偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法
专利汇可以提供偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法。装置中采用光频域反射技术和偏振控制及提取技术，包括超窄线宽可调谐 激光器 模 块 ，偏振产生和偏振分集探测模块，光频和 相位 监控模块，高速光 开关 模块，组成大规模长距离光传感网络。解调方法上采用光频非线性及 光源 相位噪声 的抑制和补偿，超分辨分析方法，先进去噪方法以及基于光纤分布式波片模型的琼斯和穆勒矩阵的偏振解算方法实现传感光缆中偏振信息提取。，下面是偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法专利的具体信息内容。
1.一种偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置，其特征在于该装置包括：
可调谐激光器：用于为光频域反射系统提供光源，包括超窄线宽可调谐光纤激光器、外腔式半导体激光器；
光源调谐驱动模块：与可调谐激光器连接，为可调谐激光器提供调谐驱动，是一种超低纹波的电压驱动器，由高精度的数模转换器、可编程门阵列、放大器组成；
分束比为1：99光分束器：将激光器的出射光进行1：99比例分束，分别分配到光源光频和相位监视模块与核心干涉模块；
光源光频和相位监视模块：用于对激光器光频的采集和监控，采用以下两种结构中任一种结构实现，一种结构是消偏振迈克逊干涉仪结构，另一种结构是基于3×3耦合器的马赫曾德尔干涉仪结构；
核心干涉模块：是光频域反射仪的核心，由可调保偏衰减器，保偏振分束器、参考臂、测试臂以及保偏耦合器组成；可调保偏衰减器，用于调节光强大小；保偏分束器，将光以50：
50、20：80、30：70或40：60的比例分配到干涉仪的参考臂和测试臂，其中比例的选择，根据测试光纤中受激布里渊吸收效应较大时，选择较大的比例20：80或30：70，受激布里渊吸收效应较小时，选择比例为50：50或40：60；参考臂，由相位调制器和45度对准器组成，其中参考臂光纤是保偏光纤，相位调制器以测试的最大拍频值为调制频率值调制，后续将采集信号做高通滤波，能够抑制瑞利散射相干噪声和幻峰，45度对准器将保偏光纤快轴和慢轴
45度对轴，保证参考臂快慢轴有等量光强；核心干涉模块的测试臂上连接偏振产生模块中偏振产生器，传感光缆的背向散射光经过高速光开关和偏振产生模块中的环行器进入保偏耦合器的第二端口，核心干涉模块的参考臂光进入保偏耦合器的第一端口，传感光缆的背向散射光与参考臂光在保偏耦合器中发生拍频干涉产生拍频干涉信号，其拍频信号从保偏耦合器的第三端口和第四端口进入偏振分束平衡探测模块；
偏振产生模块，包括偏振产生器和环形器，偏振产生器能够产生固定几种偏振态的光包括：线偏光、45度线偏光、左旋圆偏光或右旋圆偏光，为后面算法处理提供已知的参考偏振态；环行器为双轴工作的保偏环行器，其作用是连接偏振产生模块，高速光开关以及核心干涉模块的保偏耦合器，具体连接方式将光由第一端口进入环行器，从第二端口进入高速光开关，与连接的高速光开关的传感光缆的背向散射光通过环行器的第二端口返回，从环行器的第三端口进入核心干涉模块的保偏耦合器的第一端口和第二端口；
高速光开关：连接传感光缆，能够实现多路传感光缆的传感，拓展了系统的测试距离，便于形成大规模传感网络；
偏振分束平衡探测模块：包括两个偏振分束器以及两个平衡探测器；其中偏振分束器将进入其中的核心干涉模块输出拍频信号分解成偏振本征正交的快慢轴两个分量；其中两个偏振分束器的快轴分量进入第一个平衡探测器，慢轴分量进入第二个平衡探测器；
高速采集模块：用于采集偏振分束平衡探测模块的平衡探测器以及光源光频和相位监视模块的干涉信号；
计算机，高速采集模块采集的信号进行数据处理，包括光源光频和相位的提取和解调算法以及对于核心干涉模块产生的拍频信号进行解调，为光源调谐驱动模块提供控制信号；
传感光缆，由普通通讯光缆或振动传感光缆构成，使用时只使用单芯，布设于围栏、大型结构要扰动监测的位置。
