CN116608936A - 一种可调分布式光纤传感性能提升装置、传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调分布式光纤传感性能提升装置、传感系统及方法，装置包括：窄线宽激光器、声光调制器、第一信号发生器以及频移环；窄线宽激光器配置为将窄线宽激光输出至声光调制器；第一信号发生器配置为产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成脉冲光；声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的脉冲函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成对应的脉冲光；频移环配置为对进入到其中的脉冲光进行多次循环移频，产生宽带宽多频光输出。该装置通过声光调制器调制产生MHz级的脉冲光，通过频移环多次循环移频产生GHz级的宽带宽多频光，将其应用于传感系统中，能够提高传感系统的响应带宽，提高传感测试的灵活性。

Description

一种可调分布式光纤传感性能提升装置、传感系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种可调分布式光纤传感性能提升装置、传感系统及方法。

背景技术

分布式光纤声波传感（Distributed optical fiber acoustic sensing，DAS）技术是一种利用光纤背向瑞利散射干涉效应探测声波的新型传感技术。除具有光纤传感系统共有的应用优势外（如本质无源，可在强电磁干扰、高温高压、化学腐蚀强等特殊环境下工作），DAS技术还可以很好的实现对光纤沿线的应变（振动、声波等）进行长距离的分布式的探测。其基本原理为：光在光纤中传输时，由于光纤在制造过程中无法做到质地完全均匀，入射光波会在光纤中发生弹性散射，产生瑞利散射光；当光纤受到如声波、压力等外界物理量作用时，光纤中的瑞利散射光相位会相应受到影响，通过解调瑞利散射光的相位信息，即可获得声波信息，实现对声波信息的分布式传感。

传统的DAS系统以单频脉冲光作为探测光，对光纤沿线进行遍历，从而建立空域和时域之间的一一映射关系。探测脉冲注入光纤后，以c/n（c为真空中光速，n为光纤折射率）的速度在光纤中传播，从而对光纤实现遍历；探测脉冲每到达光纤上一个区域，则对该处光纤该时刻所受环境扰动信息进行感知，随后通过瑞利散射方式，利用瑞利散射光将该信息回传至前端进行分析。通过光纤上不同位置的瑞利散射信号返回探测端的时间差异，建立空域和时域之间的一一映射关系，实现对光纤上每一点的扰动信息感知与定位。对光纤上任意一点z而言，系统对该处的扰动信息仅实现了周期为T（T为光脉冲遍历整段光纤的往返时间）的离散采样，而更多的时间处于信息盲区，对于长距离传感，系统响应带宽将极大受限。同时，系统空间分辨率受限于脉冲光的脉冲宽度，为实现高空间分辨率，需注入窄脉宽脉冲光，而脉宽越窄，光脉冲平均功率越低，系统信噪比越差，为保证系统信噪比不至过于劣化，一般需注入数十ns量级脉宽的脉冲光，仅可实现数米级空间分辨率。

针对传统单频脉冲型DAS系统响应带宽、空间分辨率等系统性能受限于传感原理的问题，现有的解决方案是注入多频光作为探测光，基于频分复用原理，突破单频光源系统最高理论频响限制，或基于脉冲压缩原理，提高空间分辨率，如产生宽带啁啾连续光来代替传统的单频光脉冲，实现对整段光纤的无时隙连续信息感知。例如：Jialin Jiang等人在Continuous chirped-wave phase-sensitive optical time domain reflectometry.Optics Letters, 2021, 46, 928-928.中实现了基于光外差相干原理的OFDR型DAS系统，该系统利用宽带连续函数信号发生器（GHz级）控制IQ电光调制器调制窄线宽激光源，产生宽带啁啾连续光（GHz级）作为探测光，以单频光作为本振光，通过相干探测重建任意频率在任意时刻的瑞利散射光场。对光纤上任意一点z而言，其每时每刻均受到啁啾连续光的探测，并产生瑞利散射信号，将该处的扰动信息加载的散射信号上并回传至接收端，可极大提高传感系统响应带宽。然而，该系统需要对传感光进行宽带宽连续调制，因此需要使用IQ电光调制器和宽带宽函数信号发生器，IQ电光调制虽可以实现宽带宽调制，但用于窄带宽调制时，其调制性能往往劣于声光调制器；宽带宽函数信号发生器不仅价格及其昂贵，且体积庞大难以集成与实用。

参考图9-11，IQ电光调制器由电光马赫增德尔调制器（MEM）和相位调制器集成而 成，相位调制器的工作原理为：当给电光材料施以外加电场，其产生的线性光电效应会引起 该材料折射率的变化，导致输入到波导区域中的光信号的相位改变，完成将射频信号的信 息加载到光载波上，实现相位调制。但是其输出光谱除了光载波以外还会产生包含频率为 f₀±f_S的一阶边带。MEM由两个相位调制器并联而成，通过调节直流偏置电压来选择合适的 偏置点，可以使调制器工作在不同的调制区域。如果要实现载波抑制单边带调制，其IQ两路 的直流偏压应相等且都工作在传输函数的最小工作点上，即满足，还要满 足Ｑ路的相位调制器的相位差固定在90度，即使控制IQ电光调制器工作在单边带调制模 式，然而使用其移频后仍会存在边带，其调制效果参考图12。

