【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤传感，更具体地，涉及一种分布式光纤传感系统及方法。
技术介绍
1、光纤通信网络是我国数字基础设施的关键组成与承载底座。随着数据传输需求的不断增长，管理大规模光纤网络需要更智能的监测技术，实现数据传输过程中链路状态的实时感知和调控成为新的研究趋势和热点。分布式光纤传感技术利用光纤作为信号的传输介质和传感单元，通过检测光纤中光信号的强度、相位、偏振态等参量在外场作用下的变化，实现对光纤沿线外部参量的连续分布式测量，从而成为光通信网络中最为理想的无损健康监测技术。
2、分布式光纤传感技术依照原理或监测参量等维度，可以分为若干类型，应用于光通信网络中较为常见的几类是光学时域反射仪(optical time-domain reflectometer，otdr)、相干光学时域反射仪(coherent-otdr，cotdr)和相位敏感光学时域反射仪(phase-sensitive otdr，φ-otdr)。
3、otdr和cotdr主要测量光纤中瑞利背向散射信号(rayleigh backscatteringsignal，rbs)的功率分布曲线，该曲线可以反映出光纤的衰减系数及光纤断裂、接头、弯曲等事件的位置，其测量时间较长(分钟级别)，仅能反应光纤当前的质量情况，相比于otdr，cotdr采用的光源和接收机略有不同，因此有着更高的性能，可以应用于长距离的光纤通信系统中，如海底光缆。otdr和cotdr在当前的光通信系统中已经得到了部署应用。
4、φ-otdr主要测量rbs的相位分布曲线，
5、可以看出，otdr/cotdr和φ-otdr给光通信系统提供了两种不同的监测能力，且都是网络管理者所希望得到的，后者可以提供预测能力，通过主动运维提高网络的可靠性，前者可以在事故发生后，准确定位发生的位置，为快速修复提供可靠的信息支撑。而如果想同时拥有测量光纤中瑞利背向散射信号的功率和相位这两种能力，通常意味着需要部署两套系统，但这无疑增加了成本，且增加了管理的复杂度。如何通过一套系统同时测量光纤中瑞利背向散射信号的功率和相位，以减低成本和管理复杂度，是本领域关注和研究的一个课题。
技术实现思路
1、本专利技术通过提供一种分布式光纤传感系统及方法，解决现有技术中难以通过一套系统同时测量光纤中瑞利背向散射信号的功率和相位的问题。
2、本专利技术提供一种分布式光纤传感系统，包括：窄线宽激光器、耦合器、第一调制单元、第二调制单元、第一掺铒光纤放大器、环形器、光纤、接收单元和数据采集单元；所述窄线宽激光器发出的连续激光经所述耦合器后分为两路，一路作为本振信号输入至所述接收单元，另一路作为探测信号输入至所述第二调制单元；所述第一调制单元产生电调制信号并传输至所述第二调制单元；所述第二调制单元在所述电调制信号的作用下引入随机相位编码，对所述探测信号的振幅和相位进行调制，并输出脉冲光；所述第一掺铒光纤放大器对所述脉冲光进行放大；放大后的脉冲光经所述环形器的第一端口输入，并经所述环形器的第二端口输出至所述光纤，所述光纤产生的瑞利背向散射信号传输至所述环形器的第二端口，并经所述环形器的第三端口输出至所述接收单元，所述接收单元对所述本振信号和所述瑞利背向散射信号进行拍频产生电信号；所述数据采集单元对所述电信号进行采集，得到传感信息。
3、优选的，所述第二调制单元采用iq调制器，或者，所述第二调制单元采用级联的强度调制器和相位调制器；所述强度调制器采用声光调制器或马赫曾德调制器，所述相位调制器采用电光调制器。
4、优选的，所述第二调制单元引入随机相位编码时，采用设定的编码方案使一个脉冲内的相位在-π到π的范围内变化并服从特定分布特性；不同时间发射的脉冲的相位相同；所述设定的编码方案为均匀分布、高斯分布、伯努利分布、伪随机序列编码、golay编码中的一种。
5、优选的，所述分布式光纤传感系统还包括：第二掺铒光纤放大器；所述第二掺铒光纤放大器设置在所述环形器与所述接收单元之间，所述第二掺铒光纤放大器用于对所述瑞利背向散射信号进行放大。
6、优选的，所述第一调制信号单元采用任意波形发生器；所述接收单元采用双偏集成相干接收机或偏振分集接收机；所述数据采集单元采用示波器。
7、优选的，所述分布式光纤传感系统还包括：数据处理单元；所述数据处理单元根据接收到的所述传感信息进行计算，得到所述瑞利背向散射信号沿光纤的功率分布和相位分布。
8、优选的，所述数据处理单元执行如下操作得到功率分布：
9、计算两个偏振态的总功率，并得到功率矩阵pmxn；
10、其中，总功率采用如下公式进行计算：
11、p＝|xi+jxq|2+|yi+jyq|2
12、式中，接收单元产生的电信号包括四路电信号，分别记为xi、xq、yi和yq，x和y代表两个偏振态，i和q代表信号的实部和虚部；p表示总功率，j表示虚数，||表示取绝对值；m表示脉冲数量，n表示采样点数量，功率矩阵pmxn的行表示时间维度，列表示空间维度；
13、对所述功率矩阵pmxn沿着空间方向和时间方向进行平均，得到平均后的功率矩阵；
14、对所述平均后的功率矩阵进行归一化处理，得到所述瑞利背向散射信号沿光纤的功率分布。
15、优选的，所述数据处理单元执行如下操作得到相位分布：
16、计算两个偏振态的复数信号，并记为第一复数信号sx和第二复数信号sy；
17、其中，复数信号采用如下公式进行计算：
18、sx＝xi+jxq
19、sy＝yi+jyq
20、式中，接收单元产生的电信号包括四路电信号，分别记为xi、xq、yi和yq，x和y代表两个偏振态，i和q代表信号的实部和虚部；j表示虚数；
21、基于所述第一复数信号sx和所述第二复数信号sy计算得到旋转矢量和rvs；