2.根据权利要求1所述的偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置，其特征在于所述的光源光频和相位监视模块中的一种结构，消偏振迈克逊干涉仪结构包括隔离器，分束比50：50耦合器，两个法拉第转镜，干涉探测器，延迟光纤，相位调制器；其中各组成单元的作用，隔离器：防止50：50耦合器的第二端口的反射光进入激光器，分束比50：50耦合器用于光干涉，光从50：50耦合器的第二端口进入，从第三、第四端口出射，分别被两臂的法拉第转镜反射，返回到第三、第四端口，两束光在50：50耦合器中发生干涉，从第一端口输出，两个法拉第转镜用为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象，延迟光纤，用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频，干涉探测器，用于采集耦合器从1端口出射光，即相位光频监视模块的拍频信号；相位调制器，用于对干涉仪的一臂进行相位调制，便于后续的锁相解调出干涉信号的相位。
3.根据权利要求1所述的偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置，其特征在于所述的光源光频和相位监视模块中的另一种结构，基于3×3耦合器的马赫曾德尔干涉仪包括, 50：50分束器，延迟光纤，3×3耦合器，两个探测器；其中各组成单元的作用，50：50分束器，用于入射光的50:50 分束，经过延迟光纤，进入3×3耦合器进行干涉，3×3耦合器的两个端口分别接入两个探测器光接口，探测器将采集的电信号接入高速采集模块。
4.一种偏振敏感的分布式光频域反射扰动解调方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步、激光器实时相位光频采集，对光源光频和相位监视模块采集的信号进行希尔伯特变换或三角函数变换和时频域变换，得到各个时间点的激光器的光频或相位；
第二步、利用第一步实时采集的激光器的光频和相位的信号，采用非均匀快速傅立叶变换或补偿插值算法，对核心干涉模块的信号中包括偏振本征态的两路信号进行相位补偿，以抑制光频非线性和光源相位噪声对系统信噪比和空间分辨率的影响；
第三步、对经过第二步补偿后核心干涉模块的信号进行谱分析：用以下两种方法中任一种方法对信号进行谱估计，具体方法分为非参数化谱估计和参数化谱估计两种方法；其中第一种方法，非参数化谱估计方式的处理方法：对第二步处理后的信号采用窗函数：凯泽窗或高斯窗，来抑制信号旁瓣，然后采用先进窗技术：卷积窗和空间变迹法或切趾法对信号处理；第二种方法另外采用参数化谱估计的方式：对第二步处理后的信号采用自回归滑动平均模型或自回归模型或多重信号分类等参数化方法对系统输出信号进行建模，实现系统超分辨率分析；
第四步、对第三步处理后的信号进行去噪处理，具体方法：小波去噪，维纳反卷积自适应去噪，中值去噪，形态学去噪，偏微分去噪和基于局部统计特征去噪；
第五步、采用以下两种方法中任一种方法，对第四步处理后的信号进行基于光纤分布式波片模型的偏振解算：
第一种方法：通过偏振产生器和偏振分束探测，已知输入和输出光的偏振态和琼斯向量，利用琼斯矩阵的相似矩阵求本征值法，这种方法只需在偏振产生模块输入两个正交偏振态，就得到测试光纤中各个小段的琼斯矩阵，即可得测试光纤中各个小段的线性双折射和线性双衰减；
第二种方法：通过偏振产生器和偏振分束探测，已知输入和输出光的斯托克斯向量，利用矩阵运算，得到测试光纤中各个小段的分布式穆勒矩阵，即可得测试光纤中各个小段到线性双折射和线性双衰减，圆双折射。
偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法
技术领域
背景技术
发明内容
可调谐激光器6：用于为光频域反射系统提供光源，包括超窄线宽可调谐光纤激光器、外腔式半导体激光器；
光源调谐驱动模块5：与可调谐激光器连接，为可调谐激光器提供调谐驱动，是一种超低纹波的电压驱动器，由高精度的数模转换器、可编程门阵列、放大器组成；