公布号为CN 114337808 A的中国发明专利公开了一种基于循环移频器的宽带高速光矢量分析仪，该专利中仍在环前使用电光调制器以及宽带宽信号发生器产生GHz级啁啾光，且频移环结构无法选择不同长度的延迟光纤，系统固化，无法实现啁啾参数的灵活调整。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种可调分布式光纤传感性能提升装置、传感系统及方法，该装置能够通过声光调制器和第一信号发生器将单频激光调制成MHz级窄带线性啁啾脉冲光，通过频移环循环移频产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上拼接成GHz级宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光；通过频移环内光开关选择不同长度的延迟光纤，能够使输出的宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光的啁啾速率、带宽等参数灵活可调，产生高调制质量、低成本、高集成度的宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光。

该装置还能通过声光调制器和第一信号发生器将单频激光调制成MHz级的单频脉冲，通过频移环循环移频产生具有一定时域间隔的GHz级宽带宽多频脉冲；通过频移环内光开关灵活调节输出的宽带宽多频脉冲光的时域间隔，能够实现不同响应带宽或空间分辨率提升效果。

将前述宽带多频光注入传感光纤后，能够实现DAS系统的高带宽或高空间分辨率传感探测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种可调分布式光纤传感性能提升装置，包括：窄线宽激光器、声光调制器、第一信号发生器以及频移环；

所述窄线宽激光器配置为将窄线宽激光输出至声光调制器；

所述第一信号发生器配置为产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成脉冲光；

所述声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的脉冲函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成对应的脉冲光；

所述频移环配置为对进入到其中的脉冲光进行多次循环移频，产生宽带宽多频光输出。

优选的，所述频移环包括耦合器、低噪声光放大器、至少两个光开关、多根不同长度的延迟光纤、声光移频器、第二信号发生器以及第三信号发生器；

所述频移环前经声光调制器调制后产生的脉冲光经耦合器进入到频移环中；

所述低噪声光放大器配置为补偿循环移频损耗；

所述第三信号发生器配置为产生第二电信号，以打开或关闭每个光开关的不同开关通道；

所述每个光开关配置为根据测试需求，在第二电信号的作用下，打开或关闭与不同长度延迟光纤连接的相应开关通道，使对应长度的延迟光纤接入频移环路，选择合适长度的延迟光纤；

所述第二信号发生器配置为产生第一电信号，以控制声光移频器，从而控制脉冲光在频移环内的移频次数；

所述声光移频器配置为根据第二信号发生器产生的第一电信号，对进入到声光移频器中的脉冲光进行移频；

所述脉冲光在频移环内多次循环移频后，产生宽带宽多频光，经耦合器输出。

优选的，所述第一信号发生器配置为产生窄带线性啁啾函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光；

所述声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的窄带线性啁啾函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光；

所述窄带线性啁啾脉冲光经耦合器进入到频移环中多次循环移频后，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接成宽带啁啾连续光或拼接成宽带啁啾脉冲光，经耦合器输出。

优选的，所述第一信号发生器配置为产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成单频脉冲光；

所述声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的脉冲函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成单频脉冲光；

所述单频脉冲光经耦合器进入到频移环中多次循环移频后，产生具有一定时域间隔或无时域间隔的宽带宽多频脉冲光，经耦合器输出。

一种基于可调分布式光纤传感性能提升装置的传感系统，该系统采用前述任一项的可调分布式光纤传感性能提升装置，该系统还包括分路器、环形器、传感光纤以及探测解调模块；

所述分路器配置为将窄线宽激光器产生的窄线宽激光分为两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路用于产生宽带宽多频光；

宽带宽多频光经环形器进入传感光纤，在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉；

所述探测解调模块配置为根据干涉光解调出传感光纤的振动信息。

一种基于可调分布式光纤传感性能提升装置的传感系统的传感性能提升方法，包括以下步骤：

打开窄线宽激光器，窄线宽激光器产生的窄线宽激光经分路器分为两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路进入到声光调制器中，第一信号发生器产生脉冲函数信号以控制声光调制器，将单频激光调制成对应的脉冲光；脉冲光经耦合器进入到频移环中，在频移环中进行多次循环移频，产生宽带宽多频光，宽带宽多频光经耦合器输出并注入传感光纤中；宽带宽多频光在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉，干涉光被探测解调模块探测解调，从而获得光纤振动信息。

采用上述方法，可使基于可调分布式光纤传感性能提升装置的传感系统的传感光纤内注入GHz级的宽带宽啁啾连续光或GHz级的一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光，从而提升传感系统的响应带宽，使传感系统灵活应用于不同测试需求的场合。优选的，传感系统响应带宽提升倍数为1~1000倍，宽带宽多频脉冲光（宽带宽啁啾连续光、宽带宽多频脉冲光）的总带宽为0.1~10GHz，宽带宽多频脉冲光中各频率成分脉冲时域间隔为0.1~48.67us。

