一种基于相位混沌激光融合双域解调的长距离高精准分布式温度应变传感系统及其测量方法

本发明涉及基于相位混沌激光融合双域解调的长距离高精准分布式温度应变传感系统领域，具体是一种基于相位混沌激光融合双域解调的长距离高精准分布式温度应变传感系统及其测量方法。

背景技术：

1、分布式光纤传感技术凭借抗电磁干扰、测量距离长、可实现连续监测的优势，已成为大型基础设施健康监测的核心技术之一。当前针对温度与应变双参量测量的分布式传感系统，主要基于布里渊光时域分析、光频域反射、拉曼光时域反射等机制，相关技术在现有技术中已有所体现，但在满足“30km长距离-≤1m空间分辨率-高准确度”协同需求时，仍存在以下核心技术瓶颈：

2、1.长距离传输信号衰减与噪声累积问题：ocdr-socf系统依赖迈克尔逊干涉仪获取背向瑞利散射光，在10km以内距离可实现较高分辨率，但30km光纤传输中，背向散射信号功率衰减超过30db，非局域噪声与光源相位噪声叠加，导致相干函数峰值模糊，温度/应变解调误差增大；botda+rotdr架构在10km光纤末端，布里渊增益谱信噪比降至5db以下，无法满足30km长距离的测量需求。

3、2.温度-应变交叉敏感与宽量程兼容难题：可以采用ofdr与cotdr双系统矩阵解耦实现参量分离，但需对两路系统进行复杂的光路校准，在30km长距离下，光路漂移易导致敏感系数失准，解耦误差超过1℃/50；三参量测量系统虽集成拉曼与瑞利散射机制，但应变测量范围仅支持≤10000（1%），当应变达到20000（2%）时，瑞利散射信号出现饱和，无法兼顾宽量程与高分辨率。

4、3.空间分辨率与信号强度的权衡矛盾：现有系统的空间分辨率由探测脉冲宽度决定，若采用100ns脉宽实现10m空间分辨率，要达到≤1m分辨率需将脉宽缩短至10ns，但脉冲峰值功率会随脉宽缩短而降低，30km光纤末端的脉冲信号功率不足1，完全淹没于噪声中，导致分辨率提升与长距离传输无法兼容。

5、4.传统解调算法精度不足：现有系统多采用人工提取特征的解调方式，导致精度不足。

技术实现思路

1、本发明创造的目的是提供一种基于相位混沌激光融合双域解调的长距离高精准分布式温度应变传感系统，包括相位混沌激光复合光源模块、双域协同传感光路模块、以及ai增强型信号解调模块。

2、所述相位混沌激光复合光源模块包括依次连接的相位混沌种子源、混沌驱动信号发生器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、脉冲调制器，以及与第一掺铒光纤放大器输出端连接的光纤法布里-珀罗标准具。

3、所述相位混沌种子源在混沌驱动信号发生器的驱动下，生成相位混沌激光，相位混沌激光经第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器放大后，由脉冲调制器生成脉冲光。

4、所述双域协同传感光路模块包括第一光耦合器、声光调制器、扫频调制器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、30km单模待测光纤、波分复用器、可调光衰减器、偏振分束器、第一平衡光电探测器、雪崩光电二极管ⅰ、雪崩光电二极管ⅱ和第三光纤环形器。

5、所述第一光耦合器用于接收经第二掺铒光纤放大器输出的放大激光，并将放大激光分为两束，分别传递至声光调制器和扫频调制器。

6、所述第一光纤环形器的第一端口a、第一端口b分别与声光调制器和30km单模待测光纤的一端连接。所述第二光纤环形器的第二端口a、第二端口b分别与扫频调制器和30km单模待测光纤的另一端连接。经光调制器、扫频调制器处理后的激光在30km单模待测光纤中发生受激布里渊散射，产生的布里渊光信号通过第二光纤环形器的第二端口c传输至波分复用器。

7、所述第三光纤环形器的第三端口a、第三端口b分别与脉冲调制器和30km单模待测光纤的一端连接。经脉冲调制器生成的脉冲光在30km单模待测光纤中发生背向拉曼散射，产生的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号通过第三光纤环形器的第三端口c传输至波分复用器。

8、所述波分复用器基于波长对接收的激光进行分离，以得到三路激光支路：

9、一路：波长为1528nm的反斯托克斯光支路，与雪崩光电二极管ⅰ连接。

10、二路：波长为1550nm的布里渊光支路，依次与可调光衰减器、偏振分束器、第一平衡光电探测器连接。

11、三路：波长为1573nm的斯托克斯光支路，与雪崩光电二极管ⅱ连接。其中，反斯托克斯光和斯托克斯光均属于拉曼散射光。

12、所述ai增强型信号解调模块包括数据采集卡和ai信号处理单元。所述数据采集卡用于接收第一平衡光电探测器、雪崩光电二极管ⅰ、雪崩光电二极管ⅱ输出的电信号，并将电信号转化为数字信号传输至ai信号处理单元。

13、所述ai信号处理单元集成有cgan降噪模块与解调模块。所述cgan降噪模块以数字信号为输入，以降噪后的数字信号为输出。所述解调模块以降噪后的数字信号为输入，经卷积层提取布里渊频移与拉曼光强比特征，并通过端到端解算，输出温度与应变数据。

