本技術涉及分布式光纖傳感，尤其涉及一種信號接收裝置、發射裝置及光纖傳感裝置。

背景技術：

1、當光纖受到外界環境(如溫度、應力、振動等)影響時，光纖中傳輸光的強度、相位、頻率等參量將會相應的變化，通過檢測傳輸光的這些參量便可以獲得相應物理量，這種技術稱為光纖傳感技術。分布式光纖傳感技術是將光纖本身作為傳感器，根據測量光纖上每一點散射光的強度、相位或頻移，獲得光纖路徑上的溫度、應力、振動等信息，實現對這些物理量的監測。

2、相位敏感型光時域反射儀與布里淵光時域反射儀結合為多參量傳感的一種實現形式，其通過對瑞利散射與布里淵散射的同時檢測，實現了對振動、溫度、應力的傳感，但在對二者同時檢測時，其檢測性能對接收機的帶寬等要求較高。

技術實現思路

1、本技術提供了一種信號接收裝置、發射裝置及光纖傳感裝置，以及應用于光纖傳感裝置的信號處理方法，用以改善目前的光纖傳感裝置在同時檢測瑞利散射與布里淵散射時對設備的要求較高等問題。

2、第一方面，提供了一種信號接收裝置，包括相干接收機、射頻模數轉換單元及頻帶計算單元；相干接收機用于根據本振光和在被測光纖中產生的信號光獲得四路正交的電信號，四路正交的電信號包括第一偏振態的兩路正交的電信號和第二偏振態的兩路的正交的電信號，此處兩路電信號正交指兩路電信號的頻率相同且相位相差π/2，即相位正交，后續提到的正交信號也是如此，不再贅述；射頻模數轉換單元用于將四路電信號轉換得到第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號；頻帶計算單元用于根據第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號計算得到信號光的頻譜，頻譜包括位于正頻的第一檢測信號和位于負頻的第二檢測信號。

3、本技術實施例提供的信號接收裝置，利用相干接收機接收信號光，并根據信號光和本振光得到信號光第一偏振態的兩路正交的電信號xi、xq和第二偏振態的兩路正交的電信號yi、yq，由射頻模數轉換單元將四路正交的電信號轉換為數字信號后，頻帶計算單元對xi、xq、yi、yq四路數字信號進行頻帶計算后可以得到位于正頻的第一檢測信號和位于負頻的第二檢測信號的頻譜，例如第一檢測信號可以為φotdr信號，第二檢測信號可以為botdr信號，在此基礎上，通過調節探測光的頻率可以使得正頻的第一檢測信號的頻率位于模數轉換器的中心采樣頻率(正頻)附近，使得負頻的第二檢測信號的頻率分布在模數轉換器的中心采樣頻率(負頻)附近，這樣可以通過同一種adc分別在正頻將第一檢測信號采樣和在負頻將第二檢測信號采樣到，這樣利用一套收發裝置可以同時接收到botdr信號和信號，實現振動、溫度和應變等多個參量監測，相比于傳統的光纖傳感裝置而言，本技術實施例提供的方案可以降低對信號接收裝置中相干接收機和adc等的頻率覆蓋范圍的要求，例如傳統的光纖傳感裝置在正頻采樣第一檢測信號和第二檢測信號，頻率覆蓋范圍要求高；本技術提供的方案在正頻采樣第一檢測信號、在負頻采樣第二檢測信號，對信號接收裝置中相干接收機和adc的頻率覆蓋范圍的要求可以縮小一半。

4、在一種可能的實現方式中，相干接收機包括四個輸出端，射頻模數轉換單元包括四個射頻模數轉換器，四個射頻模數轉換器與相干接收機的四個輸出端一一對應連接，射頻模數轉換器包括數字控制振蕩器、第一混頻器、第一濾波器和第一模數轉換器；數字控制振蕩器的輸出端與第一混頻器的第一輸入端連接，第一混頻器的第二輸入端與相干接收機的輸出端連接；第一混頻器的輸出端與第一濾波器的輸入端連接，第一濾波器的輸出端與第一模數轉換器的輸入端連接，第一模數轉換器的輸出端與頻帶計算單元連接；數字控振蕩器用于生成第一頻率的射頻信號，第一混頻器用于將電信號與頻率為第一頻率的射頻信號混頻；第一濾波器用于將混頻后的信號中的高頻成分濾除，以將電信號變頻到基帶；第一模數轉換器用于將變頻到基帶的電信號轉換為數字信號，其中，第一模數轉換器的中心采樣頻率為第一頻率。通過將射頻信號降頻至基帶附近進行采樣，可以降低對模數轉換器性能的要求。