采用上述方法，还可使传感系统的传感光纤内注入啁啾脉冲光或无时域间隔（理想无时域间隔，实际会有窄时域间隔）的脉冲光，从而提高传感系统的空间分辨率性能，使传感系统灵活应用于不同测试需求的场合。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过设置声光调制器、第一信号发生器和频移环，声光调制器和第一信号发生器对窄线宽激光器产生的单频激光调制成MHz级窄带线性啁啾脉冲光，线性啁啾脉冲光进入频移环中循环移频，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上拼接成GHz级宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光注入传感光纤，频移环包括耦合器、低噪声光放大器、多个光开关、多根不同长度的延迟光纤、声光移频器以及第二信号发生器；能够通过多个光开关选择不同长度的延迟光纤，控制移频环路的光纤长度，使啁啾连续光或脉冲光的啁啾速率、带宽等参数灵活可调。将该啁啾连续光或脉冲光应用于DAS系统，可按测试需求提高系统带宽响应或空间分辨率性能，灵活应用于不同测试需求的场合。

通过声光调制器和第一信号发生器对窄线宽激光器产生的单频激光调制成MHz级单频脉冲光，单频脉冲光进入频移环中循环移频，产生GHz级宽带宽多频脉冲光注入传感光纤，频移环包括耦合器、低噪声光放大器、多个光开关、多根不同长度的延迟光纤、声光移频器以及第二信号发生器；能够通过多个光开关选择不同长度的延迟光纤，控制移频环路的光纤长度，使输出脉冲时域间隔灵活可调。将该宽带宽多频光应用于DAS系统，可按测试需求提高系统响应带宽或空间分辨率性能，灵活应用于不同测试需求的场合。

附图说明

图1是本发明示例性实施例的基于可调分布式光纤传感性能提升装置的分布式光纤声波传感系统结构示意图。

图2是本发明另一示例性实施例的基于可调分布式光纤传感性能提升装置的分布式光纤声波传感系统结构示意图。

图3是本发明示例性实施例的窄线宽激光器经声光调制器调制后产生的窄带线性啁啾脉冲光示意图。

图4是图3的窄带线性啁啾脉冲光经频移环循环移频后产生的啁啾连续光示意图。

图5是图3的窄带线性啁啾脉冲光经频移环循环移频后产生的啁啾脉冲光示意图。

图6是本发明示例性实施例的窄线宽激光器经声光调制器调制后产生的单频脉冲光示意图。

图7是图6的单频脉冲光经频移环循环移频后产生的多频脉冲光示意图。

图8是图6的单频脉冲光经频移环循环移频后产生的无时域间隔多频脉冲光示意图。

图9是现有电光相位调制器结构示意图。

图10是现有电光马赫增德尔调制器（MEM）结构示意图。

图11是现有IQ电光调制器结构示意图。

图12是IQ电光调制器的调制效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明示例性实施例的可调分布式光纤传感性能提升装置包括窄线宽激光器、声光调制器、第一信号发生器（信号发生器1）以及频移环；

窄线宽激光器产生的窄线宽激光（单频）进入到声光调制器中，经声光调制器调制，形成窄带线性啁啾脉冲光；第一信号发生器配置为产生窄带线性啁啾函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光；线性啁啾脉冲光进入到频移环中，在频移环中进行多次循环频移，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接成宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光输出。

本发明通过声光调制器将窄线宽激光器产生的单频激光调制成MHz级的窄带线性啁啾脉冲光，窄带线性啁啾脉冲光通过频移环循环移频产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上拼接成GHz级的宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光，能够提高调制质量，低成本、高集成度地输出宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光。

参考图1，频移环包括耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、多根不同长度的延迟光纤、第二光开关、声光移频器、第二信号发生器（信号发生器2）以及第三信号发生器（信号发生器3）；耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、多根不同长度的延迟光纤（每根延迟光纤的两端分别与对应的第一光开关、第二光开关的开关通道连接）、第二光开关和声光移频器依次连接成环路结构；第二信号发生器配置为产生第一电信号以控制声光移频器，从而控制线性啁啾脉冲光在频移环中的移频次数；低噪声光放大器配置为补偿循环移频损耗；第三信号发生器配置为产生第二电信号，以打开或关闭第一光开关、第二光开关的不同开关通道；第一光开关、第二光开关配置为根据测试需求，在第二电信号的作用下，打开或关闭与不同长度延迟光纤连接的相应开关通道，选择合适长度的延迟光纤。

声光调制器调制后的线性啁啾脉冲光经耦合器进入到频移环中，经低噪声光放大器、第一光开关、延迟光纤、第二光开关和声光移频器多次循环移频，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接成宽带啁啾连续光或啁啾脉冲光，经耦合器输出。线性啁啾脉冲光的啁啾带宽与频移环内声光移频器的固定移频量相同，线性啁啾脉冲光和时域上无缝拼接成的宽带啁啾连续光、啁啾脉冲光分别参考图3、图4和图5。

