CN102607631A - 一种精确估计eom脉冲调制型botdr系统信噪比的方法 - Google Patents

Abstract

一种精确估计EOM脉冲调制型BOTDR系统信噪比的方法，包括以下步骤：将EOM调制后的脉冲光看作为理想脉冲光与连续泄漏光的叠加，确定调制脉冲光峰值功率P_p与泄漏功率P_b、脉宽W，以及传感光纤的长度L，则理想脉冲光峰值功率为P_p-P_b，连续泄漏光的恒定功率为P_b，EOM消光比为ER＝P_p/P_b；根据自发布里渊散射机理，理想脉冲光激发的自发布里渊散射谱在中心频率处的功率满足一定的公式；本发明将电光强度调制器调制所得脉冲光视为理想消光比的脉冲光与泄漏光的叠加，视光纤为线性系统，分别获得理想消光比脉冲光与泄漏光产生的自发布里渊散射光，考察相干探测方式获取信号时泄漏光对功率曲线均方根误差产生的影响，获知BOTDR系统信噪比。

Description

一种精确估计EOM脉冲调制型BOTDR系统信噪比的方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，用于使用电光强度调制器(electro-optical modulator，EOM)调制脉冲的布里渊光时域反射仪(Brillouin optical time domain reflectometer，BOTDR)中，对BOTDR系统信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)的精确估计。

背景技术

BOTDR的工作原理在于布里渊散射光的频移和功率均与温度和应力相关。通过测量脉冲光在光纤中传输时产生的后向自发布里渊散射光的频移与功率来实现温度与应力测量。根据脉冲光注入光纤与接收到自发布里渊散射光的时间差实现对被测温度与应变的定位。由于具有单端探测、空间分辨率高、连续分布式测量等优点，BOTDR被广泛用于桥梁、公路、隧道、大坝等的健康监测。布里渊散射光极其微弱，采用直接探测方式很难获取到，并且容易受到瑞利散射光的干扰。凭借高探测灵敏度和对瑞利散射光的分离能力，自外差相干探测方式在BOTDR中被广泛使用。本地参考光与自发布里渊散射光相干，经光电探测器光电转换成电信号，通过扫频获得布里渊散射光的频谱，然后经过数据拟合获取布里渊频移与功率信息，从而实现温度与应力的连续分布式传感。

BOTDR系统的信噪比以布里渊散射谱中心频率处的功率曲线的信噪比来定义。已有的BOTDR信噪比估计方法中(H.Ohno，H.Naruse，N.Yasue，Y.Miyajima，H.Uchiyama，Y.Sakairi and Z.X.Li.″Development of highly stable BOTDR strain sensoremploying microwave heterodyne detection and tunable electric oscillator，″Proc.SPIE4596，74-85(2001))，认为脉冲光是理想的，未考虑有限消光比导致的连续泄漏光的影响，从而影响了信噪比估计的精度。

发明内容

本发明目的在于，克服上述已有BOTDR信噪比估计方法的不足，提供用于提高BOTDR信噪比估计精度的方法，且该方法能准确反映EOM消光比对信噪比的影响，并可进一步用于在BOTDR系统设计阶段选择合适的EOM。

本发明的技术解决方案为：一种精确估计EOM脉冲调制型BOTDR系统信噪比的方法，考虑EOM的有限消光比，对采用EOM进行脉冲调制的BOTDR系统的信噪比的估计，包括以下步骤：

1)将EOM调制后的脉冲光看作为理想脉冲光与连续泄漏光的叠加，确定调制脉冲光峰值功率P_p与泄漏功率P_b、脉宽W，以及传感光纤的长度L，则理想脉冲光峰值功率为P_p-P_b，连续泄漏光的恒定功率为P_b，EOM消光比为ER＝P_p/P_b；

2)根据自发布里渊散射机理，理想脉冲光激发的自发布里渊散射谱在中心频率处的功率满足式(1)：

P′_B(z)＝P_p(1-1/ER)α_BS(cW/n)(1/π)tan^-1(2B/Δv_B)exp(-2αz)    (1)

