激光器发射高相干高线性扫频激光；该扫频激光由第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生拍频电信号；该拍频电信号经过采集卡转换为数字信号；将数字信号进行相位解调，获取待测量声波的相位变化信息。该方法有效提升了长距离声波测量下宽扫频激光的相干性和线性度，同时有效抑制了相干衰落噪声对相位解调的影响。

技术领域

本发明涉及分布式光纤测量与传感技术领域，特别涉及一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法。

背景技术

光频域反射仪(OFDR)是一种基于瑞利后向散射(RBS)的分布式测量技术，其利用线性扫频激光作为探测光，通过相干解调、光域去斜和频谱分析实现对RBS信号幅度、频率或相位等信息的测量，并通过其获取关于外界物理量的信息。在大规模传感领域，如石油井监测、油气管道监测、轨道交通监测、结构安全监测等领域具有极大的应用潜力。基于OFDR的分布式光纤传感技术具有高空间分辨率、高精度、高灵敏和长距离等优势，可获得光纤沿线待测量的分布场以及其时变信息，因此，OFDR在诸多应用场景中均发挥了不可替代的重要作用。得益于RBS相位与外界振动幅度的线性关系，基于RBS相位的探测手段成为基于OFDR的分布式光纤测量与传感技术的重要发展方向。针对RBS相位的解调，主要包括：3×3耦合器干涉解调、正交IQ解调以及傅里叶相位等方法。

目前，基于相位解调OFDR的长距离、高精度、高分辨的分布式光纤测量与传感技术所面临的主要问题是线性扫频激光相干性不足和非线性畸变、以及相干衰落导致的RBS信噪比恶化。通常可在OFDR的接收端采用非线性重采样和相噪补偿的方法实现非线性畸变的抑制相位噪声的补偿。然而，对于长距离测量时非线性和噪声的累积效应，上述方法的作用效果有限。

一般而言，采用外部调制，如强度、相位调制器所产生的线性扫频激光，其扫频范围受限于调制器射频驱动信号，即：所采用的射频器件的带宽限制了扫频范围。而对于通过光腔直接调制产生扫频激光的方法，根据激光产生的原理，其调谐范围和相干性、相频噪声相互制约，因此难以兼具宽范围扫频和高相干性。

另一方面，由于瑞利散射本质上源于光纤中折射率的随机起伏，不同RBS信号在接收端由于相干叠加会导致剧烈的强度抖动，这一现象被称为相干衰落噪声。其会严重恶化相干解调信号的信噪比，导致相位解调失败。目前主要采用优化信号处理的方式，利用RBS的频率相关性，对不同频率下的测量结果进行加权平均，达到减小相干衰落的效果。该类方法在一定程度上抑制了相干衰落噪声，但同时也对系统的空间分辨率造成了惩罚。同时，也有利用紫外曝光等方式对光纤进行特殊处理，达到提升光纤中RBS信噪比的目的，但该方式制备的光纤易产生结构缺陷，需进行复杂的后期处理。

因此，在现有分布式光纤传感技术的基础上，如何对相干衰落噪声进行抑制，以及如何提升长距离下宽扫频激光的相干性和线性度，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，该方法可使扫频激光兼具宽范围、高相干性和高线性，并有效抑制相干衰落噪声。

本发明实施例提供一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，包括如下步骤：

S1、驱动光纤激光器发射光信号；所述光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪，生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；所述光拍信号经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；