对于不同测试需求的场合，可根据测试需求，通过第一光开关、第二光开关选择符合测试要求的长度延迟光纤，从而控制频移环内光纤长度，灵活改变输出啁啾连续光或啁啾脉冲光的啁啾速率、带宽等参数；将该啁啾连续光或啁啾脉冲光应用于分布式传感系统，可根据测试需求提高系统响应带宽或空间分辨率性能。

在使用过程中，还可根据测试需求，在频移环内设置两个以上光开关和不同长度延迟光纤（参考图2），通过多个光开关控制不同长度延迟光纤接入频移环，灵活实现不同长度等效延迟光纤，改变移频环内的光纤长度。

采用图1或图2的可调分布式传感性能提升装置，还可以产生具有一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光，该宽带宽多频脉冲光的时域间隔灵活可调；将其应用于分布式传感系统中，能够根据测试需求提高系统响应带宽或空间分辨率性能；该宽带宽多频脉冲光的产生过程为：窄线宽激光器产生的窄线宽激光（单频）进入到声光调制器中，第一信号发生器产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成单频脉冲光，单频脉冲光经耦合器进入到频移环中，经频移环多次循环移频后，产生具有一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光，经耦合器输出。单频脉冲光和具有一定时域间隔、无时域间隔的宽带宽多频脉冲光分别参考图6、图7和图8。

声光移频器的基本工作原理是基于声光相互作用，声光相互作用是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度，频率和方向等将随着超声场的变化而变化；当声频较高，声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面之间满足一定的条件时介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或-1级，视入射光方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。令+1级衍射光（移频光）的衍射效率为：

其中，I₁为1级衍射光强度，I_in为入射光强度，为由声光互作用所引起的相移，它 反映声光互作用的强弱，如下式：

其中，为1级衍射的动量失配，L为声光互作用区的宽度。

当入射光按照布拉格角入射即时，有：

当时，，入射光能量全部转换为移频光，其能量可以充分应用。

本发明还提供了一种基于可调分布式光纤传感性能提升装置的分布式光纤声波传感系统，该传感系统可应用于不同测试需求的场合，继续参考图1，该传感系统包括窄线宽激光器、分路器、声光调制器、第一信号发生器、耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、多根不同长度的延迟光纤、第二光开关、声光移频器、第二信号发生器、第三信号发生器、环形器、传感光纤及探测解调模块。

窄线宽激光器产生的单频激光经由分路器分成两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路经声光调制器调制，形成窄带线性啁啾脉冲光，第一信号发生器产生窄带线性啁啾函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光，啁啾脉冲光经耦合器进入频移环（耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、延迟光纤、第二光开关、声光移频器、第二信号发生器、第三信号发生器）进行移频；第二信号发生器用于产生第一电信号，以控制声光移频器，从而控制循环移频次数；第三信号发生器用于产生第二电信号，第二电信号控制第一光开关、第二光开关打开或关闭与多根不同长度的延迟光纤连接的相应开关通道，选择合适长度的延迟光纤；低噪声光放大器用于补偿循环损耗；啁啾脉冲光经过多次循环移频后，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接，最终经耦合器输出啁啾连续光，啁啾连续光经环形器进入传感光纤，在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉，干涉光被探测解调模块探测解调，从而获得光纤振动信息。

通过在频移环内设置光开关（第一光开关、第二光开关）和不同长度的延迟光纤，能够根据传感系统的不同测试需求，通过光开关灵活选择不同长度的延迟光纤，改变移频环内的光纤长度，从而灵活调整啁啾连续光的啁啾速率、带宽等参数，提高传感系统的响应带宽，使该传感系统适用于不同测试需求的场合。

第一光开关、第二光开关选择不同长度的延迟光纤的过程为：

根据传感系统的测试需求，由第三信号发生器产生第二电信号，控制第一光开关、第二光开关与延迟光纤连接的相应开关通道；第二电信号使第一光开关和第二光开关的相应开关通道同时打开、同时关闭。

当延迟光纤1为适宜长度延迟光纤时，信号发生器3输出的电信号控制第一光开关通道1、第二光开关通道1同时打开，延迟光纤1接入移频环路，其余延迟光纤与环路断开；当延迟光纤2为适宜长度延迟光纤时，信号发生器3输出的电信号控制第一光开关通道2、第二光开关通道2同时打开，延迟光纤2接入移频环路，其余延迟光纤与环路断开；……，当延迟光纤n为适宜长度延迟光纤时，信号发生器3输出的电信号控制第一光开关通道n、第二光开关通道n同时打开，延迟光纤n接入移频环路，其余延迟光纤与环路断开。