1：99光分束器12：将激光器的出射光进行1：99比例分束，分别分配到核心干涉模块1和光源相位光频监视模块2；
光源光频和相位监视模块2：用于对激光器光频的采集和监控，可以采用两种结构一种是消偏振迈克逊干涉仪（Michelson）干涉仪结构；第二种结构是基于3×3耦合器的马赫曾德耳干涉仪(Mach Zehnder)结构如图3。其中消偏振迈克逊干涉仪（Michelson）干涉包括隔离器13：防止50：50耦合器15的2端口的反射光进入激光器。50：50耦合器15用于光干涉，光从耦合器15的2端口进入，从3、4端口出射，分别被迈克逊干涉仪两臂的法拉第转镜17和18反射，返回到3、4端口，两束光在耦合器15中发生干涉，从1端口输出。两个法拉第转镜17和18用为干涉仪提供反射，且可以消除干涉仪的偏振衰落现象。延迟光纤
16，用于实现非等臂的拍频干涉，可以根据拍频和延迟光纤长度得到光频。干涉探测器14，用于采集耦合器15从1端口出射光，即光源相位光频监视模块2的拍频信号。相位调制器
16，用于对干涉仪的一臂进行相位调制，便于后续的锁相解调出干涉信号的相位。基于3×3耦合器的马赫曾德耳(Mach Zehnder)干涉仪结构如图3,其包括50：50分束器33，用于入射光的50:50 分束，经过延迟光纤34，进入3×3耦合器进行干涉35，3×3耦合器的两个端口分别接入两个探测器36和37光接口，其采集的电信号接入高速采集模块。
80，30：70，受激布里渊吸收效应较小时，选择比例如50：50，40：60。
高速光开关7，连接传感光缆10和11可以实现多路传感光缆的传感，拓展了系统的测试距离，便于形成大规模传感网络。
其中偏振分束器25和26将进入其中的核心干涉模块1输出拍频信号分解成偏振本征正交的快慢轴两个分量；其中两个偏振分束器25和26的快轴分量进入第一个平衡探测器27，慢轴分量进入第二个平衡探测器28；
高速采集模块8,用于采集偏振分束平衡探测模块的第一和第二平衡探测器27和28、光源光频和相位监视模块的探测器14（第一种结构）或探测器36和37（第二种结构）的干涉信号。
第二步、利用第一步实时采集的激光器的光频和相位的信号，采用非均匀快速傅立叶变换或补偿插值算法，对核心干涉模块的信号中包括偏振本征态的两路信号进行相位补偿，以抑制光频非线性和光源相位噪声对系统信噪比和空间分辨率的影响；
第三步、对经过第二步补偿后核心干涉模块的信号进行谱分析：以下两种方法中任一种方法对信号进行谱估计，其具体方法分为非参数化谱估计和参数化谱估计两种方法。其中第一种方法，非参数化谱估计方式的处理方法：对第二步处理处理后的信号采用窗函数：
凯泽窗或高斯窗，来抑制信号旁瓣，然后采用先进窗技术：卷积窗和空间变迹法或切趾法对信号处理进一步抑制信号旁瓣；第二种方法另外采用参数化谱估计的方式：对第二步处理处理后的信号采用自回归滑动平均模型或自回归模型或多重信号分类等参数化方法对系统输出信号进行建模，实现系统超分辨率分析；
第四步、对第三步处理后的信号进行去噪处理，具体方法：小波去噪，维纳反卷积自适应去噪，中值去噪，形态学去噪，偏微分去噪和基于局部统计特征去噪；如图3是未采用第三步抑制旁瓣的先进窗技术和第四步去噪处理的信号，图3是采用第三步抑制旁瓣的先进窗技术和第四步去噪处理的信号
第五步、采用以下两种方法中任一种方法对第四步处理后的信号进行基于光纤分布式波片模型的偏振解算：
第一种方法：通过偏振产生器和偏振分束探测，已知输入和输出光的偏振态和琼斯向量，利用琼斯矩阵的相似矩阵求本征值法，这种方法只需输入两个偏振态，就得到测试光纤中各个小段的琼斯矩阵，即可得测试光纤中各个小段到线性双折射和线性双衰减；
第二种方法：通过偏振产生器和偏振分束探测，已知输入和输出光的斯托克斯向量，利用矩阵运算，得到测试光纤中各个小段的分布式穆勒矩阵，即可得测试光纤中各个小段到线性双折射和线性双衰减，圆双折射。
本发明提出的基于偏振敏感的光频域反射扰动装置和方法（P-OFDR），具有测试距离长（>200km）、空间分辨率高（厘米级）、灵敏度高、可以连续多点测量的特点。可应用于长距离周界安全、油气管道安全等电力、通讯线缆安全实时监控领域。
