一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计
块(2)、边带分离模块(3)、光信号调理模块(4)、传感模块(5)和信号解调模块(6)，窄线)的输入端，频率调制模块(2)的输出端连接边带分离模块(3)
的输入端，边带分离模块(3)的输出端连接光信号调理模块(4)的输入端，光信号调理模块
(4)的输出端连接传感模块(5)的输入端，传感模块(5)的输出端连接信号解调模块(6)的输
1)频率调制模块(2)由电光调制器EOM(21)、半导体光放大器SOA(22)和任意信号发生
输出端(221)连接第一耦合器输入端(310)；频率调制模块(2)中的电光调制器EOM(21)为MZ
型强度调制器，通过设置合适的工作点，使调制出来的双边带啁啾脉冲的脉冲宽度τ满足
10ns≤τ≤100ns、扫频范围δv相等且满足100MHz≤δv≤5GHz以及扫频斜率相反，上边
2)边带分离模块(3)由第一耦合器(31)、第一环形器(32)、第一光纤布拉格光栅FBG
(33)、第二环形器(34)、第二光纤布拉格光栅FBG(35)、延时单元(36c)和第二耦合器(37)组
成；第一耦合器第一输出端(311)连接至第一环形器第一端(321)，第一环形器第二端(322)
与第一光纤布拉格光栅FBG(33)连接，第一环形器第三端(323)输出上边带啁啾脉冲(38)后
连接第二耦合器第一输入端(371)；第一耦合器第二输出端(312)连接至第二环形器第一端
(341)，第二环形器第二端(342)与第二光纤布拉格光栅FBG(35)连接，第二环形器第三端
(343)输出下边带啁啾脉冲(39)后与延时单元输入端(361)连接，延时单元输出端(360)与
第二耦合器第二输入端(372)连接，上边带啁啾脉冲(38)与带延时下边带啁啾脉冲(391)在
第二耦合器(37)处再次合光，第二耦合器输出端(370)连接光信号调理模块(4)中的掺饵光
2.根据权利要求1所述的一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计，其特征在于
1)第一光纤布拉格光栅FBG(33)的反射频段与上边带的频谱对应，第二光纤布拉格光
2)延时单元(36c)由第一光开关(36a)、第二光开关(36b)以及n段长度不同的光纤Li(i
＝0，1，...，n)组成，第一光开关第一通道(362)连接第一段光纤L0后连接第二光开关第一
输入端(363)，使上边带啁啾脉冲(38)与下边带啁啾脉冲(39)同步无延时；第二光开关第二
输入端(364)连接第二段光纤L1后连接第二光开关第二输入端(365)，使下边带啁啾脉冲
(39)相对上边带啁啾脉冲(38)开始出现延时；之后逐步增大光纤Li(i＝2，...，n)，使下边
带啁啾脉冲(39)的延时逐步增大；直到第一光开关第N个输入端(366)连接延时光纤Ln后连
接第二光开关第N输入端(367)，使下边带啁啾脉冲(39)的延时等于2倍脉冲宽度2τ，此时带
时延下边带啁啾脉冲(391)的前沿与上边带啁啾脉冲(38)的后沿之间延时为τ；通过选通第
一光开关(36a)和第二光开关(36b)的对应通道，使上边带啁啾脉冲(38)和下边带啁啾脉冲
3.根据权利要求1所述的一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计，其特征在于
光信号调理模块(4)由掺饵光纤放大器EDFA(41)和可调光衰减器VOA(42)组成；掺饵光
4.根据权利要求1所述的一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计，其特征在于
传感模块(5)中包括第三环形器(51)和传感光纤(52)；第三环形器第二端(512)连接传
感光纤(52)，探测信号在传感光纤(52)中传输并产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信
号通过第三环形器第三端(513)注入到光电探测器PD(61)中进行信号干涉与光电转换。
5.根据权利要求1所述的一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计，其特征在于
信号解调模块(6)中包括光电探测器PD(61)、数据采集卡DAQ(62)、带通滤波器BPF