频移环中延迟光纤长度的设置原则为：

啁啾连续光周期应满足：

其中，n为光纤折射率，L为传感光纤长度，为系统空间分辨率，c为真空中光速。

设频移环前的单频激光经声光调制器调制后产生的啁啾脉冲脉宽为，周期为 ，则需利用光开关（第一光开关、第二光开关）选择延迟光纤长度，使光经频移环一周的时长满足：

其中，L_c为频移环中除延迟光纤外其余所有器件光纤总长度，L_d为延迟光纤长度。

设频移环内声光移频器的移频步长为B=50MHz，循环移频次数为m=39，则总移频带宽B_a=(m+1)*B=2GHz。

啁啾连续光周期、啁啾脉冲脉宽、啁啾脉冲周期、循环移频次数m，满足以下 关系：

因此，延迟光纤长度与传感光纤长度满足以下关系：

设系统空间分辨率为，循环移频次数为m=39，频移环中除延迟光纤外其余 所有器件光纤总长度L_c=20m。

依造上述原理，则可针对传感光纤的常见应用场景，预先设置不同长度延迟光纤。例如，传感光纤与延迟光纤的对应设置关系如表1所示：

表1传感光纤与延迟光纤的对应设置关系

传感光纤长度（km）	延迟光纤长度（km）
		100	4.991
70	3.481
		50	2.481
20	0.981
		10	0.481
5	0.231
		3	0.131
2	0.081
		1	0.031

设传感光纤的长度为1~100km，通过光开关选择不同长度的延迟光纤后，该传感系统的传感光纤内注入的啁啾连续光的总带宽为0.1~10GHz，根据频移环中延迟光纤长度的设置原则，啁啾连续光的啁啾周期为9.77~973us。

继续参考图1，该传感系统中的传感光纤内还可注入具有一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光，通过宽带宽多频脉冲光来提高传感系统的响应带宽，使该传感系统灵活运用于不同测试需求的场合。

其具体的过程为：

窄线宽激光器产生的激光经由分路器分成两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路经声光调制器调制，形成单频脉冲光，信号发生器产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成单频脉冲光，单频脉冲光经耦合器进入频移环（耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、延迟光纤、第二光开关、声光移频器、第二信号发生器和第三信号发生器）进行多次循环移频；第二信号发生器用于产生第一电信号，以控制声光移频器，从而控制循环移频次数；第三信号发生器用于产生第二电信号，第二电信号控制第一光开关、第二光开关打开或关闭与多根不同长度的延迟光纤连接的相应开关通道，选择合适长度的延迟光纤；低噪声光放大器用于补偿循环损耗；单频脉冲光经过多次循环移频后，产生时域间隔相等的宽带多频脉冲，宽带多频脉冲经环形器进入传感光纤，在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉，干涉光被探测解调模块探测解调，从而获得光纤振动信息。

第一光开关、第二光开关选择不同长度的延迟光纤的过程前面已具体描述，此处不再赘述。

在该传感系统中，单周期内任意两脉冲时域间隔t₁由频移环内延迟光纤长度确定，延迟光纤长度固定后，单周期内脉冲时域间隔固定；第n周期最后一脉冲与第n+1周期第一脉冲的时域间隔t₂由周期时长、循环次数和延迟光纤长度共同决定。当系统工作于响应带宽提升模式，产生图7中用于提升系统响应带宽的多频脉冲，需控制各参数，使每周期产生的最后一个脉冲与下一周期初始脉冲时域间隔与周期内任意两脉冲时域间隔相同。系统响应带宽提升效果由单周期中脉冲数决定。

当传感光纤内注入时域间隔相等的宽带多频脉冲光时，延迟光纤长度的设置原则为：

设根据测试需求，宽带宽多频脉冲注入传感光纤后，传感系统的响应带宽相较于将单频脉冲注入传感光纤提升k倍，则循环移频次数应为m=k-1次。

传感系统使用的多频脉冲周期为应满足：

其中，n为光纤折射率，L为传感光纤长度，为系统空间分辨率，c为真空中光速。

设多频脉冲中各频率成分脉冲时域间隔为，则有：

其中，L_c为频移环中除延迟光纤外其余所有器件光纤总长度，L_d为延迟光纤长度。

则多频脉冲周期、多频脉冲中各频率成分脉冲时域间隔、循环移频次数m满足 以下关系

因此，延迟光纤长度、传感光纤长度满与目标带宽提升倍数满足以下关系：

依造上述原理，则可针对传感光纤的常见应用场景，预先设置不同长度延迟光纤。例如，传感光纤与延迟光纤的对应设置关系如表2所示：

表2 传感光纤与延迟光纤的对应设置关系

传感光纤长度（km）	延迟光纤长度（km）
		100	4.981
70	3.481
		50	2.481
20	0.981
		10	0.481
5	0.231
		3	0.131
2	0.081
		1	0.031

设传感光纤长度固定为50km，系统空间分辨率为，频移环中除延迟光纤外 其余所有器件光纤总长度L_c=20m。则目标带宽提升倍数与延迟光纤的对应设置关系如表3 所示：

表3 目标带宽提升倍数与延迟光纤的对应设置关系

目标带宽提升倍数	延迟光纤长度（km）
		10	9.981
20	4.981
		30	3.314
40	2.481
		50	1.981
100	0.981
		1000	0.081

该传感系统中的传感光纤中注入的具有一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光的总带宽为0.1~10GHz，宽带宽多频脉冲光的各频率成分脉冲的时域间隔为0.1~48.67us，传感系统的响应带宽能够提高1~1000倍。

