偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》是天津大學於2011年8月18日申請的專利，該專利的公布號為CN102322880A，授權公布日為2012年1月18日，發明人是劉鐵根、劉琨、丁振揚、江峻峰、李定傑。

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》解調方法上採用光頻非線性及光源相位噪聲的抑制和補償，超分辨分析方法，先進去噪方法以及基於光纖分散式波片模型的瓊斯和穆勒矩陣的偏振解算方法實現感測光纜中偏振信息提取。

2018年12月26日，《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》獲得第二十屆中國專利獎金獎。

（概述圖為《神經網路模型壓縮方法以及裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法
• 公告號：CN102322880A
• 授權日：2012年1月18日
• 申請號：2011102374176
• 申請日：2011年8月18日
• 申請人：天津大學
• 地址：天津市南開區衛津路92號
• 發明人：劉鐵根、劉琨、丁振揚、江峻峰、李定傑
• Int.Cl.：G01D5/30(2006.01)I
• 代理機構：天津佳盟智慧財產權代理有限公司12002
• 代理人：侯力、李益書
• 類別：發明專利

專利背景

套用於長距離光纖分散式擾動、應力感測，主要技術方案有雷射干涉方法、相位敏感光時域反射方法和偏振敏感光時域反射方法，這些方法都存在測試距離短（<80千米），本課題針對目前全光纖分散式擾動感測技術：測試距離短（小於80千米）、空間解析度低（大於10米）、單點分立等缺陷。

由於上述技術的缺陷，將偏振特性提取與控制技術和光頻域反射（OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry）相結合，提出了基於偏振敏感的光頻域反射擾動技術和裝置（P-OFDR）。

在用於光纖通訊網路測試以及應力、溫度、擾動感測等領域的已知的技術光頻域反射技術）採用高相干雷射器進行高速和線性掃描波長，參考臂是由法拉第反射鏡反射的光與單模光纖背向散射光（瑞利反射光）相干。由於二者的光程不同，干涉端實際是不同頻率的兩臂光進行干涉，形成拍頻。通過探測不同的拍頻信號，就可以探測感測光纖不同位置的背向散射信息。

發明內容

專利原理

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》基本原理是偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置的基本原理是利用光頻域反射方法和偏振敏感檢測擾動方法的結合。

其中光頻域反射方法其採用光外差干涉技術，採用超窄線寬雷射器進行高速和線性掃描波長，參考臂是由反射鏡反射的光與單模光纖背向散射光（瑞利反射光）相干。由於二者的光程不同，干涉端實際是，不同頻率的兩臂光進行干涉，形成拍頻。不同頻率的拍頻信號對應感測光纖不同位置。通過FFT變換就可以得到不同位置的背向瑞利散射信息。

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》裝置在傳統光頻域反射方法裝置上加入了光源光頻和相位監視模組以及核心干涉模組中參考臂加入相位調製，通過相應的解調算法抑制了光源的相位噪聲、非線性掃描噪聲、以及瑞利相干散射噪聲，實現了高靈敏度、高信噪比。

偏振敏感檢測擾動方法的基本原理是外界擾動信息（振動、應力）等施加到感測光纖上，根據光彈效應，外界擾動必然引起光纖中雙折射變化，進而導致光纖中光的偏振態變化，偏振敏感光頻域反射技術（P-OFDR），是將幾個已知偏振態的偏振光注入到普通通訊光纖中，通過偏振分集探測技術和光頻域反射的光外差相干探測技術，得到光纖中各個位置的偏振信息，可以通過偏振信息得到光纖中各個位置的雙折射信息，進行擾動感測。

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》裝置採用偏振產生模組和偏振分束平衡探測模組，可對感測光纜注入兩到四種已知偏振態的偏振光（線偏振光、45°線偏振光、左旋圓偏振光、右旋圓偏振光），通過偏振分束平衡探測模組的偏振本徵態採集，利用串聯波片模型和瓊斯矩陣或穆勒矩陣算法，可以得到光纖中各個位置的波片模型，繼而得到光纖中各個位置的偏振信息，利用得到光纖中各個位置的線性雙折射、偏振相關損耗、圓雙折射等偏振參量與外界擾動（應力、振動）作用關係，實現分散式擾動感測的目的。

