一种基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，更具体的，是一种基于相干相位检测
的分布式光纤振动传感装置。
背景技术
光纤传感技术自从20世纪70年代光纤被发明以来迅速崛起，经过几十年的研究和
发展已经广泛用于多个领域。除了在远距离高速率通信领域外，由于光纤也具备感知外部
各种物理参数的能力，研究人员发明制作了一系列的光纤传感器件。光纤传感系统因其耐
腐蚀，抗电磁干扰等优点与传统的机电传感系统相比，更适合于恶劣环境中检测信息并且
具有分布式传感和远距离传感的能力，所以近年来分布式光纤传感技术成为研究的热点。
分布式光纤传感技术不但具有普通光纤传感技术灵敏度高、耐高温、抗腐蚀和抗
电磁干扰等优越特性，而且更能体现光纤分布延伸的优势，可以使得沿布设路径上的光纤
全部成为敏感元件，具有实时获取整个传感区域内被测量的信息参数，将传输和传感合二
为一，减少了布设传感器件的成本。分布式光纤振动传感技术利用光波在光纤中传输时相
位、偏振等对振动敏感的特性，实时地监测光纤附近的振动，实现对故障点或扰动点的定
位，是分布式光纤传感技术的一个重要分支。特别是在长距离和高空间分辨率要求的监测
中，分布式光纤振动传感器具有电子传感器件不可比拟的优势，在侵入检测、社区安全、油
气管道泄漏以及建筑结构监测等领域具有广泛应用前景。
目前研究最热门、使用最广泛的是基于光时域反射仪OTDR(Optical Time Domain
Reflectometer)的分布式光纤振动传感技术。它具有结构紧凑、解调算法简单、灵敏度高、
定位准确等优点，根据传感原理不同又分为相位光时域反射仪、偏振光时域反射仪、布里渊
光时域反射仪等。光时域反射仪是通过检测光纤中的背向散射光来探测加载在光纤上的外
界信号。但是由于在普通光纤中的背向散射光信号功率非常低从而导致信号光的信噪比
低，容易出现振动信号定位的误判，而且平均探测时间耗时过长，极大的限制了传感器的探
测精度，灵敏度，频率响应范围等性能指标。特别是上述的前两种方式难以探测0Hz左右的
准静态振动信号。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提出一种基于相干相位检测的分布式光纤振动检测装置，
旨在解决现有振动传感装置信噪比低，频率响应范围小，定位不准确的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于相干相位检测的分布式光纤振动检测装
置，包括：
光源模块，用于产生连续窄线宽激光；
光调制模块，其输入端与光源模块输出端连接，用于将连续窄线宽激光进行移频
和调制处理，输出短脉冲光序列；
传感光纤，刻写有弱反射布喇格光栅阵列，其输入端与光调制模块输出端连接，短
脉冲光序列经过振动信号调制并由弱反射布喇格光栅阵列反射输出多个反射光子序列；
相干光接收模块，其一输入端与光源模块输出端连接，另一输入端与传感光纤输
出端连接，用于让连续窄线宽激光与多个反射光子序列发生干涉形成多个拍频光信号子序
列，并将多个拍频光信号子序列由光信号转化为电信号，并输出多个拍频子序列；
信号处理模块，其输入端与相干光接收模块的输出端连接，用于将多个拍频子序
列进行相位解调获得各个位置振动信号。
通过连续窄线宽激光的短脉冲光序列输入到传感光纤中的光栅阵列进行振动信
号检测，返回反射光子序列，由于采用连续窄线宽激光的短脉冲光序列，每个短脉冲光的间
隔可以足够小，能够实现高频率的振动信号的测量，由于采用布喇格光栅阵列增强背向散
射光强度，信噪比高，返回的背向散射光脉冲序列与参考光能够产生拍频，同时使用互相关
算法获取布拉格光栅阵列中相邻布喇格光栅之间区域的相位信息，再采用相位解缠算法还
原出振动信号波形，振动信号波形还原速度快，在采集高频率的振动信号时能够实现实时
还原振动信号，使得振动传感装置的频率响应范围大。振动信号的位置通过接收到的短脉
冲子序列先后顺序获得，通过每个拍频电信号在拍频子序列中位置，确定每个拍频电信号