继续参考图1，该传感系统中的传感光纤内还可注入宽带宽啁啾脉冲光，通过宽带宽啁啾脉冲光来提高传感系统空间分辨率，使该传感系统灵活运用于不同测试需求的场合。

宽带宽啁啾脉冲光的产生过程和宽带宽啁啾连续光的产生过程大致相同，不同之处在于频移环多次循环移频后产生的多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接后，经耦合器输出啁啾脉冲光。

当传感光纤内注入宽带宽啁啾脉冲光时，延迟光纤长度的设置原则为选择最短长度延迟光纤。

第一光开关、第二光开关选择不同长度的延迟光纤的过程前面已具体描述，此处不再赘述。

继续参考图1，该传感系统中的传感光纤内还可注入具有无时域间隔的宽带宽多频脉冲光，通过宽带宽多频脉冲光来提高传感系统的空间分辨率，使该传感系统灵活运用于不同测试需求的场合。

当传感系统工作于空间分辨率模式时，产生图8中用于提升系统空间分辨率的宽带多频脉冲，此时通过频移环内光开关选择延迟光纤以适配所设脉冲宽度，使各脉冲时域间隔尽可能小，也可认为是无时域间隔（理想无时域间隔，实际会有窄时域间隔）。系统空间分辨率的提升效果由产生的多频脉冲频域带宽决定。

当传感光纤内注入无时域间隔的宽带多频脉冲光时，延迟光纤长度的设置原则为选择最短长度延迟光纤。

第一光开关、第二光开关选择不同长度的延迟光纤的过程前面已具体描述，此处不再赘述。

本发明还提供了另一种基于可调分布式光纤传感性能提升装置的分布式光纤声波传感系统，该传感系统可应用于不同测试需求的场合，参考图2，该传感系统包括窄线宽激光器、分路器、声光调制器、第一信号发生器、耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、第二光开关……第n光开关（n>2）、不同长度延迟光纤、声光移频器、第二信号发生器、第三信号发生器、环形器、传感光纤及探测解调模块。

窄线宽激光器产生的单频激光经由分路器分成两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路经声光调制器调制，形成窄带线性啁啾脉冲光，第一信号发生器产生窄带线性啁啾函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光，啁啾脉冲光经耦合器进入频移环（耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、第二光开关……第n光开关、延迟光纤、声光移频器、第二信号发生器、第三信号发生器）进行移频；第二信号发生器用于产生第一电信号，以控制声光移频器，从而控制循环移频次数；第三信号发生器用于产生第二电信号，第二电信号控制第一光开关打开通道1（关闭通道2）或打开通道2（关闭通道1）；第二电信号控制第二光开关打开通道1、3（关闭通道2、4）或打开通道2、3（关闭通道1、4）或打开通道1、4（关闭通道2、3）或打开通道2、4（关闭通道1、3）；第二电信号控制第三光开关打开通道1、3（关闭通道2、4）或打开通道2、3（关闭通道1、4）或打开通道1、4（关闭通道2、3）或打开通道2、4（关闭通道1、3）……第二电信号控制第n光开关打开通道1（关闭通道2）或打开通道2（关闭通道1），选择合适长度的延迟光纤；低噪声光放大器用于补偿循环损耗；啁啾脉冲光经过多次循环移频后，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接，最终经耦合器输出啁啾连续光，啁啾连续光经环形器进入传感光纤，在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉，干涉光被探测解调模块探测解调，从而获得光纤振动信息。

通过在频移环内设置光开关（第一光开关、第二光开关……第n光开关）和不同长度延迟光纤，能够根据传感系统的不同测试需求，通过多个光开关控制不同长度延迟光纤接入频移环，灵活实现不同长度等效延迟光纤，改变移频环内的光纤长度，从而灵活调整啁啾连续光的啁啾速率、带宽等参数，提高传感系统的响应带宽，使该传感系统适用于不同测试需求的场合。

第一光开关、第二光开关……第n光开关选择不同长度等效延迟光纤的过程为：

根据传感系统的测试需求，第三信号发生器产生第二电信号，第二电信号控制第一光开关打开通道1（关闭通道2）或打开通道2（关闭通道1）；第二电信号控制第二光开关打开通道1、3（关闭通道2、4）或打开通道2、3（关闭通道1、4）或打开通道1、4（关闭通道2、3）或打开通道2、4（关闭通道1、3）；第二电信号控制第三光开关打开通道1、3（关闭通道2、4）或打开通道2、3（关闭通道1、4）或打开通道1、4（关闭通道2、3）或打开通道2、4（关闭通道1、3）……第二电信号控制第n光开关打开通道1（关闭通道2）或打开通道2（关闭通道1）。

延迟光纤1长度为L₁；延迟光纤2长度为L₂；延迟光纤3长度为L₃……延迟光纤n-1长度为L_n-1。

当L₁为适宜长度延迟光纤时，信号发生器3输出的电信号控制第一光开关通道1打开，第二光开关通道1、通道4打开，第三光开关通道2、通道4打开……第n光开关通道2打开，此时，延迟光纤1接入环路，其余延迟光纤与环路断开；

