[發明專利]一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統及方法

在審

• 申請號: 202211233594.1
• 申請日: 2022-10-10
• 公開（公告）號: CN115694626A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 張敏娟;仝博森;景寧;王耀利;王志斌;銀子燕;張寧;楊坤;牛森;李孟委
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: H04B10/071
• 分類號: H04B10/071
• 代理公司: 太原榮信德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14119
• 代理人: 連慧敏

1.一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統，其特征在于：包括光學部分(1)、電學部分(2)和數據處理部分(3)，所述光學部分(1)與電學部分(2)電性連接，所述電學部分(2)與數據處理部分(3)電性連接，所述數據處理部分(3)采用上位機。

2.根據權利要求1所述的一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統，其特征在于：所述光學部分(1)包括窄脈沖激光器(101)、電光調制器(102)、光放大器(103)、第一光環形器(104)、第二光環形器(105)、泵浦光源(106)、通信光纖(107)、光濾波器(108)、光電探測器(109)，所述窄脈沖激光器(101)的光路方向上依次設置有電光調制器(102)、光放大器(103)、第一光環形器(104)，所述第一光環形器(104)通過通信光纖(107)與第二光環形器(105)連接，所述第二光環形器(105)設置在泵浦光源(106)的光路方向上，所述第一光環形器(104)的光路方向上設置有光濾波器(108)，所述光濾波器(108)的光路方向上設置有光電探測器(109)。

3.根據權利要求2所述的一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統，其特征在于：所述電學部分(2)包括精密時基(201)、功率放大電路(202)、延時計數電路(203)、窄脈沖電路(204)、取樣器(205)、信號調理濾波電路(206)和采集通信模塊(207)，所述精密時基(201)分別與功率放大電路(202)、延時計數電路(203)電性連接，所述延時計數電路(203)與窄脈沖電路(204)電性連接，所述窄脈沖電路(204)與取樣器(205)電性連接，所述取樣器(205)與信號調理濾波電路(206)電性連接，所述信號調理濾波電路(206)與采集通信模塊(207)電性連接。

4.根據權利要求3所述的一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統，其特征在于：所述功率放大電路(202)與電光調制器(102)電性連接，所述取樣器(205)與光電探測器(109)電性連接，所述采集通信模塊(207)與數據處理部分(3)電性連接。

5.根據權利要求2所述的一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統，其特征在于：所述泵浦光源(106)采用弧浦光源。

6.根據權利要求1-5任一項所述的一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統的監測方法，其特征在于：包括下列步驟：

S1、以窄脈沖激光器為發射光源，通過電光調制器調制為窄脈沖激光并經過光放大器對激光信號進行放大；

S2、經第一環形器將光耦合到通信光纖中，以通信光纖為擾動傳感載體，以泵浦光源為補償光源增加散射光強搭建光纖擾動測試系統，通過光濾波器、光電探測器實現對背向散射光的光電轉換；

S3、通過測量光從起始點到擾動點光在光纖中的傳輸時間，計算出光纖擾動點的位置；

S4、精密時基產生頻率可控的窄脈沖觸發信號，一路信號經功率放大和窄脈沖壓縮后驅動電光調制器，實現對超窄線寬的激光的調節，發射窄脈沖激光；

S5、另一路脈沖信號經過延時計數電路后再經窄脈沖電路對脈沖信號壓縮變換后觸發取樣器的取樣開關，實現對背向散射光的快速等效時間采樣；

S6、基于取樣器采集的瞬態背向散射光信號經過信號調理濾波電路進行阻抗積分變換、濾波、AD采集后，通過USB接口傳到上位機進行數據存儲和處理，實現背向散射光信號的重建和擾動分析。

7.根據權利要求6所述的一種基于等效取樣和精密延時的光纜擾動監測系統的監測方法，其特征在于：所述S3中計算光纖擾動點的位置的方法為：

設從光纖入射端注入脈沖光后，到接收到該脈沖光在距入射端L處產生的后向散射光所需的時間為t，由于脈沖光在光纖中傳輸了從入射端到反射點的往返路程，因此有如下關系式：

由此可以得到擾動位置與入射端的距離為L：

其中，n為光纖的折射率，c為光速，L為光纖擾動距離起始點的距離；t為光從起始點傳輸到擾動位置，再返回到起始點所需的時間。