对应的反射光在反射光序列位置，由反射光在反射光序列位置可以确定反射光对应光纤布
喇格光栅，根据光纤布喇格光栅确定振动信号位置，使得振动信号定位准确。
进一步地，光源模块包括：
连续窄线宽激光器，用于输出连续窄线宽激光；
光纤耦合器，其输入端与连续窄线宽激光器输出端连接，其第一输出端与光调制
模块输入端连接，其第二输出端与相干光接收模块连接，用于将连续窄线宽激光分束为第
一路连续窄线宽激光和第二路连续窄线宽激光。
进一步地，光调制模块包括：
声光调制器，其输入端与光纤耦合器的第一输出端连接，用于将第一路连续窄线
宽激光进行移频处理和调制处理输出第一短脉冲光序列；
掺铒光纤放大器，其输入端与声光调制器的输出端连接，用于对第一短脉冲光序
列进行放大处理输出第二短脉冲光序列；
窄线宽带通滤波器，其输入端与掺铒光纤放大器输出端连接，用于对第二短脉冲
光序列进行去噪声处理，输出短脉冲光序列。
进一步地，还包括环形器，其输入端与光调制模块输出端连接，第一输出端与传感
光纤，第二输出端与相干光接收模块连接，实现短脉冲光序列与多个反射光子序列在传感
光纤中双向传输。
进一步地，相干光接收模块包括：
相干光纤耦合器，其第一输入端与环形器第二输出端连接，其第二输入端与光纤
耦合器第二输出端连接，用于使多个反射光子序列与第二路连续窄线宽激光发生干涉，形
成多个拍频光信号子序列，并将多个拍频光信号子序列分束为第一路多个拍频光信号子序
列和第二路多个拍频光信号子序列输出；
平衡探测器，其第一输入端与相干光纤耦合器第一输出端连接，接收第一路多个
拍频光信号子序列，其第二输入端与相干光纤耦合器第二输出端连接，接收第二路多个拍
频光信号子序列，将第一路多个拍频光信号子序列和第二路多个拍频光信号子序列进行差
分处理，获得放大后的多个拍频光信号子序列，并将放大后的多个拍频光信号子序列由光
信号转化为电信号，输出多个拍频子序列。
进一步地，弱反射布喇格光栅阵列中所有弱反射布喇格光栅等间隔分布。
采用等间隔分布的弱反射布喇格光栅阵列便于根据拍频子序列定位获得振动信
号的位置，加快信号处理模块解调振动信号的速度。
进一步地，所有弱反射布喇格光栅反射波长相等，且连续窄线宽激光波长与弱反
射布喇格光栅反射波长相同。
进一步地，短脉冲光序列中每个短脉冲光的持续时间为两个相邻短脉冲
光的间隔
其中，n为光纤折射率，l为两相邻布喇格光栅的间距，c为光速；N为弱反射布喇格
光栅阵列中弱反射布喇格光栅的数目。
每个反射光信号子序列之间无重叠，则每个反射光信号子序列与连续窄线宽激光
产生的拍频光信号子序列不重叠，提高信号处理模块对拍频电信号的解调速率，增大振动
传感装置的响应频率范围。
作为本发明的另一方面，本发明提供了一种分布式光纤振动传感装置的解调方
法，包括如下步骤：
(1)对第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频采用互相
关法获得第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的相位差；
(2)将第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的相位差
进行相位解缠获得第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的解
缠后相位差，并将第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的解缠
后相位差作为第k个振动信号在第i个拍频子序列起始时刻的强度；
(3)判断拍频次序k是否等于P-1，若是，进入步骤(4)；否则，令k＝k+1，进入步骤
(1)；
(4)判断拍频子序列次序i是否等于拍频子序列数量Q，若是，进入步骤(5)；否则，
令i＝i+1，进入步骤(1)；
(5)根据第k振动信号在第i个拍频子序列起始时刻的强度获得第k振动信号波形；
所述第k个振动信号为位于第k个拍频对应的弱反射布喇格光栅与第k+1个拍频对