当L₁+L₃为适宜长度延迟光纤时，信号发生器3输出的电信号控制第一光开关通道1打开，第二光开关通道1、通道4打开，第三光开关通道3、通道4打开，第四光开关通道1、通道4打开……第n光开关通道2打开，此时，延迟光纤1、延迟光纤3接入环路，其余延迟光纤与环路断开；

……

当L₁+L₂+L₃+……L_n-1为适宜长度延迟光纤时，信号发生器3输出的电信号控制第一光开关通道1打开，第二光开关通道1、通道3打开，第三光开关通道1、通道3打开，第四光开关通道1、通道3打开……第n光开关通道1打开，此时，延迟光纤1、延迟光纤2、延迟光纤3……延迟光纤n接入环路，其余延迟光纤与环路断开。

相较于前述实施例，可使用长度更短的延迟光纤实现更多的等效长度延迟光纤。

频移环中延迟光纤长度的设置原则前面已具体描述，此处不再赘述。

继续参考图2，该传感系统中的传感光纤内还可注入具有一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光，通过宽带宽多频脉冲光来提高传感系统的响应带宽，使该传感系统灵活运用于不同测试需求的场合。

其具体的过程为：

窄线宽激光器产生的激光经由分路器分成两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路经声光调制器调制，形成单频脉冲光，信号发生器产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成单频脉冲光，单频脉冲光经耦合器进入频移环（耦合器、低噪声光放大器、第一光开关、第二光开关……第n光开关、不同长度延迟光纤、声光移频器、第二信号发生器和第三信号发生器）进行多次循环移频；第二信号发生器用于产生第一电信号，以控制声光移频器，从而控制循环移频次数；第三信号发生器用于产生第二电信号，第二电信号控制第一光开关、第二光开关……第n光开关打开或关闭与多根不同长度的延迟光纤连接的相应开关通道，选择合适长度的延迟光纤；低噪声光放大器用于补偿循环损耗；单频脉冲光经过多次循环移频后，产生时域间隔相等的宽带多频脉冲，宽带多频脉冲经环形器进入传感光纤，在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉，干涉光被探测解调模块探测解调，从而获得光纤振动信息。

第一光开关、第二光开关……第n光开关选择不同长度的延迟光纤的过程前面已具体描述，此处不再赘述。

继续参考图2，该传感系统中的传感光纤内还可注入宽带宽啁啾脉冲光，通过宽带宽啁啾脉冲光来提高传感系统空间分辨率，使该传感系统灵活运用于不同测试需求的场合。

该传感系统中宽带宽啁啾脉冲光的产生过程和宽带宽啁啾连续光的产生过程大致相同，不同之处在于频移环多次循环移频后产生的多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接后，经耦合器输出啁啾脉冲光。

当传感光纤内注入宽带宽啁啾脉冲光时，延迟光纤长度的设置原则为选择最短长度延迟光纤。

第一光开关、第二光开关……第n光开关选择不同长度的延迟光纤的过程前面已具体描述，此处不再赘述。

继续参考图2，该传感系统中的传感光纤内还可注入具有无时域间隔的宽带宽多频脉冲光，通过宽带宽多频脉冲光来提高传感系统的空间分辨率，使该传感系统灵活运用于不同测试需求的场合。

当传感系统工作于空间分辨率模式时，产生图8中用于提升系统空间分辨率的宽带多频脉冲，此时通过频移环内光开关选择延迟光纤以适配所设脉冲宽度，使各脉冲时域间隔尽可能小，也可认为是无时域间隔（理想无时域间隔，实际会有窄时域间隔）。系统空间分辨率的提升效果由产生的多频脉冲频域带宽决定。

当传感光纤内注入无时域间隔的宽带多频脉冲光时，延迟光纤长度的设置原则为选择最短长度延迟光纤。

第一光开关、第二光开关……第n光开关选择不同长度的延迟光纤的过程前面已具体描述，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调分布式光纤传感性能提升装置，其特征在于，包括：窄线宽激光器、声光调制器、第一信号发生器以及频移环；

所述窄线宽激光器配置为将窄线宽激光输出至声光调制器；

所述第一信号发生器配置为产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成脉冲光；

所述声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的脉冲函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成对应的脉冲光；

所述频移环配置为对进入到其中的脉冲光进行多次循环移频，产生宽带宽多频光输出。

2.根据权利要求1所述的可调分布式光纤传感性能提升装置，其特征在于，所述频移环包括耦合器、低噪声光放大器、至少两个光开关、多根不同长度的延迟光纤、声光移频器、第二信号发生器以及第三信号发生器；

所述频移环前经声光调制器调制后产生的脉冲光经耦合器进入到频移环中；

所述低噪声光放大器配置为补偿循环移频损耗；

所述第三信号发生器配置为产生第二电信号，以打开或关闭每个光开关的不同开关通道；

所述每个光开关配置为根据测试需求，在第二电信号的作用下，打开或关闭与不同长度延迟光纤连接的相应开关通道，使对应长度的延迟光纤接入频移环路，选择合适长度的延迟光纤；

