本发明属于光纤通信与传感一体化，涉及一种通信中使用子载波频分复用与传感系统中使用线性调频信号来同时进行通信与传感监控的方法。
背景技术：
1、21世纪的信息化时代，数据的传输和处理速度成为衡量一个国家或地区信息化水平的重要指标。光纤通信技术以其无与伦比的传输速度和带宽，已经成为全球数据传输的主导力量。
2、然而，随着通信网络规模的不断扩大，网络的稳定性、安全性以及智能化管理的需求日益凸显。光纤传感技术以其独特的物理特性，如对环境变化的高灵敏度、抗电磁干扰能力强、尺寸小易于部署等，为通信网络的智能化管理提供了新的技术手段。光纤传感器可以监测光纤网络中的各种物理量，如温度、应力、位移、振动等，为网络的维护和故障诊断提供了实时数据支持。
3、光纤通信传感一体化技术的发展，正是基于这样的需求背景。这种技术通过将光纤通信和传感功能集成在同一根光纤上，不仅能够实现数据的高速传输，还能够对光纤网络的状态进行实时监测，从而大大提高了通信网络的可靠性和智能化水平。这种一体化技术的应用，可以有效降低系统的复杂性，减少设备成本，提升系统的集成度和维护效率。
4、在研究的早期阶段，已经证明从电信转发器中提取的偏振态(sop)和光学相位可以用于振动传感。然而，这些技术不能提供在分布式传感应用中所需的足够的定位精度，特别是对于复杂的环境。相比之下，基于背向散射光的分布式光纤传感(dofs)能够以相当高的空间分辨率测量广泛的物理参数。在光纤传感领域，具有高空间分辨率和高灵敏度的相敏光时域反射仪(φ-otdr)已成为一种特别引人注目的方法。相敏光时域反射仪(φ-otdr)在系统结构、信号调制和信号检测方面与传统的光通信系统有显著的相似之处，使其成为集成光传输和监测的理想选择。近年来，相敏光时域反射仪(φ-otdr)还通过波分复用器和频分复用器集成到相干光通信网络中，以实现同时数据传输和分布式振动传感。然而，这些组合相敏光时域反射仪(φ-otdr)和通信的方案只是与两个不同的收发器共享光纤，导致部署成本显著增加。
技术实现思路
1、本发明正是为了解决上述问题缺陷，提供一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统。
2、对于传统的相干光网络体系结构，子载波频分复用技术因其在短距离场景中的潜力而受到极大关注，被认为是下一代软件可配置光网络发展的关键驱动因素。子载波频分复用(subcarrier frequency division multiplexing，sfdm)是一种在光纤通信中使用的信号传输技术，它基于频分复用(fdm)的原理，通过将宽带信道分割成多个较窄的子载波来实现多路信号的同时传输。因此，子载波频分复用系统具有微调频谱的灵活性，并与大规模部署的相干体系结构兼容，特别适合成本敏感的短距离传感和通信应用。
3、本发明的思路是基于子载波频分复用与线性调频的光纤通信传感一体化，为了实现高性能的传感，探测信号使用连续线性调频(lfm)探测信号，其具有宽频率响应范围，抗多径干扰能力，可以同时实现高分辨率与长距离探测，适用于高速光通信和分布式传感的集成等优点。该方法在地质勘探与建筑物结构检测等领域具有广阔的应用前景。可以将线性调频传感数据定位在子载波频分复用的频谱的中心部分，实现了单通道的频谱复用传感和通信。
4、本发明采用如下技术方案实现。
5、一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，本发明所述系统包括激光器、耦合器、iq调制器、任意波形发生器、光放大器、光环形器、光纤、振动源、相干接收机(由90°混频器和光电探测器pd集成)、示波器、偏振控制器；
6、激光器依次通过耦合器、iq调制器、光放大器与光环形器连接；
7、光环形器依次通过光纤、振动源、光纤、相干接收机1与示波器1连接；
8、光环形器通过相干接收机2与示波器2连接；
9、耦合器通过偏振控制器与相干接收机2连接；
10、任意波形发生器分别与iq调制器和振动源连接；
11、所述激光器发射光信号，连续光经过所述iq调制器转换为上文所述的通信传感一体化的信号，再经过所述光放大器进行功率放大后进入所述光环形器的第一端口，通过所述光环形器的第二端口注入所述传感光纤；所述传感光纤中携带有外界扰动信息的背向瑞利散射光再次经过所述光环形器的第二端口，经过光纤传输之后在通信接收端使用相干接收机对信号进行采集。瑞利背向散射光经过光环形器的第三端口，再通过另外一个相干接收机对传感信号进行接收，至此系统的原始信号被示波器采集至计算机进行信号解调处理。