应的弱反射布喇格光栅之间的振动信号，1≤k≤P-1，1≤i≤Q，Q为拍频子序列的数量，P为
每个拍频子序列中拍频数量。
本发明提供的分布式光纤振动传感装置的解调方法，通过互相关法能够快速解调
出振动信号，且无需其他附加解调器件。
本发明的技术方案与现有技术相比，有以下技术效果：
1、由于在传感光纤中采用弱反射布喇格光栅阵列来增强背向散射光，信号光的光
功率相比于其他方案成倍增加，提高了系统信噪比。
2、振动信号的定位是通过传感光纤中每一个弱反射布喇格光栅反射回反射光接
收的时间顺序对应到相应的弱反射布喇格光栅，弱反射布喇格光栅位置是传感光纤制作过
程中已确定的，定位精度高。
3、由于将加载有振动信号的反射光子序列与连续窄线宽激光在相干光接收模块
中发生相干，产生拍频，然后通过互相关方法解调相位，实现对振动信号解调，解调速度快，
实时频率响应范围可达数kHz；在探测低频准静态振动信号时，由弱反射布喇格光栅阵列的
反射光功率大，信噪比高，且采用互相关算法能够去除反射光中的低频环境噪声信号，能够
实现对低频准静态振动信号解调。
4、在低频振动测量中，传感距离主要受限于反射光功率强度，采用-50dB反射率的
光栅可实现几千个光栅的级联，探测距离可达数十千米。
附图说明
图1是本发明提供的基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置的示意图；
图2是本发明提供的基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置的实施例示意
图；
图3为本发明中实施例中信号处理模块接收到的拍频子序列的时频谱图；
图4为本发明中实施例中经过解调后位于第299弱反射布喇格光栅和第300个弱反
射布喇格光栅之间振动信号的振动波形图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。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。
图1是本发明提供的基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置的示意图，振
动传感装置包括光源模块1，其输出端与光调制模块2输入端连接，光源模块1用于产生两路
连续窄线宽激光，光调制模块2将第一路连续窄线宽激光移频并调制为短脉冲光序列，光调
制模块2输出端与传感光纤5连接，传感光纤5中刻写有弱反射的布喇格光栅阵列，连续窄线
宽激光的波长与弱反射布喇格光栅波长相同，且所有弱反射布喇格光栅波长相同。短脉冲
光序列中每个脉冲光进入传感光纤5后，振动信号对每个短脉冲光进行调制，经过调制后的
每个短脉冲光经由弱反射的布喇格光栅阵列反射，输出一个反射光子序列，传感光纤5的输
出端与相干光接收模块3第二输入端连接，光源模块1的第二输出端与相干光接收模块3的
第一输入端连接，相干光接收模块3输出端与信号处理模块4输入端连接，多个反射光子序
列与光源模块输出的第二路连续窄线宽激光在相干光接收模块3发生干涉，形成多个拍频
光信号子序列，同时将多个拍频光信号子序列由光信号转化电信号，输出多个拍频子序列，
信号处理模块4通过对拍频子序列进行相位解调恢复各个位置的振动信号波形。
本发明中采用刻有弱反射布喇格光栅阵列的传感光纤，短脉冲光序列经过弱反射
布喇格光栅反射光功率大，连续窄线宽激光的波长与弱反射布喇格光栅波长相同，且所有
弱反射布喇格光栅波长相同，能进一步的增大弱反射布喇格光栅反射的光功率，提高信噪
比。采用连续窄线宽激光的短脉冲光序列，可以使短脉冲光序列中每个短脉冲光间隔足够
小，即可以提高采样频率，同时让加载有振动信号的反射光子序列与连续窄线宽激光发生
干涉，并采用相位解调恢复振动信号，解调速度快，且无需其他的解调器件，使得该振动传
感装置响应频率范围大。在探测低频准静态振动信号时，由弱反射布喇格光栅阵列的反射
光功率大，信噪比高，且采用互相关算法能够去除反射光中得噪声信号，能够实现对低频准
静态振动信号解调。每个振动信号的位置根据传感光纤中弱反射布喇格光栅的位置确地，