所述第二信号发生器配置为产生第一电信号，以控制声光移频器，从而控制脉冲光在频移环内的移频次数；

所述声光移频器配置为根据第二信号发生器产生的第一电信号，对进入到声光移频器中的脉冲光进行移频；

所述脉冲光在频移环内多次循环移频后，产生宽带宽多频光，经耦合器输出。

3.根据权利要求2所述的可调分布式光纤传感性能提升装置，其特征在于，所述第一信号发生器配置为产生窄带线性啁啾函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光；

所述声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的窄带线性啁啾函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成窄带线性啁啾脉冲光；

所述窄带线性啁啾脉冲光经耦合器进入到频移环中多次循环移频后，产生多个窄带啁啾脉冲，多个窄带啁啾脉冲在时域上无缝拼接成宽带啁啾连续光或宽带啁啾脉冲光，经耦合器输出。

4.根据权利要求2所述的可调分布式光纤传感性能提升装置，其特征在于，所述第一信号发生器配置为产生脉冲函数信号，函数信号控制声光调制器，将单频激光调制成单频脉冲光；

所述声光调制器配置为根据第一信号发生器产生的脉冲函数信号，将进入到声光调制器中的单频激光调制成单频脉冲光；

所述单频脉冲光经耦合器进入到频移环中多次循环移频后，产生具有一定时域间隔或无时域间隔的宽带宽多频脉冲光，经耦合器输出。

5.一种基于可调分布式光纤传感性能提升装置的传感系统，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的可调分布式光纤传感性能提升装置、分路器、环形器、传感光纤以及探测解调模块；

所述分路器配置为将窄线宽激光器产生的窄线宽激光分为两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路用于产生宽带宽多频光；

宽带宽多频光经环形器进入传感光纤，在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉；

所述探测解调模块配置为根据干涉光解调出传感光纤的振动信息。

6.一种基于可调分布式光纤传感性能提升装置的传感系统的传感性能提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

打开窄线宽激光器，窄线宽激光器产生的窄线宽激光经分路器分为两路，第一路进入到探测解调模块中，第二路进入到声光调制器中，第一信号发生器产生脉冲函数信号以控制声光调制器，将单频激光调制成对应的脉冲光；脉冲光经耦合器进入到频移环中，在频移环中进行多次循环移频，产生宽带宽多频光，宽带宽多频光经耦合器输出并注入传感光纤中；宽带宽多频光在传感光纤中发生瑞利散射，产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光返回环形器，经环形器进入探测解调模块，与第一路激光发生干涉，干涉光被探测解调模块探测解调，从而获得光纤振动信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当传感光纤中注入宽带啁啾连续光时，频移环内的延迟光纤长度的设置方法为：

啁啾连续光周期应满足：

；

其中，n为光纤折射率，L为传感光纤长度，为系统空间分辨率，c为真空中光速；

设频移环前的单频激光经声光调制器调制后产生的啁啾脉冲脉宽为，周期为，通过第一光开关、第二光开关选择延迟光纤长度，使光经频移环一周的时长满足：

；

其中，L_c为频移环中除延迟光纤外其余所有器件光纤总长度，L_d为延迟光纤长度；

设频移环内声光移频器的移频步长为B，循环移频次数为m，则总移频带宽B_a=(m+1)*B；

啁啾连续光周期、啁啾脉冲脉宽、啁啾脉冲周期、循环移频次数m，满足以下关系：

；

因此，延迟光纤长度与传感光纤长度满足以下关系：

。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当传感光纤内注入具有一定时域间隔的宽带宽多频脉冲光时，频移环内的延迟光纤长度的设置方法为：

设根据测试需求，宽带宽多频脉冲光注入传感光纤后，传感系统的响应带宽相较于将单频脉冲注入传感光纤提升k倍，则循环移频次数应为m=k-1次；

传感系统使用的多频脉冲周期为应满足：

；

其中，n为光纤折射率，L为传感光纤长度，为系统空间分辨率，c为真空中光速；

设多频脉冲中各频率成分脉冲时域间隔为，则有：

；

其中，L_c为频移环中除延迟光纤外其余所有器件光纤总长度，L_d为延迟光纤长度；

则多频脉冲周期、多频脉冲中各频率成分脉冲时域间隔、循环移频次数m满足以下关系：

；

因此，延迟光纤长度、传感光纤长度满与目标带宽提升倍数满足以下关系：

。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当频移环包括第一光开关和第二光开关时，在循环移频过程中，根据第三信号发生器产生的第二电信号打开或关闭第一光开关、第二光开关与不同长度延迟光纤连接的相应开关通道，选择不同长度的延迟光纤；

当频移环包括两个以上光开关时，在循环移频过程中，根据第三信号发生器产生的第二电信号打开或关闭每个光开关与不同长度延迟光纤连接的相应开关通道，选择不同长度的等效延迟光纤。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述可调分布式光纤传感性能提升装置的传感系统响应带宽提升倍数为1~1000倍，所述宽带宽多频脉冲光的总带宽为0.1~10GHz，所述宽带宽多频脉冲光中各频率成分脉冲时域间隔为0.1~48.67us。