(63)、互相关算法单元(64)；PD输出端(611)连接DAQ输入端(620)，同时，频率调制模块(2)
中AWG第三端(232)连接数据采集卡DAQ驱动端(621)，然后将数据采集卡DAQ(62)采集到的
数据通过带通滤波器BPF(63)进行滤波，提取宽频段干涉信号(632)，最后宽频段干涉信号
光时域反射计(OTDR)，是一种对光纤进行非破坏性测量、分析整段光纤的损耗情
况的分布式光纤传感系统，其原理是利用光脉冲在光纤的传播过程中与光纤介质相互作用
产生背向瑞利散射光，在光的发送端接收光脉冲和散射脉冲的回波形成背向散射光功率的
1976年，由Barnoski和Jensen首先提出，因其装置特性，OTDR存在传输距离与空间
分辨率相互制约的现象，且激光光源为窄脉宽光源，相干性十分差，对施加在光纤上的外部
光开光和频移器件将探测脉冲调制为前后频率不同且时间上分离的双脉冲信号，由于前后
脉冲存在时间差，因此可以将光纤中不同位置的相位信息调制到干涉信号中，实现直接探
公开了一种基于双脉冲的分布式光纤传感系统，在OTDR的基础上，将激光器发出的连续光
分成两路，分别使用两个声光调制器调制两个不同频率的脉冲，并在其中一路连接上延时
光纤，构成前后频率不同且时间上分离的双脉冲信号，由于此装置是直接探测型OTDR，脉冲
于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，使用一个脉冲调制器调制脉冲光后分成两路，通
过其中一路加入延时光纤形成具有重叠部分的两束探测光脉冲，从两束脉冲的瑞利散射光
的干涉信号中，实现传感光纤上相位变化的解调，从而得到振动信息，此装置中组成双脉冲
1993年，Taylar等人在专利(US5194847A)首次公开了一种相位敏感型光时域反射
干性的特点，增强了探测光脉冲在传感光纤中的干涉现象，使得系统对于外界扰动信号的
相位信息具有很高的灵敏度，相位的变化最终体现在该位置处散射强度的剧烈变化，系统
通过检测背向瑞利散射光强度谱的变化，利用算法可以对外部扰动进行定位，通过相干型
结构，保持低空间分辨率的同时极大提升了传感距离，但强度的变化为非线性，因此
啾脉冲，对外界扰动进行频率补偿，最终表现为扰动处的背向瑞利散射谱在时间域上有时
延现象，通过与无扰动时的参考图谱进行互相关处理，可以算出时延的大小，进而算出扰动
的大小，实现对扰动强度的定量测量，此装置存在应变测量范围受限于啁啾范围的问题，啁
啾范围小，则导致检测精度不高，应变测量范围小；啁啾范围大则对硬件要求高，成本大。
2019年，天津大学的刘铁根等人在专利(CN110864797A)中公开了一种异构双边带
啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法，此系统是基于相干探测OTDR，利用IQ调制
器分别加载两路不同的电信号，使探测信号为单个脉冲同时包含两种斜率相反的啁啾扫频
统，利用电光调制器调制出双边带啁啾脉冲，并分成两路分别提取上边带啁啾脉冲和下边
带啁啾脉冲，同时下边带啁啾脉冲所在的光路连接延时光纤，最终使探测信号为上边带啁
啾脉冲和带延时的下边带啁啾脉冲组成的双脉冲信号。利用斜率相反的啁啾脉冲对，与单
个啁啾脉冲相比，能够将扫频范围增加一倍，从而增加应变测量范围，同时，通过设置延时
光纤长度，实现空间分辨率可调，并且使背向瑞利散射信号中携带不同位置的扰动信息后
进行拍频，实现空间分辨率的可调，更有利于系统研究；利用探测信号的啁啾特性，接收到
信号为各个频率下的背向瑞利散射信号的叠加谱，抑制了相干衰落，同时，利用互相关算法
斜率相反的啁啾脉冲对，与单个啁啾脉冲相比，能够将扫频范围增加一倍，从而增加应变测
一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计，包括窄线、传感模块5和信号解调模块6六部分；其中，频率调
制模块2包括电光调制器EOM21、半导体光放大器SOA22和任意信号发生器AWG23，边带分离
模块3包括第一耦合器31、第一环形器32、第一FBG33、第二环形器34、第二FBG35、延时单元
36c和第二耦合器37；延时单元36c包括第一光开关(36a)、第二光开关(36b)以及n段长度不
同的光纤Li(i＝0，1，…，n)；光信号调理模块4包括EDFA41、VOA42；传感模块5包括第三环形
器51和传感光纤52；信号解调模块6包括光电探测器PD61、数据采集卡DAQ62、数字滤波器
