CN111398901B - 一种扰动源多维空间定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种扰动源多维空间定位系统和方法，该系统包含分布式光纤传感器、传感光纤和坐标系。本发明将阵列信号处理方法与分布式光纤传感器相结合，利用传感光纤不同的铺设方式，以及沿线分布的一定数量、一定间距的可灵活选取的传感单元，结合特殊信号处理办法进行扰动源定位，实现长、短距离均可实时监测扰动源的多维空间位置信息的功能，具有实施简单、成本低廉、大范围、高精度的优点，不仅极大的提高了分布式光纤声传感器在铁路安全、油气管道监测、周界安防等领域异常信号探测的准确率，还实现了传统分布式光纤声传感器在无人机定位监控等新型领域的应用，具有革命性意义。
Description
技术领域
本发明涉及扰动源监测领域，具体为一种基于分布式光纤声传感器的扰动源多维空间定位系统和方法。
背景技术
分布式光纤声传感器被广泛运用在铁路安全，油气管道监测，周界安防等领域。现有的分布式声传感器只具备一维探测能力，异常信号只能被定位在传感光纤沿线的一维轴向空间内，而对与远离传感光纤产生的异常声音信号无法准确获知扰动源的二维或者三维的空间位置信息。
现有技术一【Wang Z,Pan Z,Ye Q,et al.Novel distributed passive vehicletracking technology using phase sensitive optical time domainreflectometer.Chinese Optics Letters,2015,13(10).】通过构建一套相位敏感光时域反射计，可以对光纤沿线因车辆行驶而产生的声场进行连续定量监测，但对扰动源信号的定位范围局限在传感光纤的一维轴向空间内。
现有技术二【Chen D,Liu Q,He Z.Phase-detection distributed fiber-opticvibration sensor without fading-noise based on time-gated digital OFDR.OpticsExpress,2017,25(7):8315.】通过构建零干涉衰落噪声的光频域反射计，可以对传感光纤沿线声场信号进行定量化监测，可实现千赫兹量级的传感带宽以及公里量级的传感距离。
现有技术三【Pan Z,Cai H,Qu R,et al.Phase-sensitive OTDR system basedon digital coherent detection.Asia Communications&Photonics Conference&Exhibition.IEEE,2012.】提出了基于数字相干解调的相位敏感光时域反射计定量化测量系统及幅度、相位信息的解调公式，但并未进一步将定量化的声场测量能力运用到扰动源的三维定位。
现有技术四【Bergman A,Langer T,Tur M.Phase-based,high spatialresolution and distributed,static and dynamic strain sensing using Brillouindynamic gratings in optical fibers.Optics Express,2017,25(5):5376.】通过图像处理技术对基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器进行有效的降噪处理，能在长距离范围实现高信噪比的应力测量，但信号质量的优化本质上属于单点测量性能的优化，仍然不具备二维甚至三维定位能力。
现有技术五【Dmochowski J P,Benesty J,Affes,Sofiène.Broadband music:Opportunities and challenges for multiple source localization.IEEE Workshopon Applications of Signal Processing to Audio&Acoustics.IEEE,2007.】通过点式的麦克风构成传感阵列，利用波达方向估计算法，能够实现小范围的声源三维定位，但该方法难以实现百米甚至千米范围内的连续定位能力，其麦克风间距也无法根据信号特点灵活调整。