14、进一步，所述相位混沌种子源采用dfb半导体激光器。所述dfb半导体激光器的中心波长为1550nm。

15、所述混沌驱动信号发生器通过输出的混沌信号驱动相位混沌种子源发射激光。所述混沌信号的lyapunov指数≥2.0。

16、进一步，所述第一掺铒光纤放大器用于将激光功率放大至100mw。

17、所述第二掺铒光纤放大器用于将激光功率放大至500mw。

18、所述脉冲调制器生成的探测脉冲的脉宽为100ns。

19、所述光纤法布里-珀罗标准具用于实时校准激光中心波长漂移，使第一掺铒光纤放大器实际输出波长与理想中心波长的漂移量≤±1pm。

20、进一步，所述第一光耦合器的分光比为50:50。

21、所述双域协同传感光路模块还包括第二光耦合器和第三光耦合器。

22、所述第二光耦合器的分光比为90:10。所述第二光耦合器用于接收经声光调制器处理后的调制激光ⅰ，并将调制激光ⅰ分成两束，其中90%传递至第一光纤环形器的第一端口a，10%作为参考光备用。

23、所述第三光耦合器的分光比为90:10。所述第三光耦合器用于接收经扫频调制器处理后的调制激光ⅱ，并将调制激光ⅱ分成两束，其中90%传递至第二光纤环形器的第二端口a，10%作为参考光备用。

24、进一步，所述声光调制器的移频频率为10.8ghz，匹配g.652d型光纤的布里渊频移基准值。所述扫频调制器的扫频范围为±500mhz，覆盖温度与应变变化导致的布里渊频移波动范围。

25、进一步，所述30km单模待测光纤为g.652d型单模光纤，光纤衰减系数≤0.2db/km。

26、进一步，所述第一平衡光电探测器的带宽≥2ghz，信噪比≥60db。

27、所述雪崩光电二极管ⅰ、雪崩光电二极管ⅱ的响应波长分别匹配1528nm、1573nm，暗电流≤1na。

28、进一步，所述30km单模待测光纤在5km、15km、30km处设有固定校准点，每个固定校准点均内置有准确度为±0.1℃的温度传感器、与准确度为±5pm/的应变传感器。

29、所述固定校准点与ai信号处理单元连接，通过内置的温度传感器、应变传感器，采集数据，以实时更新解调模块参数。

30、进一步，所述双域协同传感光路模块中：

31、布里渊光支路中布里渊频移与温度变化、应变变化满足以下函数关系：

32、（1）

33、式中：为应变响应常数，为温度响应常数；

34、拉曼时域支路中拉曼光强比，即反斯托克斯光强与斯托克斯光强的比值与温度满足以下函数关系：

35、（2）

36、式中：、为通过校准得到的常数。

37、本发明创造的另一个目的提供一种基于相位混沌激光融合双域解调的长距离高精准分布式温度应变传感系统的测量方法，包括以下步骤：

38、s1、依次启动相位混沌种子源、混沌驱动信号发生器，控制混沌驱动信号发生器输出混沌信号，从而驱动相位混沌种子源生成相位混沌激光，生成的相位混沌激光经第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器放大，得到放大激光；

39、s2、脉冲调制器接收放大激光，生成脉冲光，脉冲光在30km单模待测光纤中发生背向拉曼散射；

40、同时，第一光耦合器接收放大激光，并将放大激光分为两路：一路经声光调制器移频，然后通过第一光纤环形器注入30km单模待测光纤一端；另一路经扫频调制器扫频、通过第二光纤环形器注入30km单模待测光纤另一端，两路光在30km单模待测光纤中发生受激布里渊散射；

41、s3、波分复用器接收背向拉曼散射信号和受激布里渊散射信号，并基于波长进行分离，得到布里渊光信号、apd1的反斯托克斯光信号、以及apd2的斯托克斯光信号；

42、s4、将布里渊光信号、apd1的反斯托克斯光信号、以及apd2的斯托克斯光信号转化为电信号，传输至数据采集卡，并在数据采集卡中，将电信号转化为数字信号传递至cgan降噪模块；

43、s5、基于cgan降噪模块，对采集的数字信号进行降噪，并将降噪后的数字信号输入至解调模块，解算得到30km单模待测光纤各位置的温度与应变数据；

44、每t分钟调用固定校准点的标准温度/应变数据，更新解调模块参数，修正解调误差；

45、s6、将解算得到的温度与应变数据传输至上位机，由上位机显示30km光纤的分布式温度-应变曲线。

46、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：

47、1、长距离与高分辨率兼容：30km传感距离下实现≤1m空间分辨率，突破了传统系统“长距离-低分辨率”的局限。

48、2、双参量高精准测量：温度分辨率≤0.2℃、准确度≤0.4℃，应变分辨率≤0.3、准确度≤15pm/，优于项目指标要求。

49、3、抗干扰能力强：相位混沌光源抑制非局域噪声，偏振分集与动态损耗补偿技术抵抗传输干扰，强电磁环境下误差增幅≤0.1℃/5。

50、4、工程实用性高：光路集成度高，ai解调时延≤100ms，满足实时监测需求。