本發(fā)明涉及光纖傳感，尤其涉及一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、分布式光纖聲波傳感(distributed?acoustic?sensing，das)的感知參量為振動聲波信號，因此，傳感光纜無需與被測對象緊密接觸，可以通過介質(zhì)傳播的聲場信號實現(xiàn)對目標狀態(tài)的感測。通過對大型基礎(chǔ)設(shè)施振動聲波的檢測，不僅可以捕捉結(jié)構(gòu)損傷信息，還可以準確還原振源的特征和信息，定量揭示這些大型設(shè)施服役期間的損傷演化規(guī)律和失效機理。為此，das被認為最具實用價值的大型基礎(chǔ)設(shè)施無損檢測分布式光纖傳感技術(shù)。

2、當前基于分立器件的das設(shè)備性能包絡(luò)線與典型應(yīng)用的需求之間存在著較大的失配，das系統(tǒng)中的傳感距離、頻率響應(yīng)、動態(tài)范圍與靈敏度受其底層機理限制，總存在著相互制約的關(guān)系。而對各類大型設(shè)施的早期風險預(yù)警通常均需要動態(tài)響應(yīng)、大動態(tài)范圍與高靈敏度，此外，在一些復(fù)雜環(huán)境下，對系統(tǒng)的信號保真度、感測靈敏、體積、重量、功耗、環(huán)境適應(yīng)性等性能提出了更高的要求。

3、因此，提出一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)及方法，來解決現(xiàn)有技術(shù)存在的困難，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)，包括：低壓直流綜合電驅(qū)模塊，以及依次連接的光發(fā)射芯片、光放大耦合模塊、光接收芯片、信號調(diào)理與采集芯片、數(shù)字信號處理芯片；

4、其中，光發(fā)射芯片，用于合成das系統(tǒng)所需要的包含多個不同波長的脈沖序列；

5、光放大耦合模塊，包括依次連接的光功率放大器、光環(huán)形器和光低噪聲放大器，其中，光環(huán)形器還連接有一傳感光纖；光功率放大器，與脈沖光調(diào)制器連接，用于提升脈沖峰值功率；通過光環(huán)形器注入傳感光纖，由于多個波長的脈沖交織注入傳感光纖，經(jīng)光環(huán)形器返回的背向散射信號也包含多個波長，背向散射光信號通過光低噪聲放大器進行放大，得到經(jīng)過光低噪聲放大后的多波長光信號；

6、光接收芯片，用于對波分復(fù)用機制下多路散射光的分離與探測，得到光電探測信號；

7、信號調(diào)理與采集芯片，用于對光電探測信號進行放大、濾波和量化，得到獨立的n路解調(diào)結(jié)果；

8、數(shù)字信號處理芯片，用于對背向散射光信號攜帶物理參量的解調(diào)、高維特征提取與模式識別、人機交互與數(shù)據(jù)通信；

9、低壓直流綜合電驅(qū)模塊，用于對光發(fā)射芯片、光放大耦合模塊、光接收芯片、信號調(diào)理與采集芯片、數(shù)字信號處理芯片的驅(qū)動及控制。

10、上述的系統(tǒng)，可選地，光發(fā)射芯片包括依次連接的窄線寬光源陣列和脈沖光調(diào)制器；

11、窄線寬光源陣列，用于輸出不同頻率的脈沖光；

12、脈沖光調(diào)制器，用于對窄線寬光源陣列輸出的不同頻率的脈沖光進行處理，從而得到波分交織多域復(fù)用測量機制下的探測光脈沖，包括單邊帶調(diào)頻和強度調(diào)制脈沖整形兩部分。

13、上述的系統(tǒng)，可選地，采用基于串行級聯(lián)調(diào)制方式對脈沖光進行處理，使得消光比滿足das系統(tǒng)要求，具體包含如下步驟：

14、1)窄線寬光源陣列內(nèi)部的每一個激光器在時間域上等間隔交替打開，形成寬度us級別的脈沖，以重構(gòu)-等效啁啾光柵rec技術(shù)，實現(xiàn)對激光器中心波長精準調(diào)控；

15、2)多波長激光器陣列產(chǎn)生的n個波長的脈沖由波分復(fù)用器進行合并，交織為單路的脈沖序列；

16、3)通過時間上同步的外調(diào)制，將脈沖光內(nèi)部頻率穩(wěn)定的區(qū)域切分為對稱的兩半，將其中的后一半脈沖頻率搬移δf，至此在單個脈沖內(nèi)部，形成了頻率連續(xù)變化的啁啾區(qū)域，以及頻率分別為f和f+δf的2個穩(wěn)定區(qū)域；

17、4)采用寬帶的馬赫-曾德mz調(diào)制器結(jié)構(gòu)，通過精確平衡馬赫-曾德干涉儀兩臂的損耗，實現(xiàn)對激光器陣列芯片提供的多個波長脈沖信號同時進行高消光比的脈沖整形，切除啁啾區(qū)域，并將頻率穩(wěn)定區(qū)域進一步斬波為矩形系數(shù)更好，頻率分為f和f+δf的2個子脈沖，產(chǎn)生的2個子脈沖各自脈寬降低到數(shù)十ns量級，間隔為數(shù)百ns量級。