发明内容
为了克服上述在先技术的不足，本发明提出一种基于分布式光纤声传感器的扰动源多维空间定位系统和方法，实现了长短距离均可实时监测扰动源的多维空间位置信息的功能，具有实施简单、成本低廉、大范围、高精度的优点，不仅极大的提高了分布式光纤声传感器在铁路安全、油气管道监测、周界安防等领域异常信号探测的准确率，而且扩宽了传统分布式光纤声传感器的应用，比如可实现对无人机的定位监控等，在分布式光纤传感领域具有革命性意义。
为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：
本发明的一个方面，提供一种扰动源多维空间定位系统，定位系统至少包括分布式光纤声传感器、传感光纤、待监测扰动源和坐标系，所述的分布式光纤声传感器与传感光纤相连，分布式光纤声传感器向传感光纤发射探测光脉冲，获取声场分布信号，并对声场分布信号和所述传感光纤铺设方式进行处理，获得待监测扰动源相对所述传感光纤的关键参数，计算出扰动源的空间位置坐标；
所述的关键参数至少包括方位角、俯仰角、横向距离、直线距离、声速、频率中的一种或多种；
所述的传感光纤铺设方式包括二维空间铺设方式、三维空间铺设方式中的一种。
所述的扰动源至少包括经过振动而产生声波、地震波、水波的物体。
优选的，所述的分布式光纤声传感器包括相干探测的相位敏感光时域反射计、直接探测的相位敏感光时域反射计、光频域反射计、基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器中的一种或多种。
优选的，所述的二维空间铺设方式包括双平行光纤铺设结构、类S形弯曲光纤铺设结构中的一种。
优选的，所述的三维空间铺设方式为双层双平行光纤铺设结构。
所述的二维空间铺设方式和三维空间铺设方式有助于声场分布信号的进一步处理，其铺设方式需根据应用场景专门设置，传感光纤的每次弯曲均需在损耗允许范围内。
本发明利用分布式光纤传感器和传感光纤多维铺设方式，通过传感光纤上沿线分布的可灵活选取的传感单元，获取实时声场分布信号，经过处理后得到待监测扰动源相对传感光纤的关键参数。
本发明的另外一个方面，提供了一种扰动源多维空间定位的方法，该方法即可用于单扰动源，也可用于多扰动源的三维定位，待监测扰动源个数为m(m≥1)，其特征在于，所述方法包含以下3个步骤：
1)在三维空间内设立一个坐标系(x,y,z)，铺设传感光纤，铺设方式记为T[x,y,z]，分布式光纤声传感器向所述的传感光纤发射探测光脉冲，对所述的传感光纤沿线感知的声场进行定量化检测，获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)，其中t表示时间，l表示传感光纤的一维轴向空间坐标；
2)对获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)进行预处理：
首先，对声场沿光纤分布的信号S(l,t)进行坐标系转换，得到声场分布信号在所述的传感光纤构成的空间内的分布Sd(x,y,z,t)＝T(S(l,t))，
其次，确定所述待监测扰动源的中心频率f0，数据处理单元根据各个待监测的扰动源设定声场强度阈值E，搜寻声场信号分布Sd(l,t)中声场强度大于阈值E的待检测区域Ω(x,y,z)，并在待监测区域Ω(x,y,z)内，选择相邻n个所述声场采样信号构成的声场时域信号矩阵作为第一信号组，声场采样信号直接间距尽量接近d＝v/2f0的(ν为声波在介质中的传播速率)，第一信号组表达如下：
X1(x,y,z,t)＝[Sd(x1,y1,z1,t)Sd(x2,y2,z2,t)…Sd(xn,yn,zn,t)]T
第一信号组的相邻n个所述声场采样信号所占据的空间横向尺寸共为L，所述的n＞m，即当存在多个扰动源时，需保证每个信号组的声场采样信号数多于扰动源数量，以避免不同扰动源之间的信号干扰，提高监测准确度；
3)对步骤2)所述的信号组运用阵列信号处理方法，计算待监测扰动源的空间位置坐标。
优选的，所述步骤2)中还包括其它信号组的选取，具体步骤如下：