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》裝置採用拓展感測距離和組成超長距離感測網路。

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》提供的偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置如圖1所示，具體實現見圖2和圖3，該裝置包括：

1.核心干涉模組：採用馬赫曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder）結構，是感測光纖背向散射光與參考臂發生拍頻干涉，其中參考臂加入可程式門陣列調製的相位調製器（EOM）形成頻移，頻移值大於測試光纖產生最大拍頻，接收端通過帶通濾波器進行去噪和並用混頻器將頻率降下來，便於採集卡接受抑制瑞利散射相干噪聲（Fadingnoise）和幻峰（Ghostpeak）。

2.光源光頻和相位監視模組：由於雷射器存在光頻非線性掃描和相位噪聲，這會嚴重影響系統空間解析度和信噪比，採用消偏振邁克遜干涉儀（Michelson）干涉結構，採用調製器相位調製，後續進行鎖相解調出干涉信號的相位，即可提取各個時間點的雷射器的光頻與相位，採用校正與補償算法，解決這一問題。此外，也可以基於3×3耦合器的馬赫曾德耳（MachZehnder）干涉儀結構，利用3×3耦合器的連線埠輸出的120°相位差，通過採集兩路3×3耦合器的連線埠輸出的信號，通過一定三角函式運算關係，可以得到各個時間點的雷射器的光頻與相位。

3.偏振產生模組：利用其產生幾種固定偏振態，便於後面的偏振信息解算。

4.偏振分束平衡探測模組：將進入其中的光分解為正交本徵的兩態並採集，功能是抑制偏振衰落和得到偏振信息，平衡探測模組可以已知共模噪聲，提升信噪比3dB。

5.光源調諧驅動模組：為光源調諧提供驅動信號，採用可程式門陣列（FPGA）和20位數摸轉換器組成。

6.可調諧雷射器：提供高速線性調諧的超窄線寬連續線偏振光。

7.高速光開關：便於切換感測光纜，可以利用光開關拓展感測距離和組成超長距離感測網路。

8.高速採集模組：用於採集核心干涉模組和光源光頻和相位監視模組產生的信號進行高速同步採集。

9.計算機：對高速採集模組採集的數據進行解調和信號處理。

10.感測光纜，由普通通訊光纜或振動感測光纜構成，使用時只使用單芯，布設於圍欄、大型結構等需要擾動監測的位置。

感測裝置各模組具體組成和連線方式見圖2：可調諧雷射器6：用於為光頻域反射系統提供光源，包括超窄線寬可調諧光纖雷射器、外腔式半導體雷射器；光源調諧驅動模組5：與可調諧雷射器連線，為可調諧雷射器提供調諧驅動，是一種超低紋波的電壓驅動器，由高精度的數模轉換器、可程式門陣列、放大器組成；1：99光分束器12：將雷射器的出射光進行1：99比例分束，分別分配到核心干涉模組1和光源相位光頻監視模組2；光源光頻和相位監視模組2：用於對雷射器光頻的採集和監控，可以採用兩種結構一種是消偏振邁克遜干涉儀（Michelson）干涉儀結構；第二種結構是基於3×3耦合器的馬赫曾德耳干涉儀（MachZehnder）結構如圖3。其中消偏振邁克遜干涉儀（Michelson）干涉包括隔離器13：防止50：50耦合器15的2連線埠的反射光進入雷射器。50：50耦合器15用於光干涉，光從耦合器15的2連線埠進入，從3、4連線埠出射，分別被邁克遜干涉儀兩臂的法拉第轉鏡17和18反射，返回到3、4連線埠，兩束光在耦合器15中發生干涉，從1連線埠輸出。兩個法拉第轉鏡17和18用為干涉儀提供反射，且可以消除干涉儀的偏振衰落現象。延遲光纖16，用於實現非等臂的拍頻干涉，可以根據拍頻和延遲光纖長度得到光頻。干涉探測器14，用於採集耦合器15從1連線埠出射光，即光源相位光頻監視模組2的拍頻信號。相位調製器16，用於對干涉儀的一臂進行相位調製，便於後續的鎖相解調出干涉信號的相位。基於3×3耦合器的馬赫曾德耳（MachZehnder）干涉儀結構如圖3，其包括50：50分束器33，用於入射光的50:50分束，經過延遲光纖34，進入3×3耦合器進行干涉35，3×3耦合器的兩個連線埠分別接入兩個探測器36和37光接口，其採集的電信號接入高速採集模組。