而泄漏光激发的自发布里渊散射谱在中心频率处的功率满足式(2)：

P″_B＝P_bα_BS(1-exp(-2αL))/α(1/π)tan^-1(2B/Δv_B)              (2)

其中，z是距离光纤起始端的长度，α_B是布里渊散射系数，S是背向散射选择比，α是光纤衰减系数，c是真空中的光速，n是传感光纤的折射率，B是扫频带宽，Δv_B是自发布里渊散射谱的带宽。

3)根据相干探测理论，确定光电探测器将步骤2)中所得的总光电流满足式(3)

其中，η是光电探测器的量子效率，e是单个电子的电量，h是普朗克常数，v_s为入射光频率，v_L与P_L分别为本地参考光的频率与功率，v_B为布里渊散射光的中心频率，θ′i是理想脉冲光电流的初始相位，θ″_i是泄漏光电流的初始相位，θ_i＝θ′_i-θ″_i是两者的相位差，

由P′_B、P″_B、α、z、θ′_i和θ″_i决定，

为总光电流的幅度。

4)根据窄带信号功率均方根误差

ΔP(z)＝δ(I_s ²(z)+δ²)^1/2R                                    (4)

根据步骤3)中所得光电流振幅I_s(z)，确定功率均方根误差ΔP(z)，其中δ²＝2eBP_Lηe/(hv_s)，R为光电探测器电阻阻值。

5)根据信噪比公式确定EOM脉冲调制型BOTDR的信噪比，N是为累加平均提高信噪比而进行的重复测量次数，

为理想目标功率曲线，ΔP_i(z)为第i次测量所得功率曲线的均方根误差，得到光纤上z位置处的信噪比：

$\mathrm{SNR}\left(z\right)=\sqrt{N}\frac{\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{hv}}_S}{P}_B^{\′}\left(z\right)}{\sqrt{2B\left(\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{hv}}_S}\right)P_B^{\′}\left(z\right)[1+\frac{n(1-\exp (-2\mathrm{\αL}))/\mathrm{\α}}{\mathrm{cW}(\mathrm{ER}-1)}\exp \left(2\mathrm{\αz}\right)]+B^2}}---\left(5\right)$

BOTDR测量的空间分辨率取决于脉冲光的宽度，由于EOM具有很短的上升时间，因此其常被用于对连续激光进行脉冲调制产生脉冲光，以获得较高的空间分辨率。但EOM的消光比有限，导致调制后的脉冲光具有一定的基底，基底被称为泄漏光，调制脉冲光可看作是理想脉冲光与泄漏光的线性叠加。泄漏光注入光纤产生功率谱恒定的布里渊散射光，不反映任何位置信息，影响对理想脉冲光产生的布里渊散射光的探测，系统信噪比受到影响。

本发明的有益效果是：本发明提出一种精确估计EOM脉冲调制型BOTDR信噪比的方法，可以提高信噪比估计精度，用于考察脉冲光消光比对系统的影响，且可用于在确定信噪比要求下选择满足系统设计要求的、具有特定消光比的EOM。本发明还通过测量过程(利用光电探测器、电阻阻值测量所得功率曲线的均方根)精确估计EOM脉冲调制型BOTDR信噪比，以期获得最佳的测量精度，在误差隧道、大坝等的健康监测上有非常广泛的应用。因布里渊散射光极其微弱，采用直接探测方式很难获取到，并且容易受到瑞利散射光的干扰；本发明有效的解决了此问题。

附图说明

图1是本发明实施例的实验系统示意图。

图2是本发明实施例的实验结果示意图。

图3是本发明实施例的理论实验对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明和描述。

图1显示了实验用BOTDR系统结构图。窄线宽激光器01的输出光被保偏光纤耦合器02分为两路，一路入射到EOM03，通过脉冲信号发生器04产生脉冲光，随后脉冲光被掺铒光纤放大器05放大并经由环形器06注入到传感光纤07中，产生后向自发布里渊散射光；另一路经过EOM08以及微波信号源09进行移频，扰偏器10用于降低偏振噪声，本地参考光与自发布里渊散射光通过耦合器11相干，光电探测器12用于光电转换，频谱仪与计算机组成数据接收处理系统13。