可以实现振动信号的精确定位。
本发明提供的分布式光纤振动传感装置的实施例中，光调制模块2输出的短脉冲
光序列，每个短脉冲光的持续时间为两个相邻的短脉冲间隔其中，n为
光纤折射率，l为两个相邻弱反射的布喇格光栅的间距，c为光速，N为弱反射的布喇格光栅
的数目。由于两个相邻短脉冲光间隔大于短脉冲光在传感光纤中最大的来回传输时间，每
个反射光信号子序列之间无重叠，则每个反射光信号子序列与连续窄线宽激光产生的拍频
光信号子序列不重叠，提高信号处理模块对拍频子序列的解调速率，有效增大振动传感装
置的响应频率范围。
图2是本发明提供的分布式光纤振动传感装置的实施例的示意图，光源模块1包括
连续窄线宽激光器11和光纤耦合器12，连续窄线宽激光器11输出端与光纤耦合器12的输入
端连接，光纤耦合器12的第一输出端与光调制模块2中声光调制器21输入端连接，光纤耦合
器12的第二输出端与相干光接收模块3中相干光纤耦合器31第一输入端连接，连续窄线宽
激光器11用于输出连续窄线宽激光，光纤耦合器12用于将连续窄线宽激光分束为第一路连
续窄线宽激光和第二路连续窄线宽激光。光调制模块2还包括掺铒光纤放大器22和窄线宽
带通滤波器23，声光调制器21输出端与掺铒放大器22输入端连接，掺铒放大器22的输出端
与窄线宽带通滤波器23连接，声光调制器23将第一路连续窄线宽激光进行移频并调制成第
一短脉冲光序列，掺铒光纤放大器22用于将短脉冲光序列进行放大输出第二短脉冲光序
列，窄线宽带通滤波器23用于将第二短脉冲光序列中噪声去除，输出短脉冲光序列。窄线宽
带通滤波器23输出端与环形器6输入端a连接，环形器6第一输出端b与传感光纤5输入端连
接，环形器6第二输出端c与相干光纤耦合器31第二输入端连接。短脉冲光序列进入传感光
纤后，经过振动信号调制，并由弱反射布喇格光栅阵列反射，输出多个反射光信号子序列，
多个反射光子序列和第二路连续窄线宽激光在相干光纤耦合器31中进行干涉，产生多个拍
频光信号子序列，同时多个拍频光信号子序列经由相干光纤耦合器31分束为第一路多个拍
频光信号子序列和第二路多个拍频光信号子序列，平衡探测器32第一输入端与相干光纤耦
合器31第一输出端连接，平衡探测器32第二输入端与相干光纤耦合器31第二输出端连接，
第一路多个拍频光信号子序列与第二路多个拍频光信号子序列相位相差π，通过对第一路
多个拍频光信号子序列和第二路多个拍频光信号子序列进行差分后，输出放大后的多个拍
频光信号子序列，并将放大后的多个拍频光信号子序列由光信号转化为电信号，输出多个
拍频子序列，平衡探测器32的输出端与信号处理模块输入端连接，信号处理模块4通过相位
解调将多个拍频子序列恢复为各个位置的振动信号。
本发明提供的实施例中，连续窄线宽激光器11发出的激光波长为1550.7nm，光纤
耦合器12的分光比为99:1，即进入声光调制器21的光强与进入相干光纤耦合器31中光强比
为99:1。声光调制器3移频为200MHz，调制得到的短脉冲持续时间为20纳秒，脉冲间隔20微
秒。传感光纤5为普通单模通信光纤，全长为1.3km，采用拉丝塔成栅工艺，在光纤拉丝制作
过程中刻写好弱反射布喇格光栅阵列，其中光纤中的弱反射布喇格光栅阵列全长1.2km，包
含300个间隔4m分布的弱反射布喇格光栅，弱反射布喇格光栅的反射率约为-50dB，布喇格
波长约为1550.7nm。相干光纤耦合器31分光比为50:50，平衡探测器9的带宽为1GHz。优选
地，所述的光纤耦合器的分光比为50:50。数字信号处理模块4的采样率为2G/s，分辨率为
8bit。
本发明提供的实施例中，声光调制器31对连续窄线宽激光进行移频并调制短脉冲
光序列时，给数字信号处理模块4发送触发信号，实现拍频子序列的同步采集，同时对M个短
脉冲按时间顺序标记，即：{xm}；m＝1,2,3…，M，每个短脉冲光进入传感光纤5中，位于300个
弱反射布喇格光栅之间的振动信号对短脉冲进行调制，改变每个短脉冲光的相位，被调制
后的每个短脉冲光被300个先后布置的弱反射布喇格光栅反射形成反射光信号子序列，被