核心干涉模組1：是光頻域反射儀的核心，由可調保偏衰減器20，保偏振分束器21、參考臂、測試臂以及保偏耦合器24組成，其可調保偏衰減器20，用於調節光強大小，保偏分束器21，將光以一定比例50：50，20：80，30：70或40：60分配到干涉儀的參考臂和測試臂。其中比例的選擇，根據測試光纖中受激布里淵吸收效應較大時，選擇比例較大的如20：80，30：70，受激布里淵吸收效應較小時，選擇比例如50：50，40：60。

參考臂由相位調製器22和45度對準器23組成，其中參考臂光纖是保偏光纖。相位調製器22用可程式門陣列31以測試的最大拍頻值為調製頻率值調製，後續將採集信號做高通濾波，可以抑制瑞利散射相干噪聲（Fadingnoise）和幻峰（Ghostpeak）。45度對準器23將保偏光纖快軸和慢軸45度對軸，保證參考臂快慢軸有等量光強。

核心干涉模組1的測試臂上連線核心干涉模組1的測試臂上連線偏振產生模組3中偏振產生器38，感測光纜10和11的背向散射光經過高速光開關7和偏振產生模組3中的環行器進入保偏耦合器24的第二連線埠，核心干涉模組3的參考臂光進入保偏耦合器24的第一連線埠，感測光纜10和11的背向散射光與參考臂光在保偏耦合器24中發生拍頻干涉產生拍頻干涉信號，其拍頻信號從保偏耦合器24的第三連線埠和第四連線埠進入偏振分束平衡探測模組4；

偏振產生模組3，包括偏振產生器38和環形器29，偏振產生器38能夠產生固定幾種偏振態的光包括：線偏光、45度線偏光、左旋圓偏光或右旋圓偏光，為後面算法處理提供已知的參考偏振態；環行器29為雙軸工作的保偏環行器，其作用是連線偏振產生器38，高速光開關7以及核心干涉模組1的保偏耦合器24，具體連線方式將光由第一連線埠進入環行器，從第二連線埠進入高速光開關7，與連線的高速光開關的感測光纜的背向散射光通過環行器的第二連線埠返回，從環行器的第三連線埠進入核心干涉模組1的保偏耦合器24的第一連線埠和第二連線埠。

高速光開關7，連線感測光纜10和11可以實現多路感測光纜的感測，拓展了系統的測試距離，便於形成大規模感測網路。

偏振分束平衡探測模組4：包括兩個偏振分束器25和26以及兩個平衡探測器27和28；其中偏振分束器25和26將進入其中的核心干涉模組1輸出拍頻信號分解成偏振本徵正交的快慢軸兩個分量；其中兩個偏振分束器25和26的快軸分量進入第一個平衡探測器27，慢軸分量進入第二個平衡探測器28；高速採集模組8，用於採集偏振分束平衡探測模組的第一和第二平衡探測器27和28、光源光頻和相位監視模組的探測器14（第一種結構）或探測器36和37（第二種結構）的干涉信號。

計算機9，高速採集模8塊採集的信號進行數據處理，包括光源光頻和相位模組2的相位、光頻的提取和解調算法以及對於核心干涉模組1產生的拍頻信號進行解調，為光源調諧驅動模組5提供控制信號感測光纜10和11，由普通通訊光纜或振動感測光纜構成，使用時只使用單芯，布設於圍欄、大型結構等需要擾動監測的位置。

技術方案

具體技術方案解調方法包括幾步驟：

第一步、雷射器實時相位光頻採集，對光源光頻和相位監視模組採集的信號進行希爾伯特變換或三角函式變換和時頻域變換得到各個時間點的雷射器的光頻或相位；

第二步、利用第一步實時採集的雷射器的光頻和相位的信號，採用非均勻快速傅立葉變換或補償插值算法，對核心干涉模組的信號中包括偏振本徵態的兩路信號進行相位補償，以抑制光頻非線性和光源相位噪聲對系統信噪比和空間解析度的影響；