12、进一步为，本发明所述方法包括以下步骤：
13、步骤1)通过权利要求1所述的结构，将通信和传感信号一起发送到光纤中；
14、步骤2)分别对通信与传感信号进行接收，再分别进行离线处理；
15、步骤3)在接收到通信与传感信号后，分别进行解调处理；
16、步骤3.1)先对接收到的通信信号进行时钟和数据恢复、信号均衡、符号判决、错误检测和纠正、信号解码、数据提取、计算出误码率(ber)和信号噪声比(snr)的步骤；
17、步骤3.2)传感端再对瑞利散射信号进行低通滤波，匹配滤波，旋转矢量求和、消除干涉衰落、振动定位、波形解调的步骤。
18、进一步为，本发明所述步骤1)包括光纤激光器产生的连续波作为发射端光源；该激光器的工作波长为1550.12nm，线宽为100hz；通过50：50的保偏耦合器将光分成两条支路；一个支路用作感测接收器的本机振荡器；另一种是由任意波形发生器(awg)驱动的单偏振同相正交(iq)调制器；在发端产生通信与传感信号的步骤为：分别离线产生具有25gbaud的4个子载波频分复用信号；相邻的两个子载波之间有一个500mhz的频带；生成一个500mbaud的lfm信号，并将其插入子载波频分复用频谱的中心。
19、进一步为，本发明所述步骤2)包括在通信接收端，光信号由相干接收机(icr)检测；本振采用线宽为100khz的外腔激光器(ecl)；在传感接收端，瑞利背向散射(rbs)光与本振光混合，并由另一个相干接收机接收；需要指出的是，相干接收机(icr)的极化分集检测消除了相敏光时域反射仪(φ-otdr)中的极化衰落，并具有应对脉冲幅度调制信号的能力；然后，电信号由四通道的滤波器进行采样并离线处理；为了提取传感信号，数字示波器的采样率设置为500msa/s。
20、进一步为，本发明所述步骤3.1)包括：先对接收到的通信信号的时钟和数据恢复(cdr)：在数字信号中，需要从接收到的数据中恢复出发送时的时钟信号，以确保数据的正确同步；再进行信号均衡：由于光纤或其他传输介质的特性，信号在传输过程中可能会受到色散和衰减的影响；信号均衡的目的是补偿这些效应，以改善信号质量；接着进行符号判决：在数字信号中，需要将接收到的信号与一组预定义的参考信号进行比较，以确定每个符号的正确值；然后再进行错误检测和纠正：在信号传输过程中可能会发生错误，需要通过错误检测和纠正算法来识别和修复这些错误；接着进行信号解码：将接收到的数字信号解码成原始的比特流；这可能包括去除任何编码冗余；最后进行数据提取：从解码后的比特流中提取有用的数据，并将其传递给最终用户或其他系统；最后算出误码率(ber)和信号噪声比(snr)，以确保通信系统的性能。
21、进一步为，本发明所述步骤3.2)包括对接收到的传感信号进行低通滤波处理，以消除高频噪声，再进行干涉衰落的消除：使用匹配滤波与旋转矢量求和法；接着进行相位解调：利用数字信号处理技术，如希尔伯特变换或iq解调，从数字信号中提取相位信息；相位的变化与光纤上扰动的位置和强度有关；特征提取：从解调后的信号中提取有助于事件识别的特征，如时域特征、频域特征和形态特征；特征的选择依赖于监测对象和应用场景；决策与报警：根据模式识别的结果，系统做出决策并触发相应的报警或响应措施；对消除干涉衰落后的数据进行差分对振动点进行定位。
22、一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被机器执行时实现如上述任一的方法的步骤。
23、本发明的有益效果为，(1)本发明可以实现光纤通信传感一体化的结构；
24、(2)本发明在传输通信信号的同时，也可以对光纤链路进行监控。
25、(3)本发明利用子载波频分复用系统的频谱灵活性，将线性调频传感信号插入到子载波频分复用通信信号的中心频谱中，从而实现了使用同一发射机的传感信号和通信信号的低成本集成。
26、下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释。