中的电光调制器EOM21调制，得到双边带啁啾脉冲，脉冲宽度τ满足10ns≤τ≤100ns，脉冲宽
度100ns对应的空间分辨率为10m，若脉冲宽度继续增大，则系统的空间分辨率逐渐下降，若
取低于10ns的脉冲宽度，则一个脉冲内携带的能量十分微弱，不利于现象的观察，且对于信
号源的硬件要求十分高；扫频范围δv相等且满足100MHz≤δv≤5GHz，扫频范围越大，检
测范围越大，但超过5G的扫频范围对硬件要求过高，不容易实现，低于100M则容易导致检测
所述单脉冲正负啁啾脉冲信号的消光比较低，需要经过半导体光放大器SOA22进
行提高消光比，电光调制器EOM21和半导体光放大器SOA22由任意波形发生器AWG23进行同
所述第一耦合器31用于将双边带啁啾脉冲光信号分成两束光，再分别注入第一环
所述第一FBG33的反射频段与上边带啁啾脉冲的扫频范围对应；第二FBG35的反射
所述延时单元36c的光纤Li(i＝0，1，…，n)长度灵活可调，用于分离开上边带啁啾
所述第二耦合器37用于将上边带啁啾脉冲38和有延时的下边带啁啾脉冲391合
所述探测脉冲光序列在传感光纤52中产生的背向瑞利散射光经第三环形器51进
所述的互相关算法单元64为信号处理系统，对经BPF63提取后的信号进行处理，取
得N个瑞利散射图样，并且按照一定长度的窗口将测得的瑞利散射图样与瑞利散射参考图
样进行互相关运算，其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移，因此其相关峰发生偏移位
通过AWG23设置直流偏置电压使得电光调制器EOM21工作在合适的工作点，生成一
个扫频范围为δv且满足100MHz≤δv≤5GHz的线性啁啾信号，同时AWG23同步驱动至半
导体光放大器SOA22，单频连续光经频率调制模块2被调制为双边带啁啾脉冲，再经过边带
如图6所示，上边带啁啾脉冲38和带延时的下边带啁啾脉冲391在光纤中每一个散
射点都会形成背向瑞利散射信号，每一散射点产生的瑞利散射电场信号都会进行累加，最
后由探测器接收，由于下边带啁啾脉冲391具有一定的延时，所接受到的背向瑞利散射E2
(t)也比上边带啁啾脉冲的散射信号E1(t)有一定的延时，因此上边带啁啾脉冲产生的背向
瑞利散射信号521与下边带啁啾脉冲产生的带延时的背向瑞利散射信号522在PD61处进行
瑞利散射信号，且散射信号之间会进行相互干涉，分别是自干涉和互干涉，三种干涉信号在
时域上混叠，被光电探测器PD61接收为I(t)，再由数据采集卡DAQ62采集得到，再进行数字
采集到的干涉信号I(t)进行傅里叶变换，得到其频域信息I(f)，I(f)中有两个频
段，窄频段为[0，δv]，该频段由上边带散射信号自干涉630、下边带散射信号自干涉631组
提取出宽频段的拍频信号后，对N条瑞利散射图样进行互相关计算，通过相关峰的
如图7所示，当光纤上无外界扰动时，瑞利散射图样一致，而当有外界扰动时，啁啾
信号产生的瑞利散射图样在时间轴上相对无应变时有一个时延，其时延方向跟随啁啾扫描
斜率的正负，利用参考图样和实际图样的互相关运算，可以得到相关峰的时延偏移量，从而
本发明利用双脉冲结构与FBG，一路保留扫频范围从小到大的上边带啁啾脉冲，另
一路保留扫频范围从大到小的下边带啁啾脉冲，同时下边带啁啾脉冲引入一段延时光纤，
则双脉冲探测信号为上边带啁啾脉冲和带延时的下边带啁啾脉冲，与单个啁啾脉冲相比，
使瑞利散射干涉信号扩大一倍的频谱范围，并且宽频段的干涉信号能够从频段上跟窄频段
的干涉信号相互分离，通过数字滤波器可以提取相应的干涉信号，通过对多条瑞利散射图
两个边带啁啾脉冲从完全重叠到刚好分开，实现空间分辨率的可调，使背向瑞利散射信号
中携带不同位置的扰动信息后进行拍频，因此能携带不同的扰动信息，更有利于系统研究。
的叠加谱，抑制了相干衰落，同时，利用互相关算法解调应变，等效于多次平均，降低了噪
一种基于双边带啁啾脉冲调制的光时域反射计如图1所示，器件选择与参数如下：
第一环形器32、第二环形器34、第三环形器51为三端口环形器，插入损耗1dB，回波
任意波形发生器AWG23的一个通道重复输出100ns的线性调频脉冲信号驱动电光
调制器EOM21，并且使用其中一个通道的同步输出端用于驱动半导体光放大器SOA22进行脉
EOM21调制的双边带啁啾脉冲宽度τ为100ns，上边带啁啾脉冲的扫频范围为
传感光纤52为单模光纤，长度为10Km，对应光的来回传输时间为100us；