第三步、對經過第二步補償後核心干涉模組的信號進行譜分析：以下兩種方法中任一種方法對信號進行譜估計，其具體方法分為非參數化譜估計和參數化譜估計兩種方法。其中第一種方法，非參數化譜估計方式的處理方法：對第二步處理處理後的信號採用窗函式：凱澤窗或高斯窗，來抑制信號旁瓣，然後採用先進窗技術：卷積窗和空間變跡法或切趾法對信號處理進一步抑制信號旁瓣；第二種方法另外採用參數化譜估計的方式：對第二步處理處理後的信號採用自回歸滑動平均模型或自回歸模型或多重信號分類等參數化方法對系統輸出信號進行建模，實現系統超解析度分析；

第四步、對第三步處理後的信號進行去噪處理，具體方法：小波去噪，維納反卷積自適應去噪，中值去噪，形態學去噪，偏微分去噪和基於局部統計特徵去噪；如圖3是未採用第三步抑制旁瓣的先進窗技術和第四步去噪處理的信號，圖3是採用第三步抑制旁瓣的先進窗技術和第四步去噪處理的信號；

第五步、採用以下兩種方法中任一種方法對第四步處理後的信號進行基於光纖分散式波片模型的偏振解算：

第一種方法：通過偏振產生器和偏振分束探測，已知輸入和輸出光的偏振態和瓊斯向量，利用瓊斯矩陣的相似矩陣求本徵值法，這種方法只需輸入兩個偏振態，就得到測試光纖中各個小段的瓊斯矩陣，即可得測試光纖中各個小段到線性雙折射和線性雙衰減；

第二種方法：通過偏振產生器和偏振分束探測，已知輸入和輸出光的斯托克斯向量，利用矩陣運算，得到測試光纖中各個小段的分散式穆勒矩陣，即可得測試光纖中各個小段到線性雙折射和線性雙衰減，圓雙折射。

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》的優點和積極效果：

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》提出的基於偏振敏感的光頻域反射擾動裝置和方法（P-OFDR），具有測試距離長（>200千米）、空間解析度高（厘米級）、靈敏度高、可以連續多點測量的特點。可套用於長距離周界安全、油氣管道安全等電力、通訊線纜安全實時監控領域。

附圖說明

圖1是偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置框圖；

圖中，1是核心干涉模組，2是光源光頻和相位監視模組，3是偏振產生模組，4是偏

振分束平衡探測模組，5是光源調諧驅動模組，6是可調諧雷射器，7是高速光開關，8是高速採集模組，9是計算機，10是感測光纜。11是感測光纜。

圖2是偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置具體結構一示意圖；

圖3是偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置中光源光頻和相位監視模組的第二種具體結構基於3×3耦合器的馬赫曾德耳干涉儀（MachZehnder）結構的示意圖；

圖4是未採用去噪和窗技術處理的信號譜。

圖5是採用去噪和窗技術處理的信號譜。

圖中，1是核心干涉模組，2是光源光頻和相位監視模組，3是偏振產生模組，4是偏振分束平衡探測模組，5是光源調諧驅動模組，6是可調諧雷射器，7是高速光開關，8是高速採集模組，9是計算機，10是感測光纜。11是感測光纜。12是分束器（1：99）13是隔離器，14是探測器，15是耦合器，16是延遲光纖，17是法拉第旋轉鏡，18是法拉第旋轉鏡，19相位調製器，20是可調衰減器，21是保偏分束器，22是相位調製器，23是45度對準器，，24是保偏耦合器，25是偏振分束器，26是偏振分束器，27是第一平衡探測器，28是第二平衡探測器，29保偏環行器，30是高精密數模轉換器，31是可程式門陣列（FPGA）32是放大器。33是50：50分束器，34是延遲光纖，35是3×3耦合器，36是探測器1和37是探測器2。38是偏振產生器。

技術領域

《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》屬於光纖感測技術領域。《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》套用於長距離光纖分散式擾動、應力感測，涉及一種偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和方法。