某个弱反射布喇格光栅反射后反射光信号加载位于该弱反射布喇格光栅之前的振动信号，
故反射光信号子序列中两个相邻反射光信号之间相位差能够反应位于对应两个相邻弱反
射布喇格光栅之间振动信号的强度，按照时间顺序将反射光信号子序列标记为：{xm(k)；k
＝1,2,…，300}，第m个反射光信号子序列xm(k)分别对应300个布喇格光栅的时域反射谱，
由于M个短脉冲间隔时间大于每个短脉冲光在传感光纤中最大的来回传输时间，每个反射
光信号子序列之间无重叠。每一个反射光信号子序列{xm(k)；k＝1,2,…，300}在相干光接
收模块中与连续窄线宽激光相干形成拍频光信号子序列，将拍频光信号子序列由光信号转
化为电信号，输出拍频子序列，拍频子序列中拍频数量与光栅数量相同，拍频子序列的数量
与短脉冲光序列中短脉冲光数量相同，且拍频子序列中第k个拍频对应着由第k个弱反射布
喇格光栅反射的光信号。图3为检测到的拍频子序列时域图，拍频子序列为通过让单个短脉
冲光信号{xm}；n＝1,2,3…，M形成的反射光信号子序列与连续窄线宽激光相干产生的拍频
光信号子序列并转化为电信号获得。
信号处理模块通过相位解调将多个拍频子序列恢复为各个位置的振动信号，包括
以下步骤：
(1)对第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频采用互相
关法获得第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的相位差。
(2)将第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的相位差
进行相位解缠获得第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的解
缠后相位差；
在第i拍频子序列中，若第k个拍频和第k+1拍频之间相位差相较于两个相邻拍频
之间的相位差出现相位差最大值变为相位差最小值或相位差最小值变为相位差最大值的
跳变，且上述两个相邻拍频均在第k个拍频之前，则对第k个拍频和第k+1拍频之间相位差相
加上或减去2π，实现对第k个拍频和第k+1拍频之间相位差解缠；
并将第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的解缠后
相位差作为第k振动信号在第i个拍频子序列起始时刻的强度；
其中，第k振动信号为位于第k个拍频对应的弱反射布喇格光栅与第k+1个拍频对
应的弱反射布喇格光栅之间的振动信号。
(3)判断拍频次序k是否等于P-1，若是，进入步骤(4)；令k＝k+1，进入步骤(1)；
(4)判断拍频子序列次序i是否等于拍频子序列数量Q，若是，进入步骤(5)，否则，
令i＝i+1，进入步骤(1)；
(5)根据第k振动信号在第i个拍频子序列起始时刻的强度获得第k振动信号的波
形；
1≤k≤P-1，1≤i≤Q，Q为拍频子序列的数量，P为每个拍频子序列中拍频数量。
在第299弱反射布喇格光栅和第300个弱反射布喇格光栅之间分别施加2Hz，5Hz，
2kHz，5kHz振动信号，经过本发明提供的解调方法获得的振动信号波形如图4所示。
本实施例实现了1.2km长度上4m分辨率的分布式振动传感，系统信噪比相对于普
通光时域反射仪传感系统提升了约9dB。
本发明提供的分布式光纤振动传感装置的解调方法，通过互相关法能够快速解调
出振动信号，且无需其他附加解调器件，能够适应本发明提供的分布式光纤振动传感装置
响应更大振动频率范围，同时也能够实现对准静态振动信号的解调。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，
尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对
本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均
应涵盖在本发明的权利要求范围当中。