本发明涉及分布式光纤传感，具体为一种基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪。
背景技术：
1、相位敏感光时域反射仪（φ-otdr）作为分布式光纤振动传感技术的典型代表，因其传感距离长、分布式连续测量、检测灵敏度高等优点，已广泛应用于周界安防预警、油气管线第三方入侵监测等领域。φ-otdr系统中传感光纤不同位置处产生的后向瑞利散射光会互相干涉造成干涉衰落，干涉衰落会造成监测信号的局部丧失导致无法正确还原传感光纤真实受外界扰动的情况。
2、通过降低光源相干度来减小干涉衰落的方式存在降低空间分辨率等问题。为了有效抑制干涉衰落的同时保证系统空间分辨率，使用主动移频环形腔将单频信号转换成多频信号进行多频探测，实现了对干涉衰落现象的抑制。多频探测在抑制衰落的同时会增加采样率导致硬件需求的提升。为了在保证系统要求的情况下降低所需采样率，引入了调制宽带转换器（mwc）采样技术，该技术能够实现信号频谱搬移从而降低采样率。
3、在mwc采样方法的实现过程中，使用混沌激光源产生的混沌随机序列来进行混频操作。混沌随机序列具有良好的相关性衰减性质和自相似性质，与传统的随机序列相比，混沌随机序列更有利于信号处理性能的提升。混沌序列可以提供更加均匀和广泛的频谱覆盖，使得系统在追踪和分析多尺度的事件动态时更为精确有效。
4、因此，结合了多频探测技术和基于混沌随机序列的mwc采样技术的φ-otdr系统，在基本维持原有硬件设备采样率的基础上有效地抑制了干涉衰落问题，使得长距离和宽动态范围的分布式光纤振动传感变得更加可靠。
技术实现思路
1、本发明为了解决传统用于降低干涉衰落方法中的采样率限制，提高对动态事件的监测能力，提供一种基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪。
2、本发明采取以下技术方案：一种基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，包括：
3、窄线宽激光器；
4、第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器接收窄线宽激光器的激光，并将激光分为探测光和参考光；
5、第三光纤耦合器，所述第三光纤耦合器的输入端分别接收探测光和参考光进行拍频；
6、平衡光电探测器，所述平衡光电探测器连接第三光纤耦合器，对拍频信号进行光电转换后连接信号分路器；
7、压缩采样硬件系统，所述压缩采样硬件系统接收信号分路器输出的三组模拟电信号，分别进行混频降采样。
8、在一些实施例中，第一光纤耦合器输出的探测光依次经过半导体光放大器、第一脉冲光放大器、移频延时环形腔、环形器以及偏振控制器后输入第三光纤耦合器；
9、所述探测光输入到半导体光放大器，半导体光放大器对连续的探测光进行脉冲调制；
10、半导体光放大器的输出端将调制后的脉冲光输出到第一脉冲光放大器，第一脉冲光放大器对脉冲光进行放大，放大后的脉冲光信号输入到移频延时环形腔，脉冲光不断在环路中发生频移调制输出的多阶谐波脉冲串；
11、多阶谐波脉冲串输出到环形器的a输入端，环形器的b输出端经传感光纤连接至第二光隔离器，第二光隔离器起尾纤处理的作用，环形器的c输出端输出探测光至偏振控制器，偏振控制器控制探测光的偏振态。
12、在一些实施例中，半导体光放大器将探测光调制放大为脉冲宽度为100ns的脉冲光，设置第一次发出触发脉冲的时间为t，以及设置触发信号的重复频率为10khz，即两脉冲信号间隔时间为100μs。
13、在一些实施例中，移频延时环形腔包括第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的a输入端连接第一脉冲光放大器，第二光纤耦合器的d输出端连接环形器的a输入端；第二光纤耦合器的c输出端和b输入端之间依次串联声光调制器、第二脉冲光放大器、延迟光纤、第一光滤波器以及第一光隔离器。