權利要求

1.一種偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置，其特徵在於該裝置包括：

可調諧雷射器：用於為光頻域反射擾動感測裝置提供光源，包括超窄線寬可調諧光纖雷射器、外腔式半導體雷射器；

光源調諧驅動模組：與可調諧雷射器連線，為可調諧雷射器提供調諧驅動，是一種超低紋波的電壓驅動器，由高精度的數模轉換器、可程式門陣列、放大器組成；

分束比為1：99光分束器：將可調諧雷射器的出射光進行1：99比例分束，分別分配到光源光頻和相位監視模組與核心干涉模組；

光源光頻和相位監視模組：用於對可調諧雷射器光頻的採集和監控，採用以下兩種結構中任一種結構實現，一種結構是消偏振邁克遜干涉儀結構，另一種結構是基於3×3耦合器的馬赫曾德爾干涉儀結構；

核心干涉模組：是光頻域反射擾動感測裝置的核心，具體結構由可調保偏衰減器，保偏振分束器、參考臂、測試臂以及保偏耦合器組成；可調保偏衰減器，用於調節光強大小；保偏分束器，將光以50：50、20：80、30：70或40：60的比例分配到干涉儀的參考臂和測試臂，其中比例的選擇，根據感測光纖中受激布里淵吸收效應較大時，選擇較大的比例20：80或30：70，受激布里淵吸收效應較小時，選擇比例為50：50或40：60；參考臂，由相位調製器和45度對準器組成，其中參考臂光纖是保偏光纖，相位調製器以測試的最大拍頻值為調製頻率值調製，後續將採集信號做高通濾波，能夠抑制瑞利散射相干噪聲和幻峰，45度對準器將保偏光纖快軸和慢軸45度對軸，保證參考臂快慢軸有等量光強；核心干涉模組的測試臂上連線偏振產生模組中偏振產生器，感測光纖的背向散射光經過高速光開關和偏振產生模組中的環行器進入保偏耦合器的第二連線埠，核心干涉模組的參考臂光進入保偏耦合器的第一連線埠，感測光纖的背向散射光與參考臂光在保偏耦合器中發生拍頻干涉產生拍頻干涉信號，其拍頻信號從保偏耦合器的第三連線埠和第四連線埠進入偏振分束平衡探測模組；

偏振產生模組，作用是能夠產生固定幾種偏振態的光包括：線偏光、左旋圓偏光或右旋圓偏光，為後面算法處理提供已知的參考偏振態；偏振產生模組的結構包括偏振產生器和環形器，環行器為雙軸工作的保偏環行器，其作用是連線偏振產生模組、高速光開關以及核心干涉模組的保偏耦合器，具體連線方式將光由第一連線埠進入環行器，從第二連線埠進入高速光開關，感測光纖的背向散射光經過高速光開關返回到環行器的第二連線埠，然後背向散射光從環行器的第三連線埠進入核心干涉模組的保偏耦合器的第一連線埠和第二連線埠；

高速光開關：連線感測光纖，能夠實現多路感測光纖的感測，拓展了光頻域反射擾動感測裝置的測試距離，便於形成大規模感測網路；

偏振分束平衡探測模組：其結構包括兩個偏振分束器以及兩個平衡探測器；其中偏振分束器，將進入其中的核心干涉模組輸出拍頻光信號分解成偏振本徵正交的快慢軸兩個分量；其中兩個偏振分束器的快軸分量進入第一個平衡探測器，慢軸分量進入第二個平衡探測器；

高速採集模組：用於採集偏振分束平衡探測模組的平衡探測器以及光源光頻和相位監視模組的干涉信號；

計算機，對高速採集模組採集的信號進行數據處理，包括光源光頻和相位的提取和解調算法以及對於核心干涉模組產生的拍頻信號進行解調，為光源調諧驅動模組提供控制信號；

感測光纖，由普通通訊光纜或振動感測光纖構成，使用時只使用單芯，布設於圍欄、大型結構要擾動監測的位置。

2.根據權利要求1所述的偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置，其特徵在於所述的光源光頻和相位監視模組中的一種結構，消偏振邁克遜干涉儀結構包括隔離器，分束比50：50耦合器，兩個法拉第轉鏡，干涉探測器，延遲光纖，相位調製器；其中各組成單元的作用，隔離器：防止50：50耦合器的第二連線埠的反射光進入雷射器，分束比50：50耦合器用於光干涉，光從50：50耦合器的第二連線埠進入，從第三、第四連線埠出射，分別被兩臂的法拉第轉鏡反射，返回到第三、第四連線埠，兩束光在50：50耦合器中發生干涉，從第一連線埠輸出，兩個法拉第轉鏡用為干涉儀提供反射，且能夠消除干涉儀的偏振衰落現象，延遲光纖，用於實現非等臂的拍頻干涉，能夠根據拍頻和延遲光纖長度得到光頻，干涉探測器，用於採集耦合器從第一連線埠出射光，即光源光頻和相位監視模組的拍頻信號；相位調製器，用於對干涉儀的一臂進行相位調製，便於後續的鎖相解調出干涉信號的相位。