5、在一種可能的實現方式中，射頻模數轉換器還包括90°移相器、第二混頻器、第二濾波器及第二模數轉換器；數字控制振蕩器的輸出端還與90°移相器的輸入端連接，90°移相器的輸出端與第二混頻器的第一輸入端連接，第二混頻器的第二輸入端與相干接收機的輸出端連接，第二混頻器的輸出端與第二濾波器的輸入端連接，第二濾波器的輸出端與第二模數轉換器的輸入端連接，第二模數轉換器的輸出端與頻帶計算單元連接；數字控振蕩器用于生成第一頻率的射頻信號，90°移相器用于將射頻信號的移相90°，混頻器用于將相干接收機輸出的一路電信號與移相后的射頻信號混頻，第二濾波器用于將混頻后的信號中的高頻成分濾除，以將電信號變頻到基帶；第二模數轉換器用于將變頻到基帶的電信號轉換為數字信號，其中，第二模數轉換器的中心采樣頻率為第一頻率。相干接收機輸出的每一路模擬信號均通過兩路adc采集，兩路adc分別采集同相路(i路)和正交路(q路)信號，相比僅使用一路adc在i路采集信號而言，使用兩路adc分別采集i路和q路信號，能夠采集的信號的頻率范圍擴大了一倍，降低了對adc的采樣帶寬的要求。

6、在一種可能的實現方式中，例如第一檢測信號為相位敏感型光時域反射儀φotdr信號，第二檢測信號為布里淵光時域反射儀botdr信號。

7、在一種可能的實現方式中，第一檢測信號和第二檢測信號為同一個探測光脈沖散射產生的檢測信號，或者，第一檢測信號和第二檢測信號為不同探測光脈沖產生的檢測信號。如果第一檢測信號和第二檢測信號為同一個探測光脈沖發生散射產生的檢測信號，那么二者的頻率差約為布里淵頻移(vb)，如果要利用同類型的adc分別采樣第一檢測信號和第二檢測信號，會導致adc的中心采樣頻率需要在vb附近才能在負頻(-vb)和正頻(vb)附近分別采樣第二檢測信號和第一檢測信號，adc的采樣頻率能夠調整的范圍有限，而當第一檢測信號和第二檢測信號為不同探測光脈沖散射產生的檢測信號時，例如第一檢測信號由第一探測光脈沖產生，而第二檢測信號由第二探測光脈沖產生，這樣第一檢測信號、第二檢測信號的頻率差就不存在限制，可以通過調節第一探測光脈沖、第二探測光脈沖的頻率調節第一檢測信號、第二檢測信號的頻率分布，這樣adc的采樣頻率可以靈活調整。

8、在一種可能的實現方式中，信號接收裝置還包括信號質量計算單元，信號質量計算單元用于確定botdr信號的擬合精度和φotdr信號的相位噪聲。

9、第二方面，提供了一種信號發射裝置，信號發射裝置包括激光器、耦合器、第一射頻發射單元、正交調制器及光纖環形器；激光器用于發出光信號，激光器發出的光信號被耦合器耦合為兩路，其中一路傳輸至正交調制器作為探測光，另一路向相干接收機傳輸作為本振光；第一射頻發射單元用于產生頻率為第二頻率且正交的第一射頻信號和第二射頻信號；正交調制器用于將正交的第一射頻信號和第二射頻信號調制到第一偏振態的探測光上，得到探測光脈沖信號；光纖環形器用于連接被測光纖，光纖環形器用于將探測光脈沖信號輸入被測光纖，光纖環形器還用于將在被測光纖中產生的信號光輸出。

10、在一種可能的實現方式中，信號發射裝置還包括第二發射單元；第二射頻發射單元用于產生頻率為第三頻率且正交的第三射頻信號和第四射頻信號；正交調制器輸出的探測光具有兩個偏振態，正交調制器還用于將正交的第三射頻信號和第四射頻信號調制到第二偏振態的探測光上。

11、本技術實施例提供的方案可以將不同頻率的射頻信號分別調制到探測光的兩個偏振態上，兩個偏振態互不影響，可以采集第一偏振態的脈沖產生的第一檢測信號和第二偏振態的脈沖產生的第二檢測信號，這樣分別通過調節第二頻率和第三頻率可以靈活調節第一檢測信號和第二檢測信號的頻率分布范圍，靈活調節第一檢測信號和第二檢測信號的頻率能夠適應不同的信號接收裝置的工作頻帶。

12、在一種可能的實現方式中，第一射頻發射單元還用于調節第二頻率的大小。通過調節第二頻率的大小，可以調節第一檢測信號和第二檢測信號的頻率分布情況，將第一檢測信號和第二檢測信號調節至模數轉換器的采樣中心頻率附近，可以同時在正頻采樣第一檢測信號、在負頻采樣第二檢測信號，降低對adc采樣帶寬的要求。