附图说明
图4是未采用去噪和窗技术处理的信号谱。
具体实施方式
光源光频和相位监视模块2：用于对激光器光频的采集和监控，可以采用两种结构，一种是消偏振迈克逊干涉仪（Michelson）干涉仪结构，如图2所示；第二种结构是基于3×3耦合器的马赫曾德耳干涉仪(Mach Zehnder)结构，如图3所示。其中消偏振迈克逊干涉仪（Michelson）干涉包括隔离器13：防止50：50耦合器15的2端口的反射光进入激光器。
50：50耦合器15用于光干涉，光从耦合器15的2端口进入，从3、4端口出射，分别被迈克逊干涉仪两臂的法拉第转镜17和18反射，返回到3、4端口，两束光在耦合器15中发生干涉，从1端口输出。两个法拉第转镜17和18用为干涉仪提供反射，且可以消除干涉仪的偏振衰落现象。延迟光纤16，用于实现非等臂的拍频干涉，可以根据拍频和延迟光纤长度得到光频。干涉探测器14，用于采集耦合器15从1端口出射光，即光源相位光频监视模块2的拍频信号。相位调制器16，用于对干涉仪的一臂进行相位调制，便于后续的锁相解调出干涉信号的相位。基于3×3耦合器的马赫曾德耳(Mach Zehnder)干涉仪结构如图3,其包括50：50分束器33，用于入射光的50:50 分束，经过延迟光纤34，进入3×3耦合器进行干涉35，3×3耦合器的两个端口分别接入两个探测器36和37光接口，探测器采集的电信号接入高速采集模块。
80，30：70，受激布里渊吸收效应较小时，选择比例如50：50，40：60。
偏振分束平衡探测模块4：包括两个偏振分束器25和26以及两个平衡探测器27和28；
其中偏振分束器25和26将进入其中的核心干涉模块1输出拍频信号分解成偏振本征正交的快慢轴两个分量；其中两个偏振分束器25和26的快轴分量进入第一个平衡探测器27，慢轴分量进入第二个平衡探测器28；
高速光开关7，连接传感光缆10和11可以实现多路传感光缆的传感，拓展了系统的测试距离，便于形成大规模传感网络。
其具体技术方法和算法包括几个步骤：
第一步、激光器实时相位光频采集，对光源光频和相位监视模块采集的信号进行希尔伯特变换或三角函数变换和时频域变换得到各个时间点的激光器的光频或相位；
第二步、利用第一步实时采集的激光器的光频或相位的信号，采用非均匀快速傅立叶变换或补偿插值算法，对核心干涉模块的信号中包括偏振本征态的两路信号进行相位补偿，以抑制光频非线性和光源相位噪声对系统信噪比和空间分辨率的影响；
第三步、对经过第二步补偿后核心干涉模块的信号进行谱分析：以下两种方法中任一种方法对信号进行谱估计，其具体方法分为非参数化谱估计和参数化谱估计两种方法。其中第一种方法，非参数化谱估计方式的处理方法：对第二步处理后的信号采用窗函数：凯泽窗或高斯窗，来抑制信号旁瓣，然后采用先进窗技术：卷积窗和空间变迹法或切趾法对信号处理进一步抑制信号旁瓣；第二种方法另外采用参数化谱估计的方式：对第二步处理后的信号采用自回归滑动平均模型或自回归模型或多重信号分类等参数化方法对系统输出信号进行建模，实现系统超分辨率分析；
第四步、对第三步处理后的信号进行去噪处理，具体方法：小波去噪，维纳反卷积自适应去噪，中值去噪，形态学去噪，偏微分去噪和基于局部统计特征去噪；如图3是未采用第三步抑制旁瓣的先进窗技术和第四步去噪处理的信号，图3是采用第三步抑制旁瓣的先进窗技术和第四步去噪处理的信号
第五步、采用以下两种方法中任一种方法对第四步处理后的信号进行基于光纤分布式波片模型的偏振解算：
第一种方法：通过偏振产生器和偏振分束探测，已知输入和输出光的偏振态和琼斯向量，利用琼斯矩阵的相似矩阵求本征值法，这种方法只需在偏振产生模块输入两个偏振态，就得到测试光纤中各个小段的琼斯矩阵，即可得测试光纤中各个小段到线性双折射和线性双衰减；
第二种方法：通过偏振产生器和偏振分束探测，已知输入和输出光的斯托克斯向量，利用矩阵运算，得到测试光纤中各个小段的分布式穆勒矩阵，即可得测试光纤中各个小段的性双折射和线性双衰减，圆双折射。
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