3.根據權利要求1所述的偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置，其特徵在於所述的光源光頻和相位監視模組中的另一種結構，基於3×3耦合器的馬赫曾德爾干涉儀包括，50：50分束器，延遲光纖，3×3耦合器，兩個探測器；其中各組成單元的作用，50：50分束器，用於入射光的50:50分束，經過延遲光纖，進入3×3耦合器進行干涉，3×3耦合器的兩個連線埠分別接入兩個探測器光接口，探測器將採集的電信號接入高速採集模組。

4.一種基於如權利要求1所述的偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置的偏振敏感的分散式光頻域反射擾動的解調方法，其特徵在於該方法的步驟包括：

第一步、雷射器實時相位光頻採集，對光源光頻和相位監視模組採集的信號進行希爾伯特變換或三角函式變換和時頻域變換，得到各個時間點的雷射器的光頻或相位；

第二步、利用第一步實時採集的雷射器的光頻和相位的信號，採用非均勻快速傅立葉變換、補償插值算法，對核心干涉模組的信號中包括偏振本徵態的兩路信號進行相位補償，以抑制光頻非線性和光源相位噪聲對感測裝置信噪比和空間解析度的影響；

第三步、對經過第二步補償後核心干涉模組的信號進行譜估計：用以下兩種方法中任一種方法對信號進行譜估計，具體方法分為非參數化譜估計和參數化譜估計兩種方法；其中第一種方法，非參數化譜估計方式的處理方法：對第二步處理後的信號採用窗函式：凱澤窗或高斯窗，來抑制信號旁瓣，然後採用先進窗技術：卷積窗和空間變跡法或切趾法對信號處理；第二種方法另外採用參數化譜估計的方式：對第二步處理後的信號採用自回歸滑動平均模型或自回歸模型或多重信號分類的參數化方法對感測裝置輸出信號進行建模，實現感測裝置的超解析度分析；

第四步、對第三步處理後的信號進行去噪處理，具體方法：小波去噪，維納反卷積自適應去噪，中值去噪，形態學去噪，偏微分去噪和基於局部統計特徵去噪；

第五步、採用以下兩種方法中任一種方法，對第四步處理後的信號進行基於光纖分散式波片模型的偏振解算：

第一種方法：通過偏振產生模組和偏振分束平衡探測模組，已知輸入和輸出光的偏振態和瓊斯向量，利用瓊斯矩陣的相似矩陣求本徵值法，這種方法只需在偏振產生模組輸入兩個正交偏振態，就得到感測光纖中各個小段的瓊斯矩陣，即可得感測光纖中各個小段的線性雙折射和線性雙衰減；

第二種方法：通過偏振產生模組和偏振分束平衡探測模組，已知輸入和輸出光的斯托克斯向量，利用矩陣運算，得到感測光纖中各個小段的分散式穆勒矩陣，即可得感測光纖中各個小段的線性雙折射和線性雙衰減，圓雙折射。

實施方式

• 實施例1

如圖1所示，核心干涉模組1其基本結構是馬赫曾德耳（MachZehnder）干涉儀結構，構成光外差干涉結構；光源光頻和相位監視模組2，其主要是採集雷射器實時的光頻和相位，用以對核心干涉模組的信號進行非線性掃描和相位噪聲補償；偏振產生模組3和偏振分束平衡探測模組4實現感測光纜中偏振信息的提取；光源調諧驅動模組5和可調諧雷射器6為偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置提供高速和線性掃描波長的窄線寬雷射光源；高速光開關7用於構建長距離大規模的感測網路；高速採集模組8用於採集核心干涉模組1和光源光頻和相位監視模組2的信號；計算機9是對高速採集模組採集的信號進行解調和信號處理，最終得到感測光纜上分散式的擾動（振動、應力）信息；感測光纜10和11由普通通訊光纜或振動感測光纜構成，使用時只使用單芯，布設於圍欄、大型結構等需要擾動監測的位置。