18、上述的系統(tǒng)，可選地，兩個子脈沖其頻率差δf和脈沖寬度τ滿足如下關(guān)系：

19、

20、上述的系統(tǒng)，可選地，光接收芯片包括波分解復(fù)用器、多個與波分解復(fù)用器并行連接的光電探測器；

21、波分解復(fù)用器與光低噪聲放大器連接；

22、波分解復(fù)用器將經(jīng)過光低噪聲放大后的多波長光信號分離為獨立的n路輸出，而后由多個并聯(lián)設(shè)置的光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換為電信號。

23、上述的系統(tǒng)，可選地，信號調(diào)理與采集芯片包括多條與光電探測器數(shù)量相同的信號調(diào)理與采集支路，每條信號調(diào)理與采集支路包括依次連接的跨阻放大器、帶通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；跨阻放大器與光電探測器對應(yīng)連接。

24、上述的系統(tǒng)，可選地，數(shù)字信號處理芯片包括依次連接的數(shù)字解調(diào)、可重構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、微處理器內(nèi)核。

25、上述的系統(tǒng)，可選地，光發(fā)射芯片采用化合物半導(dǎo)體工藝生成，光接收芯片采用硅光工藝生成，光發(fā)射芯片和光接收芯片內(nèi)部各功能部件之間，以及光發(fā)射芯片和光接收芯片到單模光纖之間均采用光學(xué)引線鍵合photonic?wire?bonding，pwb的方式；

26、光發(fā)射芯片與光接收芯片在空間上布局接近，歸并到統(tǒng)一的封裝；封裝后的電學(xué)引腳通過焊線機直接綁定在電路板上；

27、將光發(fā)射芯片、光接收芯片、光放大耦合模塊中的泵浦光源，集中在電路板上一個設(shè)定的區(qū)域，統(tǒng)一進行恒溫控制；

28、低壓直流綜合電驅(qū)模塊對系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)射芯片、光放大耦合模塊、光接收芯片、信號調(diào)理與采集芯片、數(shù)字信號處理芯片進行集中調(diào)度，功能包括溫度控制、異常保護、增益穩(wěn)定、電源驅(qū)動、時序控制，還包括人機界面、看門狗、低功耗休眠、高精度參考的專用功能。

29、上述的系統(tǒng)，可選地，信號調(diào)理與采集芯片、數(shù)字信號處理芯片以混合電路和純數(shù)字電路的2片單芯片形式，焊接在電路板上，通過電路板微帶線實現(xiàn)互聯(lián)。

30、一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感方法，應(yīng)用于上述任一項所述的一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)，包括以下步驟：

31、s1：由光發(fā)射芯片輸出在時間維度上有一定序列的n個波長的光信號，且每個波長的光信號是頻率包含f和f+δf的2個成分的子脈沖，存在百ns量級的間隔；

32、s2：光信號通過功率放大器提升脈沖峰值功率，經(jīng)過光環(huán)形器后注入傳感光纜；

33、s3：攜帶有事件信息的背向散射光信號經(jīng)光環(huán)形器返回，由光低噪聲放大器進行放大；

34、s4：在光接收芯片中以波分解復(fù)用器分離為獨立的n路輸出，每一路輸出的光信號為f和f+δf兩個頻率成分的背向散射光信號的疊加；

35、s5：在光接收芯片中以探測器陣列分別對各個波長的信號進行光電轉(zhuǎn)換，記錄得到攜帶相位信息的拍頻信號；

36、s6：光電轉(zhuǎn)換后的電信號由信號調(diào)理與采集芯片完成放大、濾波和量化，并送交數(shù)字信號處理芯片；

37、s7：由數(shù)字信號處理芯片對多路頻分交織獲得的傳感數(shù)據(jù)進行處理、重構(gòu)。

38、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于光子集成的長距離寬頻響分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)及方法，具有以下有益效果：

39、(1)采用光子集成路線，das系統(tǒng)的核心功能部件采用單片集成的方式，各芯片間及芯片到單模光纖之間通過光學(xué)引線鍵合，極大的提高了das在不同應(yīng)用場景下所面臨的體積、重量、功耗、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面的要求；

40、(2)本系統(tǒng)采用激光器陣列芯片和陣列探測器實現(xiàn)波分交織機制，突破了傳感距離與探測脈沖光發(fā)射頻率間的制約，可以使用更高的脈沖發(fā)射頻率，提升傳感儀器的頻率響應(yīng)上限、動態(tài)范圍和探測靈敏度；

41、(3)通過對頂層的傳感系統(tǒng)方案進行優(yōu)化，采用外調(diào)制脈沖整形、串行級聯(lián)調(diào)制等方案，大大降低了現(xiàn)有技術(shù)手段對光源線寬的苛刻要求，同時等效獲得高消光比的探測光脈沖，使得光子集成芯片的性能指標滿足das系統(tǒng)要求；

42、(4)系統(tǒng)解調(diào)后的信息包含波長、空間、時間3個維度，通過多路同步獨立測量結(jié)果間的連續(xù)動態(tài)優(yōu)選，可以抑制衰落噪聲的影響，高精度重構(gòu)信號，提升了信號的靈敏度；

43、(5)系統(tǒng)內(nèi)各模塊的驅(qū)動及電源從功能角度進行了歸并，統(tǒng)一采用低壓直流供電、各模塊進行集中調(diào)度，避免了現(xiàn)有方案的功能冗余，抑制了干擾，降低了體積與功耗。