14、在一些实施例中，声光调制器的输出端经第二脉冲光放大器连接至延迟光纤，第二脉冲光放大器将移频后的脉冲光再次放大，通过设置延迟光纤的长度，可以控制脉宽相同的多频脉冲上升沿间的时间间隔为5μs，远远大于100ns的脉冲宽度，确保各个谐波脉冲间不发生混叠；延迟光纤经第一光滤波器连接至第一光隔离器；第一光滤波器滤除多余的高阶谐波以及第二脉冲光放大器产生的自发辐射噪声，第一光隔离器控制激光从第一光滤波器输出至第二光纤耦合器，防止产生回光损害前端器件。
15、在一些实施例中，第一光滤波器控制脉冲激光信号在移频延时环形腔内的循环次数为三次，最终输出多频激光的频移量为80mhz、160mhz、240mhz，且各个脉宽相同的多频脉冲间的时间间隔为5μs，该多阶谐波脉冲串的整体长度小于两脉冲信号间隔时间100μs，避免两相邻多阶谐波脉冲串发生混叠。
16、在一些实施例中，压缩采样硬件系统包括：
17、依次连接的第一电信号放大器、第一混频器、第一信号滤波器以及第一采样示波器；
18、依次连接的第二电信号放大器、第二混频器、第二信号滤波器以及第二采样示波器；
19、依次连接的第三电信号放大器、第三混频器、第三信号滤波器以及第三采样示波器；
20、其中第一电信号放大器、第二电信号放大器以及第三电信号放大器分别接收信号分路器输出的模拟电信号，进行放大；
21、放大后的模拟电信号输入第一混频器、第二混频器以及第三混频器后，与混频序列生成模块生成的混频序列进行混频；
22、所述第一信号滤波器，第二信号滤波器，第三信号滤波器对混频后的信号进行滤波，仅截取低频部分的频谱信息；
23、之后将仅保留低频部分的信号分别由第一采样示波器、第二采样示波器、第三采样示波器进行采样。
24、在一些实施例中，混频序列生成模块包括上位机，所述上位机依次连接pxie控制器、混沌激光控制器、混沌激光源、第二光滤波器、光电转换器、模数转换器以及阈值比较器，阈值比较器生成的混沌随机序列输入多路随机序列生成器；
25、第一采样示波器、第二采样示波器、第三采样示波器的采样率由pxie控制器设置；
26、第一采样示波器、第二采样示波器、第三采样示波器将采样到的数字信号分别传输到上位机的输入端口，上位机进行信号重构，还原出原始拍频信息。
27、在一些实施例中，上位机将混沌激光控制信息传输到pxie控制器，pxie控制器将混沌激光控制信息输入至混沌激光控制器，混沌激光源在受到混沌激光控制器的调控下发射满足频率、振幅等要求的混沌激光，混沌激光经过第二光滤波器滤除多余频率分量之后输入到光电转换器转化成混沌电信号，混沌电信号由模数转换器转化成数字信号；模数转换器输出的数字信号位宽为8bit，此数字信号由设置阈值的阈值比较器转化为01序列，由此生成混沌随机序列。
28、在一些实施例中，混频序列生成模块生成的混沌随机序列的重复频率fp要大于每个频率的频带宽度b；混沌随机序列一个周期的总码元个数p要大于等于fnyq/fp，其中fnyq是采样率。
29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30、本发明利用mwc压缩采样技术对带有拍频信息的混频信号进行降采样，解决了传统多频探测方案中所需硬件设备采样率过高的问题，从而减少系统对硬件设备的要求和消耗，提高了信号采集效率。
31、本发明利用混沌激光产生的混沌随机序列作为mwc压缩采样技术所需的混频序列。与传统的随机序列相比，混沌随机序列更有利于信号处理性能的提升。混沌随机序列可以提供更加均匀和广泛的频谱覆盖，使得系统在追踪和分析多尺度的事件动态时更为精确有效。
32、本发明采用移频延时技术，借助声光调制器的移频特性，实现了多频探测光的生成，利用光滤波器实现了阶数的选择，并利用光放大器补偿了各阶探测光的功率，从而有效抑制了后向瑞利散射光的干涉衰落，进一步提高信号的质量。
1.一种基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述第一光纤耦合器（2）输出的探测光依次经过半导体光放大器（3）、第一脉冲光放大器（4）、移频延时环形腔（39）、环形器（11）以及偏振控制器（14）后输入第三光纤耦合器（15）；