第二信号组的选取，在待检测区域Ω(x,y,z)内选择与所述第一信号组空间距离(L1)大于L的区域信号作为第二信号组，第二信号组内包含n个声场采样信号，间距尽量接近d＝v/2f0，第二信号组表达如下：
……
第e信号组的选取，在待检测区域Ω(x,y,z)内选择与所述第1至第e-1信号组空间距离(L1、L2、……Le-1)均大于L的区域信号作为第e信号组，第e信号组内包含n个声场采样信号，间距尽量接近d＝v/2f0，第e信号组表达如下：
所述信号组数量的选取根据待监测扰动源的距离范围和后续信号处理方法而定，也可以只有单一信号组；当待监测扰动源据范围较大，距离较远时，合理的增加信号组的选取数量，有助于提高待监测扰动源三维定位的精准度。
优选的，所述步骤3)中阵列信号处理方法为波束形成算法，空间谱估计算法，波达方向估计算法中的一种。
优选的，所述的步骤3)中空间谱计算法具体如下：
首先，计算第一信号组的协方差矩阵，
其中N表示所述的分布式光纤声传感器通过光学端口向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数；
其次，对协方差矩阵R进行特征值分解得到噪声子空间En，按照所述传感光纤铺设方式T[x,y,z]，计算信号组对应的信号子空间Es(θi,ri)，其中θi表示第i个扰动源的方位角，ri表示第i个扰动源到信号组中心位置的直线距离，并按下列方程计算损失函数，
其中，H表示共轭转置，扰动源相对所述第一信号组的方位向量(θi,ri)通过对所述损失函数进行极大值搜索可以计算而得；
最后，第i个扰动源的二维空间坐标按下列方程计算，
(xi＝risinθi,yi＝ricosθi)
当待监测扰动源范围较大、距离较长时，所述的e选取2时，优选的所述的步骤3)中阵列信号处理方法采用波束形成算法，具体步骤如下：
首先，按照下述公式分别计算第一信号组和第二信号组的协方差矩阵，
其中N表示所述的分布式光纤声传感器向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数；
其次，按照所述的传感光纤铺设方式T[x,y,z]，分别计算第一信号组对应的相位延迟向量
和第二信号组对应的相位延迟向量
其中
分别表示第i个扰动源与第一信号组和第二信号组的方位角，
分别表示第一信号组和第二信号组与第i信号组之间的俯仰角，并按下列方程计算扰动源空间能量分布函数
其中，H表示共轭转置，第i个扰动源相对所述第一信号组的方位向量
和第i个扰动源相对所述第二信号组的方位向量
分别通过对所述空间能量分布函数
进行极大值搜索可以计算而得；
最后，通过对所述第一信号组和所述第二信号组对应的方向向量按照以下公式计算即可得出第i扰动源的三维空间坐标，
其中L1为所述第一信号组和所述第二信号组对应的空间距离。
本发明的优点和技术效果如下：
1)本发明实施简单，传感光纤的二维空间铺设方式和三维空间铺设方式使得传感单元排布更加立体，所获取的信号更加准确、丰富，属于无源分布式传感，并且铺设方式简单易实现，具有成本低、可靠性高、精度高的优点。
2)本发明通过传感光纤上大量可灵活实时选取的传感单元获取多个声场采样信号和多个信号组，多个声场采样信号的选取有助于实现多个扰动源同时存在时三维空间位置的精准性，多个信号组的选取有助于提高扰动源的监测范围和距离。因此本发明具备可监测范围大、距离长、精度高、实时监测等优点，不仅可以大幅提高分布式光纤传感器在铁路安全、油气管道监测、周界安防等领域异常信号探测的准确率，还能实现传统分布式光纤声传感器在无人机定位监控等新型领域的应用，具有革命性意义。
附图说明
图1为单扰动源三维空间定位系统示意图
图2为迈克尔逊干涉仪结构的光频域反射计分布式光纤声传感系统结构示意图
图3为多扰动源二维空间定位系统结构示意图
图4为相干探测相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统结构示意图
图5为直接探测相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统结构示意图
图6为外差探测结构的布里渊光时域反射计的分布式光纤声传感系统结构示意图
图7为双平行光纤铺设结构
图8为类S形光纤铺设结构
图9为双层双平行光纤铺设结构