1.一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述系统包括激光器、耦合器、iq调制器、任意波形发生器、光放大器、光环形器、光纤、振动源、相干接收机、示波器、偏振控制器；
2.根据权利要求1所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤1)包括光纤激光器产生的连续波作为发射端光源；该激光器的工作波长为1550.12nm，线宽为100hz；通过50：50的保偏耦合器将光分成两条支路；一个支路用作感测接收器的本机振荡器；另一种是由任意波形发生器驱动的单偏振同相正交调制器；在发端产生通信与传感信号的步骤为：分别离线产生具有25gbaud的4个子载波频分复用信号；相邻的两个子载波之间有一个500mhz的频带；生成一个500mbaud的lfm信号，并将其插入子载波频分复用频谱的中心。
4.根据权利要求1所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤2)包括在通信接收端，光信号由相干接收机检测；本振采用线宽为100khz的外腔激光器；在传感接收端，瑞利背向散射光与本振光混合，并由另一个相干接收机接收；相干接收机的极化分集检测消除了相敏光时域反射仪中的极化衰落，并具有应对脉冲幅度调制信号的能力；然后，电信号由四通道的滤波器进行采样并离线处理。
5.根据权利要求4所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤2)包括数字示波器的采样率设置为500msa/s。
6.根据权利要求1所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤3.1)包括：先对接收到的通信信号的时钟和数据恢复：在数字信号中，需要从接收到的数据中恢复出发送时的时钟信号，以确保数据的正确同步；再进行信号均衡：由于光纤或其他传输介质的特性，信号在传输过程中可能会受到色散和衰减的影响；信号均衡的目的是补偿这些效应，以改善信号质量；接着进行符号判决：在数字信号中，需要将接收到的信号与一组预定义的参考信号进行比较，以确定每个符号的正确值；然后再进行错误检测和纠正：在信号传输过程中可能会发生错误，通过错误检测和纠正算法来识别和修复这些错误；接着进行信号解码：将接收到的数字信号解码成原始的比特流；包括去除任何编码冗余；最后进行数据提取：从解码后的比特流中提取有用的数据，并将其传递给最终用户或其他系统；最后算出误码率和信号噪声比。
7.根据权利要求6所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤3.1)包括：在相干检测后，接收到的模拟信号由数字存储示波器数字化，采样率为每通道80gsa/s；在将信号下采样到波特率的两倍之后，进行通信信号的处理；然后进行格拉姆-施密特正交化过程和频偏补偿，以分别补偿接收侧的iq失配和频偏；后续的解复用到四个独立的子载波的dsp模块使用匹配的rrc滤波器来实现；在匹配滤波后，采用恒模预收敛算法进行盲均衡；盲相位搜索用于载波相位恢复；然后采用盲判决最小二乘法校正残余符号间干扰；最后对所有子载波的误码率进行平均。
8.根据权利要求1所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤3.2)包括对接收到的传感信号进行低通滤波处理，以消除高频噪声，再进行干涉衰落的消除：使用匹配滤波与旋转矢量求和法；接着进行相位解调：利用数字信号处理技术，如希尔伯特变换或iq解调，从数字信号中提取相位信息；相位的变化与光纤上扰动的位置和强度有关；特征提取：从解调后的信号中提取有助于事件识别的特征，如时域特征、频域特征和形态特征；特征的选择依赖于监测对象和应用场景；决策与报警：根据模式识别的结果，系统做出决策并触发相应的报警或响应措施；对消除干涉衰落后的数据进行差分对振动点进行定位，并恢复出正弦波的振动波形。
9.根据权利要求1所述的一种基于子载波频分复用与线性调频的光纤感通一体系统，其特征在于，所述步骤3.2)包括对瑞利背向散射信号相位提取为：
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被机器执行时实现如权利要求2至9中任一项所述的方法的步骤。