3.根据权利要求2所述的基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述半导体光放大器（3）将第一探测光调制放大为脉冲宽度为100ns的脉冲光，设置第一次发出触发脉冲的时间为t，以及设置触发信号的重复频率为10khz，即两脉冲信号间隔时间为100μs。
4.根据权利要求2所述的基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述移频延时环形腔（39）包括第二光纤耦合器（5），所述第二光纤耦合器（5）的a输入端连接第一脉冲光放大器（4），第二光纤耦合器（5）的d输出端连接环形器（11）的a输入端；第二光纤耦合器（5）的c输出端和b输入端之间依次串联声光调制器（10）、第二脉冲光放大器（9）、延迟光纤（8）、第一光滤波器（7）以及第一光隔离器（6）。
5.根据权利要求4所述的基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述声光调制器（10）的输出端经第二脉冲光放大器（9）连接至延迟光纤（8），第二脉冲光放大器（9）将移频后的脉冲光再次放大，通过设置延迟光纤（8）的长度，可以控制脉宽相同的多频脉冲上升沿间的时间间隔为5μs，远远大于100ns的脉冲宽度，确保各个谐波脉冲间不发生混叠；延迟光纤（8）经第一光滤波器（7）连接至第一光隔离器（6）；第一光滤波器（7）滤除多余的高阶谐波以及第二脉冲光放大器（9）产生的自发辐射噪声，第一光隔离器（6）控制激光从第一光滤波器（7）输出至第二光纤耦合器（5），防止产生回光损害前端器件。
6.根据权利要求5所述的基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述第一光滤波器（7）控制脉冲激光信号在移频延时环形腔（39）内的循环次数为三次，最终输出多频激光的频移量为80mhz、160mhz、240mhz，且各个脉宽相同的多频脉冲间的时间间隔为5μs，该多阶谐波脉冲串的整体长度小于两脉冲信号间隔时间100μs，避免两相邻多阶谐波脉冲串发生混叠。
7.根据权利要求1所述的基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述压缩采样硬件系统（41）包括：
8.根据权利要求7所述基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述混频序列生成模块（40）包括上位机（37），所述上位机（37）依次连接pxie控制器（36）、混沌激光控制器（35）、混沌激光源（34）、第二光滤波器（33）、光电转换器（32）、模数转换器（31）以及阈值比较器（30），阈值比较器（30）生成的混沌随机序列输入多路随机序列生成器（38）；
9.根据权利要求8所述基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述上位机（37）将混沌激光控制信息传输到pxie控制器（36），pxie控制器（36）将混沌激光控制信息输入至混沌激光控制器（35），混沌激光源（34）在受到混沌激光控制器（35）的调控下发射满足频率、振幅等要求的混沌激光，混沌激光经过第二光滤波器（33）滤除多余频率分量之后输入到光电转换器（32）转化成混沌电信号，混沌电信号由模数转换器（31）转化成数字信号；模数转换器（31）输出的数字信号位宽为8bit，此数字信号由设置阈值的阈值比较器（30）转化为01序列，由此生成混沌随机序列。
10.根据权利要求9所述基于混沌序列压缩采样的多频探测相位敏感光时域反射仪，其特征在于，混频序列生成模块（40）生成的混沌随机序列的重复频率fp要大于每个频率的频带宽度b；混沌随机序列一个周期的总码元个数p要大于等于fnyq/fp，其中fnyq是采样率。