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例1：单扰动源三维空间定位
单扰动源三维空间定位系统，传感光纤按双平行结构铺设，原理示意图如图1所示，包含采用迈克尔逊干涉仪结构的光频域反射计分布式光纤声传感系统1、双平行结构铺设方式传感光纤2(如图7所示)、坐标系3、待监测扰动源4、第一信号组5-1、第二信号组5-2，光频域反射计1与传感光纤2相连，待监测扰动源与传感光纤处于的空间高度不相同。其中迈克尔逊干涉仪结构的光频域反射计分布式光纤声传感系统1结构如图2所示，包括频率可调谐激光器11-1，光纤耦合器11-2，光纤反射端面11-3，光电探测器11-4，数据处理单元11-5，
所述的频率可调谐激光器11-1输出线性调频激光，经过所述的光纤耦合器11-2的201端口分别输出到光纤耦合器11-2的202及204端口，所述的光纤耦合器11-2的202端口连接至所述的光纤反射端面11-3，所述的光纤耦合器11-2的204端口连接至光学端口101，所述的光纤耦合器11-2的203端口连接至所述的光电探测器11-4，光电探测器输出的信号连接至数据处理单元11-5。
单扰动源三维空间定位方法主要包含3个步骤：
1)所述的光频域反射计1向所述传感光纤2发射探测光脉冲，对所述传感光纤沿线感知的声场进行定量化检测，并获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)。
2)所述的光频域反射计1对获得的声场信号进行预处理：
首先，按传感光纤的铺设形式T[x,y,z]，对声场信号S(l,t)进行坐标系变换，得到声场信号在光纤构成的空间内的分布Sd(x，y，z，t)＝T[S(l，t)]。所述的数据处理单元需要提前根据待监测的扰动源设定声场强度阈值E，搜寻声场信号分布Sd(l，t)中声场强度大于阈值E的待监测区域Ω(x,y,z)。
其次，所述的数据处理单元需要提前确定待监测扰动源的中心频率f0，所述的数据处理单元在待监测区域Ω(x,y,z)内，选择间距尽量接近d＝v/2f0的相邻n个所述声场采样信号构成的声场时域信号矩阵作为第一信号组，
X1(x,y,z,t)＝[Sd(x1,y1,z1,t)Sd(x2,y2,z2,t)…Sd(xn,yn,zn,t)]T
再在待检测区域内尽量选择远离所述第一信号组的间距尽量接近d＝v/2f0的相邻n个所述声场采样信号构成的声场时域信号矩阵作为第二信号组。
3)对信号组按波束形成算法进行处理，下列方程计算第一信号组和第二信号组的协方差矩阵，
其中N表示所述的分布式光纤声传感器1(光频域反射计)向所述传感光纤2发射探测光脉冲的重复次数，
其次，按照所述的传感光纤铺设方式T[x,y,z]，分别计算第一信号组对应的相位延迟向量
和第二信号组对应的延迟向量
其中
分别表示扰动源与第一信号组和第二信号组的方位角，
分别表示第一信号组和第二信号组与扰动源之间的俯仰角，并按下列方程计算扰动源空间能量分布函数
其中，H表示共轭转置，扰动源相对所述第一信号组的方位向量
和扰动源相对所述第二信号组的方位向量
分别通过对所述空间能量分布函数
进行极大值搜索可以计算而得；
最后，通过对所述第一信号组和所述第二信号组对应的方向向量按照以下公式计算即可得出扰动源的三维空间坐标，
其中，L1表示所述第一信号组和第二信号组对应的空间距离。
实施例2：多扰动源二维空间定位
多扰动源二维空间定位系统，传感光纤按“一”字型铺设，原理示意图如图3所示，包含相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统1、“一”字型结构铺设方式传感光纤2、坐标系3、待监测扰动源4-1、4-2、信号组5，含相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统1与传感光纤2相连，待监测扰动源与传感光纤处于同一平面。其中相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统1可以为相干探测或者是直接探测。
相干探测相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统1结构如图4所示，包括激光器12-1、第一光纤耦合器12-2、第二光纤耦合器12-6、脉冲调制器12-3、光放大器12-4、光纤环形器12-5、双平衡光电探测器12-7、电学放大器12-8、数据处理单元12-9。