使用图1所示BOTDR系统，得到25km光纤的自发布里渊散射信号功率谱，如图2所示。由图2中布里渊中心频率处功率曲线，确定系统实际信噪比，然后，根据考虑EOM消光比作用的本发明公式(5)和未考虑EOM消光比作用的在先技术，各自估算系统信噪比，结果如图3所示，本发明方法大幅提升了估算精度。

Claims (1)

1.一种精确估计EOM脉冲调制型BOTDR系统信噪比的方法，其特征是包括以下步骤：

1)将EOM调制后的脉冲光看作为理想脉冲光与连续泄漏光的叠加，确定调制脉冲光峰值功率P_p与泄漏功率P_b、脉宽W，以及传感光纤的长度L，则理想脉冲光峰值功率为P_p-P_b，连续泄漏光的恒定功率为P_b，EOM消光比为ER＝P_p/P_b；

2)根据自发布里渊散射机理，理想脉冲光激发的自发布里渊散射谱在中心频率处的功率满足式(1)：

P′_B(z)＝P_p(1-1/ER)α_BS(cW/n)(1/π)tan^-1(2B/Δv_B)exp(-2αz)    (6)

而泄漏光激发的自发布里渊散射谱在中心频率处的功率满足式(2)：

P″_B＝P_bα_BS(1-exp(-2αL))/α(1/π)tan^-1(2B/Δv_B)              (7)

其中，z是距离光纤起始端的长度，α_B是布里渊散射系数，S是背向散射选择比，α是光纤衰减系数，c是真空中的光速，n是传感光纤的折射率，B是扫频带宽，Δv_B是自发布里渊散射谱的带宽；

3)根据相干探测理论，确定光电探测器将步骤2)中所得的总光电流满足式(3)

其中，η是光电探测器的量子效率，e是单个电子的电量，h是普朗克常数，v_s为入射光频率，v_L与P_L分别为本地参考光的频率与功率，v_B为布里渊散射光的中心频率，θ′_i是理想脉冲光电流的初始相位，θ″_i是泄漏光电流的初始相位，θ_i＝θ′_i-θ″_i是两者的相位差，

由P′_B、P″_B、α、_z、θ′_i和θ″_i决定， $I_s\left(z\right)=2\left(\frac{\mathrm{\ηe}}{{\mathrm{hv}}_s}\right)\sqrt{P_B^{\′}\left(z\right)P_L+P_B^{\′\′}{P}_L+{2\cos \mathrm{\θ}}_i{P}_L\sqrt{P_B^{\′}\left(z\right)P_B^{\′\′}}}$ 为总光电流的幅度；

4)根据窄带信号功率均方根误差

ΔP(z)＝δ(I_S ²(z)+δ²)^1/2R                       (9)

根据步骤3)中所得光电流振幅I_s(z)，确定功率均方根误差ΔP(z)，其中δ²＝2eBP_Lηe/(hv_S)，R为光电探测器电阻阻值；

5)根据信噪比公式

确定EOM脉冲调制型BOTDR的信噪比，N为重复测量次数，

为理想目标功率曲线，ΔP_i(z)为第i次测量所得功率曲线的均方根误差，得到光纤上z位置处的信噪比：

$\mathrm{SNR}\left(z\right)=\sqrt{N}\frac{\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{hv}}_S}{P}_B^{\′}\left(z\right)}{\sqrt{2B\left(\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{hv}}_S}\right)P_B^{\′}\left(z\right)[1+\frac{n(1-\exp (-2\mathrm{\αL}))/\mathrm{\α}}{\mathrm{cW}(\mathrm{ER}-1)}\exp \left(2\mathrm{\αz}\right)]+B^2}}---\left(10\right).$

Images