13、在一種可能的實現方式中，第二射頻發射單元還用于調節第三頻率的大小，以及第二射頻發射單元發生的信號與第一射頻發射單元發生的信號的時延。

14、第三方面，提供了一種光纖傳感裝置，光纖傳感裝置包括：激光器、耦合器、第一射頻發射單元、正交調制器、光纖環形器、相干接收機、射頻模數轉換單元及頻帶計算單元；激光器發出的光信號被耦合器耦合為兩路，其中一路傳輸至正交調制器作為探測光，另一路傳輸至相干接收機作為本振光；第一射頻發射單元用于產生頻率為第二頻率且正交的第一射頻信號和第二射頻信號；正交調制器用于將正交的第一射頻信號和第二射頻信號調制到第一偏振態的探測光上，得到探測光脈沖信號；光纖環形器用于連接被測光纖，光纖環形器用于將探測光脈沖信號輸入被測光纖，光纖環形器還用于將在被測光纖中產生的信號光輸出至相干接收機；相干接收機用于根據本振光和在被測光纖中產生的信號光獲得四路正交的電信號，四路正交的電信號包括第一偏振態的兩路正交的電信號和第二偏振態的兩路正交的電信號；射頻模數轉換單元用于將四路電信號轉換得到第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號，頻帶計算單元用于根據第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號計算得到信號光的頻譜，頻譜包括位于正頻的第一檢測信號和位于負頻的第二檢測信號。

15、本技術實施例提供的光纖傳感裝置，其信號接收裝置利用相干接收機接收信號光，并根據信號光和本振光得到信號光第一偏振態的兩路正交的電信號xi、xq和第二偏振態的兩路正交的電信號yi、yq，由射頻模數轉換單元將四路正交的電信號轉換為數字信號后，頻帶計算單元對xi、xq、yi、yq四路數字信號進行頻帶計算后可以得到位于正頻的第一檢測信號和位于負頻的第二檢測信號的頻譜，例如第一檢測信號可以為φotdr信號，第二檢測信號可以為botdr信號，在此基礎上，通過調節探測光的頻率可以使得正頻的第一檢測信號的頻率位于模數轉換器的中心采樣頻率(正頻)附近，使得負頻的第二檢測信號的頻率分布在模數轉換器的中心采樣頻率(負頻)附近，這樣可以通過相同類型的adc分別在負頻和正頻將第一檢測信號和第二檢測信號采樣到，這樣利用一套收發裝置可以同時接收到botdr信號和信號，實現振動、溫度和應變等多個參量監測，相比于傳統的光纖傳感裝置而言，本技術實施例提供的方案可以降低對信號接收裝置中相干接收機和adc的頻率覆蓋范圍的要求，例如傳統的光纖傳感裝置在正頻采樣第一檢測信號和第二檢測信號，頻率覆蓋范圍要求高，本技術提供的方案在正頻采樣第一檢測信號、在負頻采樣第二檢測信號，對信號接收裝置中相干接收機和adc的頻率覆蓋范圍的要求可以縮小一半。

16、在一種可能的實現方式中，相干接收機包括四個輸出端，射頻模數轉換單元包括四個射頻模數轉換器，四個射頻模數轉換器與相干接收機的四個輸出端一一對應連接，射頻模數轉換器包括數字控制振蕩器、第一混頻器、第一濾波器和第一模數轉換器；數字控制振蕩器的輸出端與第一混頻器的第一輸入端連接，第一混頻器的第二輸入端與相干接收機的輸出端連接；第一混頻器的輸出端與第一濾波器的輸入端連接，第一濾波器的輸出端與第一模數轉換器的輸入端連接，第一模數轉換器的輸出端與頻帶計算單元連接；數字控振蕩器用于生成第一頻率的射頻信號，第一混頻器用于將電信號與頻率為第一頻率的射頻信號混頻；第一濾波器用于將混頻后的信號中的高頻成分濾除，以將電信號變頻到基帶；第一模數轉換器用于將變頻到基帶的電信號轉換為數字信號，其中，第一模數轉換器的中心采樣頻率為第一頻率。

17、在一種可能的實現方式中，射頻模數轉換器還包括90°移相器、第二混頻器、第二濾波器及第二模數轉換器；數字控制振蕩器的輸出端還與90°移相器的輸入端連接，90°移相器的輸出端與第二混頻器的第一輸入端連接，第二混頻器的第二輸入端與相干接收機的輸出端連接，第二混頻器的輸出端與第二濾波器的輸入端連接，第二濾波器的輸出端與第二模數轉換器的輸入端連接，第二模數轉換器的輸出端與頻帶計算單元連接；數字控振蕩器用于生成第一頻率的射頻信號，90°移相器用于將射頻信號的移相90°，第二混頻器用于將相干接收機輸出的一路電信號與移相后的射頻信號混頻，第二濾波器用于將混頻后的信號中的高頻成分濾除，以將電信號變頻到基帶；第二模數轉換器用于將變頻到基帶的電信號轉換為數字信號，其中，第二模數轉換器的中心采樣頻率為第一頻率。