所述的激光器12-1的激光输出经第一光纤耦合器12-2，分别连接到脉冲调制器12-3和第二光纤耦合器12-6的601端口，所述的脉冲调制器12-3的输出连接到光放大器12-4，所述的光放大器12-4的输出连接到所述的光纤环形器12-5的501端口，再经503端口输出并连接到光学端口101，所述的光纤环形器12-5的502连接至第二光纤耦合器12-6的602端口，所述的第二光纤耦合器12-6的输出连接至双平衡光电探测器12-7，所述的双平衡探测器12-7的输出信号连接至电学放大器12-8进行放大，后输入进数据处理单元12-8处理。
直接探测相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统1结构如图5所示，包括激光器13-1、脉冲调制器13-2、光放大器13-3、光纤环形器13-4、光电探测器13-5、数据处理单元13-6，
所述的激光器13-1的激光输出连接到脉冲调制器13-2，所述的脉冲调制器13-2的输出连接到光放大器13-3，所述的光放大器13-3的输出连接到光纤环形器13-4的401端口，经过403端口输出并连接到光学端口101，所述的光纤环形器13-4的402连接光电探测器13-5，光电探测器13-5的输出信号连接至数据处理单元13-6。
多维扰动源二维定位的方法主要包含3个步骤：
1)所述的含相位敏感光时域反射计的分布式光纤声传感系统1向所述传感光纤2发射探测光脉冲，对所述的传感光纤沿线感知的声场进行定量化检测，并获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)。
2)所述的相位敏感光时域反射计1对获得的声场信号进行预处理：
首先，按传感光纤的铺设形式T[x,y,z]，对声场信号S(l,t)进行坐标系变换，得到声场信号在光纤构成的空间内的分布Sd(x,y,z,t)＝T(S(l,t))。所述的数据处理单元需要提前根据待监测的扰动源设定声场强度阈值E，搜寻声场信号分布Sd(l,t)中声场强度大于阈值E的待监测区域Ω(x,y,z)。
其次，所述的分布式光纤声传感器需要提前确定待监测扰动源的中心频率f0，所述的数据处理单元在待监测区域Ω(x,y,z)内，选择间距尽量接近d＝v/2f0的相邻n个所述声场采样信号构成的声场时域信号矩阵作为信号组，扰动源个数为2个，应满足n＞2的关系，
X(x,y,z,t)＝[Sd(x1,y1,z1,t)Sd(x2,y2,z2,t)…Sd(xn,yn,zn,t)]T
3)所述的信号组按空间谱估计算法进行处理，下列方程计算信号组的协方差矩阵，
其中N表示所述的相位敏感光时域反射计通过光学端口向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数，
其次，对协方差矩阵R进行特征值分解得到噪声子空间En，按照所述传感光纤铺设方式T[x,y,z]，计算信号组对应的信号子空间Es(θi,ri)，其中θi表示第i个扰动源的方位角，ri表示第i个扰动源到信号组中心位置的直线距离，并按下列方程计算损失函数，
其中，H表示共轭转置，扰动源相对所述第一信号组的方位向量(θi，ri)通过对所述损失函数进行极大值搜索可以计算而得；
最后，第i个扰动源的二维空间坐标按下列方程计算，
(xi＝risinθi,yi＝ricosθi)
实施例3：其他分布式声传感器系统类型
采用外差探测结构的布里渊光时域反射计的分布式光纤声传感系统1，如图6所示。包括激光器14-1、第一光纤耦合器14-2、第二光纤耦合器14-7、脉冲调制器14-3、光放大器14-4、光纤环形器14-5、宽带移频单元14-6、双平衡光电探测器14-8、电学放大14-9、数据处理单元14-10，