圖2和圖3所示是圖1中各功能模組的具體實現，包括各模組的連線和組成可調諧雷射器6：用於為光頻域反射系統提供光源，包括超窄線寬可調諧光纖雷射器、外腔式半導體雷射器；

光源調諧驅動模組2：與可調諧雷射器連線，為可調諧雷射器提供調諧驅動，是一種超低紋波的電壓驅動器，由高精度的數模轉換器30、可程式門陣列31、放大器32組成。

分束比1：99光分束器12：將雷射器的出射光進行1：99比例分束，分別分配到光源光頻和相位監視模組與核心干涉模組；

光源光頻和相位監視模組2：用於對雷射器光頻的採集和監控，可以採用兩種結構，一種是消偏振邁克遜干涉儀（Michelson）干涉儀結構，如圖2所示；第二種結構是基於3×3耦合器的馬赫曾德耳干涉儀（MachZehnder）結構，如圖3所示。其中消偏振邁克遜干涉儀（Michelson）干涉包括隔離器13：防止50：50耦合器15的2連線埠的反射光進入雷射器。50：50耦合器15用於光干涉，光從耦合器15的2連線埠進入，從3、4連線埠出射，分別被邁克遜干涉儀兩臂的法拉第轉鏡17和18反射，返回到3、4連線埠，兩束光在耦合器15中發生干涉，從1連線埠輸出。兩個法拉第轉鏡17和18用為干涉儀提供反射，且可以消除干涉儀的偏振衰落現象。延遲光纖16，用於實現非等臂的拍頻干涉，可以根據拍頻和延遲光纖長度得到光頻。干涉探測器14，用於採集耦合器15從1連線埠出射光，即光源相位光頻監視模組2的拍頻信號。相位調製器16，用於對干涉儀的一臂進行相位調製，便於後續的鎖相解調出干涉信號的相位。基於3×3耦合器的馬赫曾德耳（MachZehnder）干涉儀結構如圖3，其包括50：50分束器33，用於入射光的50:50分束，經過延遲光纖34，進入3×3耦合器進行干涉35，3×3耦合器的兩個連線埠分別接入兩個探測器36和37光接口，探測器採集的電信號接入高速採集模組。

核心干涉模組1：是光頻域反射儀的核心，由可調保偏衰減器20，保偏振分束器21、參考臂、測試臂以及保偏耦合器24組成，其可調保偏衰減器20，用於調節光強大小，保偏分束器21，將光以一定比例50：50，20：80，30：70或40：60分配到干涉儀的參考臂和測試臂。其中比例的選擇，根據測試光纖中受激布里淵吸收效應較大時，選擇比例較大的如20：80，30：70，受激布里淵吸收效應較小時，選擇比例如50：50，40：60。

參考臂由相位調製器22和45度對準器23組成，其中參考臂光纖是保偏光纖。相位調製器22用可程式門陣列31以測試的最大拍頻值為調製頻率值調製，後續將採集信號做高通濾波，可以抑制瑞利散射相干噪聲（Fadingnoise）和幻峰（Ghostpeak）。45度對準器23將保偏光纖快軸和慢軸45度對軸，保證參考臂快慢軸有等量光強。

核心干涉模組1的測試臂上連線核心干涉模組1的測試臂上連線偏振產生模組3中偏振產生器38，感測光纜10和11的背向散射光經過高速光開關7和偏振產生模組3中的環行器進入保偏耦合器24的第二連線埠，核心干涉模組3的參考臂信號進入保偏耦合器24的第一連線埠，背向散射光與參考臂信號在保偏耦合器24中發生拍頻干涉產生拍頻干涉信號，其拍頻信號從保偏耦合器24的第三連線埠和第四連線埠進入偏振分束平衡探測模組4；