18、在一種可能的實現方式中，例如第一檢測信號為相位敏感型光時域反射儀φotdr信號，第二檢測信號為布里淵光時域反射儀botdr信號。

19、在一種可能的實現方式中，第一檢測信號和第二檢測信號為探測光的第一偏振態的脈沖散射產生的檢測信號。

20、在一種可能的實現方式中，信號發射裝置還包括第二發射單元；第二射頻發射單元用于產生頻率為第三頻率且正交的第三射頻信號和第四射頻信號；正交調制器還用于將正交的第三射頻信號和第四射頻信號調制到第二偏振態的探測光上；頻帶計算單元用于根第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號計算得到信號光的頻譜，頻譜包括位于正頻的第一檢測信號和位于負頻的第二檢測信號；其中，第一檢測信號和為探測光的第一偏振態的脈沖散射產生的檢測信號，第二檢測信號為探測光的第二偏振態的脈沖散射產生的檢測信號。

21、本技術實施例提供的光纖傳感裝置，信號發射裝置將不同頻率的射頻信號分別調制到探測光的兩個偏振態上，兩個偏振態互不影響，信號接收裝置可以采集第一偏振態的脈沖產生的第一檢測信號和第二偏振態的脈沖產生的第二檢測信號，這樣分別通過調節第二頻率和第三頻率可以靈活調節第一檢測信號和第二檢測信號的頻率分布范圍，靈活調節第一檢測信號和第二檢測信號能夠適應不同的信號接收裝置的工作頻帶。

22、在一種可能的實現方式中，在第一檢測信號的頻率范圍與第一頻率范圍不匹配的情況下，或者第二檢測信號的頻率范圍與第二頻率范圍不匹配的情況，第一射頻發射單元用于調節第二頻率，和/或，射頻模數轉換器用于調節第一頻率。

23、在一種可能的實現方式中，第一射頻發射單元還用于在第一檢測信號的頻率范圍的絕對值與第二檢測信號的頻率范圍的絕對值存在交叉的情況下調節第二頻率。

24、在一種可能的實現方式中，第一檢測信號為相位敏感型光時域反射儀φotdr信號，第二檢測信號為布里淵光時域反射儀botdr信號，光纖傳感裝置還包括信號質量計算單元，信號質量計算單元用于確定botdr信號的擬合精度和φotdr信號的相位噪聲。

25、在一種可能的實現方式中，第二射頻發射單元還用于根據botdr信號的擬合精度和/或φotdr信號的相位噪聲調節第三頻率的大小，以及第二射頻發射單元發射的信號與第一射頻發射單元發射的信號的時延。

26、第四方面，提供一種信號處理方法，方法應用于第三方面任一實現方式提供的光纖傳感裝置，方法包括：激光器發出的光信號；耦合器將激光器發出的光信號耦合為兩路，其中一路傳輸至正交調制器作為探測光，另一路傳輸至相干接收機作為本振光；第一射頻發射單元產生頻率為第二頻率且正交的第一射頻信號和第二射頻信號；正交調制器將正交的第一射頻信號和第二射頻信號調制到第一偏振態的探測光上，得到探測光脈沖信號；光纖環形器將探測光脈沖信號輸入被測光纖，以及將在被測光纖中產生的信號光輸出至相干接收機；相干接收機根據本振光和信號光獲得四路相位正交的電信號，四路正交的電信號包括第一偏振態的兩路相位正交的電信號和第二偏振態的兩路相位正交的電信號；射頻模數轉換單元對四路電信號轉換得到第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號；頻帶計算單元根據第一偏振態的兩路數字信號和第二偏振態的兩路數字信號計算得到信號光的頻譜，頻譜包括位于正頻的第一檢測信號和位于負頻的第二檢測信號。

27、在一種可能的實現方式中，方法還包括：在第一檢測信號的頻率范圍與第一頻率范圍不匹配的情況下，或者第二檢測信號的頻率范圍與第二頻率范圍不匹配的情況，第一射頻發射單元用于調節第二頻率，和/或，射頻模數轉換器用于調節第一頻率。

28、在一種可能的實現方式中，方法還包括：在第一檢測信號的頻率范圍的絕對值與第二檢測信號的頻率范圍的絕對值存在交叉的情況下，第一射頻發射單元調節第二頻率。

29、在一種可能的實現方式中，方法還包括：第二射頻發射單元根據botdr信號的擬合精度和/或φotdr信號的相位噪聲調節第三頻率的大小，以及第二射頻發射單元發射的信號與第一射頻發射單元發射的信號的時延。