所述的激光器14-1的激光输出经所述的第一光纤耦合器14-2分别连接到脉冲调制器14-3和宽带移频单元14-6，所述的脉冲调制器14-3的输出连接到所述的光放大器14-4，所述的光放大器14-4的输出连接到所述的光纤环形器14-5的501端口再经过503端口输出并连接到光学端口101，所述的光纤环形器14-5的502连接至第二光纤耦合器14-7的701端口，所述的宽带移频单元14-6的输出连接至所述的第二光纤耦合器14-7的702端口，所述的第二光纤耦合器14-7的输出连接至所述的双平衡光电探测器14-8，所述的双平衡探测器14-8的输出信号连接至所述的电学放大器14-9进行放大，后输入进所述的数据处理单元14-10处理。
实施例4：传感光纤二维空间铺设方式
如图7所示，传感光纤经过一次损耗允许范围内的弯曲后，构成双平行光纤铺设结构。
如图8所示，传感光纤经过多次损耗允许范围内的弯曲后，构成类S形光纤铺设结构，其中各部分弯曲半径及弯曲次数根据应用场景需要专门设置。
实施例5：传感光纤三维空间铺设方式
如图9所示，传感光纤经过三次损耗允许范围内的弯曲后，构成双层双平行光纤铺设结构，类似于长方体，长方体光纤的横向间距和纵向间距根据应用场景专门设置。
Claims (14)
1.一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，定位系统至少包括分布式光纤声传感器、传感光纤、待监测扰动源和坐标系，所述的分布式光纤声传感器与传感光纤相连，分布式光纤声传感器向传感光纤发射探测光脉冲，获取声场分布信号，并对声场分布信号和所述传感光纤铺设方式进行处理，获得待监测扰动源相对所述传感光纤的关键参数，计算出扰动源的空间位置坐标；
所述的关键参数至少包括方位角、俯仰角、横向距离、径向距离、声速、频率中的一种或多种；
所述的传感光纤铺设方式包括二维空间铺设方式、三维空间铺设方式中的一种，
所述扰动源多维空间定位系统通过二维空间铺设方式实现三维空间定位，其中所述二维空间铺设方式包括双平行光纤铺设结构、类S形弯曲光纤铺设结构中的一种。
2.如权利要求1所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的分布式光纤声传感器包括相干探测的相位敏感光时域反射计、直接探测的相位敏感光时域反射计、光频域反射计、基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的三维空间铺设方式为双层双平行光纤铺设结构。
4.如权利要求1所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的扰动源至少包括经过振动而产生声波、地震波、水波的物体。
5.如权利要求2所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的光频域反射计结构采用迈克尔逊干涉仪结构，包括频率可调谐激光器(11-1)，光纤耦合器(11-2)，光纤反射端面(11-3)，光电探测器(11-4)，数据处理单元(11-5)；
所述的频率可调谐激光器(11-1)输出线性调频激光，经过所述的光纤耦合器(11-2)的(201)端口分别输出到光纤耦合器(11-2)的(202)及(204)端口，所述的光纤耦合器(11-2)的(202)端口连接至所述的光纤反射端面(11-3)，所述的光纤耦合器(11-2)的(204)端口连接至光学端口(101)，所述的光纤耦合器(11-2)的(203)端口连接至所述的光电探测器(11-4)，光电探测器输出的信号连接至数据处理单元(11-5)。
6.如权利要求2所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的相干探测的相位敏感光时域反射计结构包括激光器(12-1)，第一光纤耦合器(12-2)，第二光纤耦合器(12-6)，脉冲调制器(12-3)，光放大器(12-4)，光纤环形器(12-5)，双平衡光电探测器(12-7)，电学放大器(12-8)，数据处理单元(12-9)；
所述的激光器(12-1)的激光输出经第一光纤耦合器(12-2)，分别连接到脉冲调制器(12-3)和第二光纤耦合器(12-6)的(601)端口，所述的脉冲调制器(12-3)的输出连接到光放大器(12-4)，所述的光放大器(12-4)的输出连接到所述的光纤环形器(12-5)的(501)端口，再经(503)端口输出并连接到光学端口(101)，所述的光纤环形器(12-5)的(502)连接至第二光纤耦合器(12-6)的(602)端口，所述的第二光纤耦合器(12-6)的输出连接至双平衡光电探测器(12-7)，所述的双平衡光电探测器(12-7)的输出信号连接至电学放大器(12-8)进行放大，后输入进数据处理单元(12-9)处理。
