[發(fā)明專利]一種光纖分布式傳感探測方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711023413.1
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107884060B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 路陽;張學(xué)亮;孟洲;余志杰;姚瓊;陳偉;彭承彥;黃良金;樓康;曹春燕;熊水東
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 陳暉;蔣維特

本發(fā)明公開了一種光纖分布式傳感探測方法及裝置，方法包括：S1.將具有偏振正交和同偏振態(tài)的雙光脈沖分別注入傳感光纖，獲得所述傳感光纖的瑞利光及與瑞利光對應(yīng)的四路偏振通道的干涉光強；S2.將所述偏振通道的干涉光強復(fù)數(shù)化，生成傳感通道響應(yīng)矩陣，根據(jù)所述響應(yīng)矩陣的酉矩陣特性計算得到與偏振無關(guān)的復(fù)數(shù)；S3.從所述復(fù)數(shù)中計算提取所述瑞利光的相位信息，從而獲得傳感光纖感應(yīng)到的信號的信息。具有可優(yōu)化探測噪聲水平，提高探測靈敏度，消除因高相位噪聲導(dǎo)致的探測盲區(qū)等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖分布式傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖分布式傳感探測方法及裝置。

背景技術(shù)

相位敏感光時域反射儀技術(shù)(Φ-OTDR)是應(yīng)用廣泛的光纖分布式振動和聲音探測技術(shù)，在周界安防，地震波檢測，油汽勘探、以及管道和鐵路等大型結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值，逐漸成為國內(nèi)外研究熱點。Φ-OTDR技術(shù)通過獲取脈沖光在傳感光纖中各處產(chǎn)生的后向瑞利散射光(簡稱為瑞利光)的相位信息實現(xiàn)分布式振動或聲傳感。當(dāng)外界振動或聲音作用于光纖某一位置，將引起該位置光纖拉伸和折射率變化，導(dǎo)致經(jīng)過此處的瑞利光發(fā)生相位變化。通過檢測瑞利光由振動或聲因誘導(dǎo)的相位變化可以同時獲得外界振動或聲音的頻率、幅度和相位的完整信息。

為了獲取瑞利光的相位變化，研究者們發(fā)展了基于瑞利散射信號延時自干涉的Φ-OTDR系統(tǒng)[Gaosheng Fang等人，Phase-Sensitive Optical Time DomainReflectometer Based on Phase-Generated Carrier Algorithm，Journal of LightwaveTechnology，2015年]。該系統(tǒng)將光纖中返回的瑞利光注入Michelson干涉儀(MI)或Mach-Zender干涉儀(M-ZI)中。在干涉儀中，瑞利光被分成功率相等的兩束，分別經(jīng)歷干涉儀長臂和短臂。由于干涉儀臂差，在干涉儀出射端同時存在瑞利光信號和延時的瑞利光信號。通過此方式，光纖某一位置z₀的瑞利光E(z₀)將與來自相隔距離L處光纖的瑞利光E(z₀+L)發(fā)生干涉，L由干涉儀臂差決定，干涉信號的時變相位包含了光纖位置z₀與z₀+L之間光纖所感應(yīng)的振動或聲音信息。通過相位產(chǎn)生載波(PGC)或3×3等相位解調(diào)技術(shù)，可從干涉信號中獲得相位信息Φ-OTDR系統(tǒng)的最小可測信號(檢測靈敏度)受限于檢測的相位噪聲，相位噪聲受干涉信號可見度影響。

由于單模光纖中存在隨機低雙折射，瑞利光在單模光纖中傳輸時偏振態(tài)發(fā)生隨機變化，導(dǎo)致光纖中瑞利光E(z₀)與E(z₀+L)的相對偏振態(tài)隨光纖位置z₀發(fā)生變化。當(dāng)E(z₀)與E(z₀+L)偏振正交，干涉信號可見度為0，檢測的相位噪聲最大；當(dāng)E(z₀)與E(z₀+L)同偏振態(tài)，干涉信號可見度最大，此時相位噪聲最小。E(z₀)與E(z₀+L)相對偏振態(tài)的位置相關(guān)性使檢測的相位噪聲隨光纖位置發(fā)生變化，導(dǎo)致基于Φ-OTDR的分布式振動和聲音探測的噪聲漲落。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種消除基于延時自干涉Φ-OTDR技術(shù)的光纖分布式傳感系統(tǒng)振動和聲音探測的偏振相關(guān)性，抑制由偏振失配導(dǎo)致的探測噪聲漲落，可優(yōu)化探測噪聲水平，提高探測靈敏度，消除因高相位噪聲導(dǎo)致的探測盲區(qū)的光纖分布式傳感探測方法及裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：一種光纖分布式傳感探測方法，包括：

S1.將具有偏振正交和同偏振態(tài)的雙光脈沖分別注入傳感光纖，獲得所述傳感光纖的瑞利光及與瑞利光對應(yīng)的四路偏振通道的干涉光強；

S2.將所述偏振通道的干涉光強復(fù)數(shù)化，生成傳感通道響應(yīng)矩陣，根據(jù)所述響應(yīng)矩陣的酉矩陣特性計算得到與偏振無關(guān)的復(fù)數(shù)；