[发明专利]一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置和方法

权利要求书

1.一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2光纤耦合器(2)、数字调制信号产生装置(3)、移频脉冲调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、2×2光纤耦合器(8)、光电平衡探测器(9)、信号采集装置(10)和信号处理装置(11)，所述光源(1) 与所述1×2光纤耦合器(2)的输入端连接，所述1×2光纤耦合器(2)具有两路输出端，一路输出端作为信号光输出端，依序分别连接所述掺铒光纤放大器(5)、所述光纤环行器(6)、所述传感光纤(7)；另一路输出端作为本地 参考光输出端，依序连接所述2×2光纤耦合器(8)的输入端、所述光电平衡探测器(9)、所述信号采集装置(10)和所述信号处理装置(11)；所述2×2光纤耦合器(8)的另一输入端与所述光纤环行器(6)连接；其中：

光源(1)发出的频率为f₀的连续激光经过1×2光纤 耦合器(2)，分为本地参考光和信号光两路光：信号光经过由数字调制信号产生装置(3)控制的移频脉冲调制器(4)，被调制为全数字正交相移脉冲，含有光频率分别为f₀+f₁、f₀+f₂和f₀+f₃ ， 初始相位分别为0°、0°和90°以及宽度均为W的全数字正交相移脉冲；所述全数字正交相移脉冲先后经过掺铒光纤放大器(5)放大、光纤环行器(6)传输，被注入传感光纤(7)中沿传感光纤(7)传输，并在传感光纤(7)各处依次产生后向瑞利散射再沿传感光纤(7)返回，含有用于解调传感光纤各处相位信息的光频率为f₀+f₁、f₀+f₂和f₀+f₃的全数字正交相移脉冲信号一同经过光纤环行器(6)返回后到达2×2光纤耦合器(8)，与本地参考光混合干涉；三种频率的光信号分别与本地参考光在2×2光纤耦合器(8)中混合干涉，输出用于减弱共模噪声的两路反相光强信号，由光电平衡探测器(9)接收并转化为电压信号，经过信号采集装置(10)和信号处理装置(11)，得到传感光纤(7)中的各位置振动信息。

2.一种全数字正交相移脉冲COTDR传感方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、光源发出频率为f₀的连续激光经过1×2光纤耦合器分为本地参考光和信号光两路光；信号光经过由数字调制信号产生装置控制的移频脉冲调制器，被调制成为全数字相移脉冲，在每个重复周期T 中含有3个宽度为W脉冲信号，其中移频为f₁和f₃的调制信号同时发出，移频为f₂的调制信号间隔W₀发出，频率为f₁、f₂和f₃的三个调制信号初始相位分别为0°、0°和90°，其中f₁、f₂和f₃满足f₂-f₁＝f₃-f₂＝Δf，Δf为脉冲移频的差值；数字相移脉冲含有光频率分别为f₀+f₁、f₀+f₂和f₀+f₃宽度均为W的数字相移光脉冲，光频率f₀+f₁和f₀+f₃的脉冲同时发出，光频率为f₀+f₂的脉冲间隔W₀发出；

步骤二、全数字相移光脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环行器，然后被注入传感光纤中，数字相移光脉冲在传感光纤中分别发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回；含有用于解调传感光纤各处相位信息的光频率为f₀+f₁、f₀+f₂和f₀+f₃的光信号一同经过环行器返回后到达2×2光纤耦合器，与本地参考光混合干涉；

步骤三、频率为f₁、f₂和f₃的光信号分别与本地参考光在2×2光纤耦合器中混合干涉后，输出用于减弱共模噪声的两路反相光强信号S₊、S_-，由光电平衡探测器接收并转化为电压信号S：

其中，和分别为距离传感光纤起点Z和Z+L处的相位信息，A₁(t)、A₂(t)、A₃(t)分别为三种频率信号的包络，t为时间，为差分相位对应两点间距离，n为光纤有效折射率，c为真空中光速；

步骤四、电压信号S经过中心频率为f₁、f₂和f₃的数字带通滤波分别得到信号S₁、S₂、S₃：

S₁和S₃经过去包络处理，再分别与S₂数字混频和低通滤波，构造数字正交信号I和Q：

其中，为差分相位，与位置在Z～Z+L间的传感光纤应变成正比，将构造得到的数字正交信号I和Q，按Q+i·I构造信号，并求复数相角，得到差分相位Φ(Z)，进而通过监测其随时间变化，获得传感光纤各处振动信息。