7.如权利要求2所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的直接探测的相位敏感光时域反射计结构包括激光器(13-1)，脉冲调制器(13-2)，光放大器(13-3)，光纤环形器(13-4)，光电探测器(13-5)，数据处理单元(13-6)；
所述的激光器(13-1)的激光输出连接到脉冲调制器(13-2)，所述的脉冲调制器(13-2)的输出连接到光放大器(13-3)，所述的光放大器(13-3)的输出连接到光纤环形器(13-4)的(401)端口，经过(403)端口输出并连接到光学端口(101)，所述的光纤环形器(13-4)的(402)连接光电探测器(13-5)，光电探测器(13-5)的输出信号连接至数据处理单元(13-6)。
8.如权利要求2所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器采用外差探测结构，包括激光器(14-1)，第一光纤耦合器(14-2)，第二光纤耦合器(14-7)，脉冲调制器(14-3)，光放大器(14-4)，光纤环形器(14-5)，宽带移频单元(14-6)，双平衡光电探测器(14-8)，电学放大器(14-9)，数据处理单元(14-10)；
所述的激光器(14-1)的激光输出经所述的第一光纤耦合器(14-2)分别连接到脉冲调制器(14-3)和宽带移频单元(14-6)，所述的脉冲调制器(14-3)的输出连接到所述的光放大器(14-4)，所述的光放大器(14-4)的输出连接到所述的光纤环形器(14-5)的(501)端口再经过(503)端口输出并连接到光学端口(101)，所述的光纤环形器(14-5)的(502)连接至第二光纤耦合器(14-7)的(701)端口，所述的宽带移频单元(14-6)的输出连接至所述的第二光纤耦合器(14-7)的(702)端口，所述的第二光纤耦合器(14-7)的输出连接至所述的双平衡光电探测器(14-8)，所述的双平衡光电探测器(14-8)的输出信号连接至所述的电学放大器(14-9)进行放大，后输入进所述的数据处理单元(14-10)处理。
9.如权利要求1所述的一种扰动源多维空间定位系统，其特征在于，所述的定位系统获取声场分布信号和处理声场分布信号的具体步骤如下：
1)在三维空间内设立一个坐标系(x,y,z)，铺设传感光纤，铺设方式记为T[x,y,z]，分布式光纤声传感器向所述的传感光纤发射探测光脉冲，对所述的传感光纤沿线感知的声场进行定量化检测，获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)，其中t表示时间，l表示传感光纤的一维轴向空间坐标；
2)对获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)进行预处理：
首先，对声场沿光纤分布的信号S(l,t)进行坐标系转换，得到声场分布信号在所述的传感光纤构成的空间内的分布Sd(x,y,z,t)＝T[S(l,t)]，
其次，确定所述待监测扰动源的中心频率f0，数据处理单元根据各个待监测的扰动源设定声场强度阈值E，搜寻声场信号分布Sd(l,t)中声场强度大于阈值E的待检测区域Ω(x,y,z)，并在待监测区域Ω(x,y,z)内，选择相邻n个所述声场采样信号构成的声场时域信号矩阵作为第一信号组，声场采样信号直接间距尽量接近
为声波在介质中的传播速率，第一信号组表达如下：
X1(x,y,z,t)＝[Sd(x1,y1,z1,t) Sd(x2,y2,z2,t) … Sd(xn,yn,zn,t)]T
第一信号组的相邻n个所述声场采样信号所占据的空间横向尺寸共为L，所述的n＞m，m为待监测扰动源个数，即当存在多个扰动源时，需保证每个信号组的声场采样信号数多于扰动源数量，以避免不同扰动源之间的信号干扰，提高监测准确度；
3)对步骤2)所述的信号组运用阵列信号处理方法，计算待监测扰动源的空间位置坐标。