偏振產生模組3，包括偏振產生器38和環形器29，偏振產生器38能夠產生固定幾種偏振態的光包括：線偏光、45度線偏光、左旋圓偏光或右旋圓偏光，為後面算法處理提供已知的參考偏振態；環行器29為雙軸工作的保偏環行器，其作用是連線偏振產生器38，高速光開關7以及核心干涉模組1的保偏耦合器24，具體連線方式將光由第一連線埠進入環行器，從第二連線埠進入高速光開關7，與連線的高速光開關7的感測光纜10和11的背向散射光通過環行器29的第二連線埠返回，從環行器29的第三連線埠進入核心干涉模組1的保偏耦合器24的第一連線埠和第二連線埠；

偏振分束平衡探測模組4：包括兩個偏振分束器25和26以及兩個平衡探測器27和28；其中偏振分束器25和26將進入其中的核心干涉模組1輸出拍頻信號分解成偏振本徵正交的快慢軸兩個分量；其中兩個偏振分束器25和26的快軸分量進入第一個平衡探測器27，慢軸分量進入第二個平衡探測器28；

高速光開關7，連線感測光纜10和11可以實現多路感測光纜的感測，拓展了系統的測試距離，便於形成大規模感測網路。

高速採集模組8，用於採集偏振分束平衡探測模組的第一和第二平衡探測器27和28、光源光頻和相位監視模組的探測器14（第一種結構）或探測器36和37（第二種結構）的干涉信號。

計算機9，高速採集模8塊採集的信號進行數據處理，包括光源光頻和相位模組2的相位、光頻的提取和解調算法以及對於核心干涉模組1產生的拍頻信號進行解調，為光源調諧驅動模組5提供控制信號

感測光纜10和11，由普通通訊光纜或振動感測光纜構成，使用時只使用單芯，布設於圍欄、大型結構等需要擾動監測的位置。

實施例2

偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測方法具體技術方法和算法包括幾個步驟：

第一步、雷射器實時相位光頻採集，對光源光頻和相位監視模組採集的信號進行希爾伯特變換或三角函式變換和時頻域變換得到各個時間點的雷射器的光頻或相位；

第二步、利用第一步實時採集的雷射器的光頻或相位的信號，採用非均勻快速傅立葉變換或補償插值算法，對核心干涉模組的信號中包括偏振本徵態的兩路信號進行相位補償，以抑制光頻非線性和光源相位噪聲對系統信噪比和空間解析度的影響；

第三步、對經過第二步補償後核心干涉模組的信號進行譜分析：以下兩種方法中任一種方法對信號進行譜估計，其具體方法分為非參數化譜估計和參數化譜估計兩種方法。其中第一種方法，非參數化譜估計方式的處理方法：對第二步處理後的信號採用窗函式：凱澤窗或高斯窗，來抑制信號旁瓣，然後採用先進窗技術：卷積窗和空間變跡法或切趾法對信號處理進一步抑制信號旁瓣；第二種方法另外採用參數化譜估計的方式：對第二步處理後的信號採用自回歸滑動平均模型或自回歸模型或多重信號分類等參數化方法對系統輸出信號進行建模，實現系統超解析度分析；

第四步、對第三步處理後的信號進行去噪處理，具體方法：小波去噪，維納反卷積自適應去噪，中值去噪，形態學去噪，偏微分去噪和基於局部統計特徵去噪；如圖3是未採用第三步抑制旁瓣的先進窗技術和第四步去噪處理的信號，圖3是採用第三步抑制旁瓣的先進窗技術和第四步去噪處理的信號

第五步、採用以下兩種方法中任一種方法對第四步處理後的信號進行基於光纖分散式波片模型的偏振解算：

第一種方法：通過偏振產生器和偏振分束探測，已知輸入和輸出光的偏振態和瓊斯向量，利用瓊斯矩陣的相似矩陣求本徵值法，這種方法只需在偏振產生模組輸入兩個偏振態，就得到測試光纖中各個小段的瓊斯矩陣，即可得測試光纖中各個小段到線性雙折射和線性雙衰減；

第二種方法：通過偏振產生器和偏振分束探測，已知輸入和輸出光的斯托克斯向量，利用矩陣運算，得到測試光纖中各個小段的分散式穆勒矩陣，即可得測試光纖中各個小段的性雙折射和線性雙衰減，圓雙折射。

榮譽表彰

2018年12月20日，《偏振敏感的分散式光頻域反射擾動感測裝置和解調方法》獲得第二十屆中國專利獎金獎。