22、计算所述旋转矢量和rvs的相位；
23、对相位进行解缠绕，得到所述瑞利背向散射信号沿光纤的相位分布。
24、另一方面，本专利技术提供一种分布式光纤传感方法，采用上述的分布式光纤传感系统实现，所述分布式光纤传感方法包括以下步骤：
25、利用窄线宽激光器发出连续激光，利用耦合器将所述连续激光分为两路，一路作为本振信号输入至接收单元，另一路作为探测信号输入至第二调制单元；
26、利用第一调制单元产生电调制信号并传输至所述第二调制单元，所述第二调制单元在所述电调制信号的作用下引入随机相位编码，对所述探测信号的振幅和相位进行调制，并输出脉冲本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器、耦合器、第一调制单元、第二调制单元、第一掺铒光纤放大器、环形器、光纤、接收单元和数据采集单元；所述窄线宽激光器发出的连续激光经所述耦合器后分为两路，一路作为本振信号输入至所述接收单元，另一路作为探测信号输入至所述第二调制单元；所述第一调制单元产生电调制信号并传输至所述第二调制单元；所述第二调制单元在所述电调制信号的作用下引入随机相位编码，对所述探测信号的振幅和相位进行调制，并输出脉冲光；所述第一掺铒光纤放大器对所述脉冲光进行放大；放大后的脉冲光经所述环形器的第一端口输入，并经所述环形器的第二端口输出至所述光纤，所述光纤产生的瑞利背向散射信号传输至所述环形器的第二端口，并经所述环形器的第三端口输出至所述接收单元，所述接收单元对所述本振信号和所述瑞利背向散射信号进行拍频产生电信号；所述数据采集单元对所述电信号进行采集，得到传感信息。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第二调制单元采用IQ调制器，或者，所述第二调制单元采用级联的强度调制器和相位调制器；所述强度调制器采用声光调制器或马赫曾德
3.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第二调制单元引入随机相位编码时，采用设定的编码方案使一个脉冲内的相位在-π到π的范围内变化并服从特定分布特性；不同时间发射的脉冲的相位相同；所述设定的编码方案为均匀分布、高斯分布、伯努利分布、伪随机序列编码、Golay编码中的一种。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括：第二掺铒光纤放大器；所述第二掺铒光纤放大器设置在所述环形器与所述接收单元之间，所述第二掺铒光纤放大器用于对所述瑞利背向散射信号进行放大。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第一调制信号单元采用任意波形发生器；所述接收单元采用双偏集成相干接收机或偏振分集接收机；所述数据采集单元采用示波器。
6.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括：数据处理单元；所述数据处理单元根据接收到的所述传感信息进行计算，得到所述瑞利背向散射信号沿光纤的功率分布和相位分布。
7.根据权利要求6所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述数据处理单元执行如下操作得到功率分布：
8.根据权利要求6所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述数据处理单元执行如下操作得到相位分布：
9.一种分布式光纤传感方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的分布式光纤传感系统实现，所述分布式光纤传感方法包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的分布式光纤传感方法，其特征在于，还包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器、耦合器、第一调制单元、第二调制单元、第一掺铒光纤放大器、环形器、光纤、接收单元和数据采集单元；所述窄线宽激光器发出的连续激光经所述耦合器后分为两路，一路作为本振信号输入至所述接收单元，另一路作为探测信号输入至所述第二调制单元；所述第一调制单元产生电调制信号并传输至所述第二调制单元；所述第二调制单元在所述电调制信号的作用下引入随机相位编码，对所述探测信号的振幅和相位进行调制，并输出脉冲光；所述第一掺铒光纤放大器对所述脉冲光进行放大；放大后的脉冲光经所述环形器的第一端口输入，并经所述环形器的第二端口输出至所述光纤，所述光纤产生的瑞利背向散射信号传输至所述环形器的第二端口，并经所述环形器的第三端口输出至所述接收单元，所述接收单元对所述本振信号和所述瑞利背向散射信号进行拍频产生电信号；所述数据采集单元对所述电信号进行采集，得到传感信息。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第二调制单元采用iq调制器，或者，所述第二调制单元采用级联的强度调制器和相位调制器；所述强度调制器采用声光调制器或马赫曾德调制器，所述相位调制器采用电光调制器。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第二调制单元引入随机相位编码时，采用设定的编码方案使一个脉冲内的相位在-π到π的范围内变化并...
【专利技术属性】
技术研发人员：程竞驰，尚韬，
申请(专利权)人：西安电子科技大学杭州研究院，
类型：发明
国别省市：
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