10.一种扰动源多维空间定位方法，待监测扰动源个数为m(m≥1)，其特征在于，所述方法包含以下3个步骤：
1)在三维空间内设立坐标系(x,y,z)，铺设传感光纤，铺设方式记为T[x,y,z]，分布式光纤声传感器向所述的传感光纤发射探测光脉冲，对所述的传感光纤沿线感知的声场进行定量化检测，获得声场沿光纤分布的一维信号S(l,t)，其中，t表示时间，l表示传感光纤的一维轴向空间坐标；
2)对获得声场沿光纤分布的信号S(l,t)进行预处理：
首先，对声场沿光纤分布的信号S(l,t)进行坐标系转换，得到声场分布信号在所述的传感光纤构成的空间内的分布Sd(x,y,z,t)＝T[S(l,t)]，
其次，确定所述待监测扰动源的中心频率f0，数据处理单元根据待监测的扰动源设定声场强度阈值E，搜寻声场信号分布Sd(l,t)中声场强度大于阈值E的待检测区域Ω(x,y,z)，并在待监测区域Ω(x,y,z)内，选择相邻n个所述声场采样信号构成的声场时域信号矩阵作为第一信号组，声场采样信号直接间距接近
为声波在介质中的传播速率，第一信号组表达如下：
X1(x,y,z,t)＝[Sd(x1,y1,z1,t)Sd(x2,y2,z2,t) … Sd(xn,yn,zn,t)]T
第一信号组的相邻n个所述声场采样信号所占据的空间横向尺寸共为L，所述的n＞m；
3)对步骤2)所述的信号组运用阵列信号处理方法，计算待监测扰动源的空间位置坐标。
11.如权利要求10所述的一种扰动源多维空间定位方法，其特征在于，所述步骤2)中信号组的选取还包括第二信号组的选取，具体步骤如下：
在待检测区域Ω(x,y,z)内选择与所述第一信号组空间距离L1大于L的区域信号作为第二信号组，第二信号组内包含n个声场采样信号，间距尽量接近
第二信号组表达如下：
……
第e信号组的选取，在待检测区域Ω(x,y,z)内选择与第1至第e-1信号组空间距离L1、L2、……Le-1均大于L的区域信号作为第e信号组，第e信号组内包含n个声场采样信号间距尽量接近
第e信号组表达如下：
12.如权利要求10所述的一种扰动源多维空间定位方法，其特征在于，所述步骤3)中阵列信号处理方法包括波束形成算法，空间谱估计算法，波达方向估计算法中的一种。
13.如权利要求12所述的一种扰动源多维空间定位方法，其特征在于，所述的步骤3)中空间谱计算法具体如下：
首先，计算第一信号组的协方差矩阵，
其中N表示所述的分布式光纤声传感器通过光学端口向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数；
其次，对协方差矩阵R进行特征值分解得到噪声子空间En，按照所述传感光纤铺设方式T[x,y,z]，计算信号组对应的信号子空间Es(θi,ri)，其中θi表示第i个扰动源的方位角，ri表示第i个扰动源到信号组中心位置的直线距离，并按下列方程计算损失函数，
其中，H表示共轭转置，扰动源相对所述第一信号组的方位向量(θi,ri)通过对所述损失函数进行极大值搜索可以计算而得；
最后，第i个扰动源的二维空间坐标按下列方程计算，
xi＝risinθi，
yi＝ricosθi。
14.如权利要求11所述的一种扰动源多维空间定位方法，其特征在于，所述的e为2时，所述的步骤3)中阵列信号处理方法采用波束形成算法，具体步骤如下：
首先，按照下述公式分别计算第一信号组和第二信号组的协方差矩阵，
其中N表示所述的分布式光纤声传感器向所述传感光纤发射探测光脉冲的重复次数；
其次，按照所述的传感光纤铺设方式T[x,y,z]，分别计算第一信号组对应的相位延迟向量
和第二信号组对应的相位延迟向量
其中
分别表示第i个扰动源与第一信号组和第二信号组的方位角，
分别表示第一信号组和第二信号组与第i信号组之间的俯仰角，并按下列方程计算扰动源空间能量分布函数
其中，H表示共轭转置，第i个扰动源相对所述第一信号组的方位向量
和第i个扰动源相对所述第二信号组的方位向量
分别通过对所述空间能量分布函数
进行极大值搜索可以计算而得；
最后，通过对所述第一信号组和所述第二信号组对应的方向向量按照以下公式计算即可得出第i扰动源的三维空间坐标，
其中L1为所述第一信号组和所述第二信号组对应的空间距离。
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