CN103148878B - 基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪方法和装置，通过检测探测光脉冲在被测光纤中返回的布里渊散射谱中心频率的变化来测量被测光纤沿线各个位置处的温度和/或应力。本发明中布里渊散射光信号与单频本振光相干产生相干中频信号，从而把布里渊散射信号从光谱变成布里渊电频谱，而对布里渊电频谱的测量采用高速信号采集和并行数据处理方案，从而使每个探测脉冲周期内都能获得完整的布里渊谱，它有利于实现对被测光纤沿线各个位置处温度和/或应力的动态测量。

Description

基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪方法和装置

技术领域

本发明涉及利用光纤中的自发布里渊散射效应进行温度和/或应力监测的分布式光纤传感方法和装置，属于传感技术领域。

背景技术

单频光脉冲在光纤中传输会产生自发布里渊散射光，其中一部分会沿光纤返回，该部分布里渊信号称为背向布里渊散射信号。布里渊信号呈洛伦兹形，在普通单模光纤中其3dB带宽为35MHz左右，频谱持续范围大于200MHz，因此布里渊散射信号也称为布里渊散射谱。光纤中的布里渊散射谱对光纤上散射位置处的温度和应力敏感，而且，温度和应力的变化会引起布里渊散射谱中心频率线性地移动，于是通过测量布里渊散射谱中心频率的变化量就可以间接地推断出光纤中散射位置处承受的温度和/或应力大小。

布里渊光时域反射仪就是利用自发布里渊散射效应和光时域反射技术来对被测光纤沿线所处的温度和应力进行分布式测量的重要装置。布里渊散射谱反映散射位置处的温度和应力信息，而光时域反射技术实现对散射点的定位。布里渊光时域反射仪实现对光纤沿线温度和应力的分布式测量的过程是这样的：首先将单频的探测光脉冲注入到被测光纤，探测光脉冲在被测光纤中传输的同时，其与被测光纤作用产生的背向布里渊散射信号沿光纤返回并与一单频本振光混合，二者相干后经光电探测器将布里渊谱转变成电频谱，而布里渊散射信号返回光纤入射端的时间对应散射点的位置；接着，利用扫频的方法提取布里渊电频谱中一些离散的频率点对应的光时域反射曲线；扫频方案使用频率可调的微波信号与布里渊电频谱相作用，从而提取出该频率点处的功率信息；最后，通过对所有的离散频率点对应的光时域反射曲线进行数据拟合就可以得到各个散射位置处的布里渊散射谱，于是通过相应算法找到布里渊谱的中心频率并对比原始的布里渊谱的中心频率就可以计算出两次测量前后光纤沿线各个位置处温度和应力的变化量。

目前，商用的布里渊光时域反射仪如AQ8603就是利用扫频的方式来提取布里渊散射谱的。扫频的方式存在着明显的缺点，不能满足对温度和应力的动态测量需求。这是因为，每个探测光脉冲周期内仅存在一个固定的微波频率用于对布里渊电频谱进行扫频，所以，要完整地提取出一个布里渊频谱则需要进行多次扫频，通常需要扫频5次。如果，考虑到布里渊光时域反射仪的量程的话，扫频的次数会成倍的增加。比如，温度在定标状态±50℃范围内变化，这样，对应的布里渊谱的中心频率的移动即布里渊频移约±50MHz。若扫频的频率间隔为5MHz，则需要进行20次扫频。为了获得更加准确的布里渊谱，扫频的频率间隔还应进一步减小以便于获得布里渊谱上的特征点，这样，扫频的次数还会继续增加，相应地，获得一次完整的布里渊谱的时间被延长。由于，扫频方式获得的离散的布里渊谱并不是从同一个布里渊谱上提取的，各个频率点存在时间次序，因此，使用扫频方式的布里渊光时域反射仪远远不能实现对温度和应力的动态测量。

发明内容

为了提升布里渊光时域反射仪的性能，本发明提出基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪方法和装置，发明内容如下：

基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法，所述方法包括：

将单频探测光脉冲注入到被测光纤，其在被测光纤中产生的自发布里渊散射信号沿光纤返回与一路单频本振光混合后经光电探测器将布里渊散射谱转变为电频谱；

利用高速数据采集硬件采集得到整个布里渊电频谱；

利用多通道数据并行处理技术快速提取出数字布里渊电频谱信号中各个离散频率通道的功率，每个频率通道对应一条探测曲线；

通过数据拟合算法得到布里渊谱的中心频率，对比被测光纤初始状态的布里渊谱的中心频率，计算出被测光纤沿线温度和/或应力信息。

基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，所述装置包括：

光源模块，它分两部分，一路用作探测光，一路用作本振光；

单频探测光进入光脉冲调制模块被调制成探测光脉冲，单频本振光光路与相干探测模块连接；

调制模块，它由光脉冲调制器构成，将连续光调制成光脉冲；

光放大模块，它选用光放大器提升探测光脉冲的功率；

相干探测模块，它由一个50/50的X型耦合器和平衡光电探测器组成。探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射光沿光纤返回进入该50/50的X型耦合器的一输入端，而本振光接入此耦合器的另一输入端，该耦合器的两输出端接平衡光电探测器的两输入端，于是，背向自发布里渊散射光与本振光在相干探测模块混合并经光电探测器输出布里渊电频谱；

电信号放大模块，它选用低噪声放大器，对电信号进行放大以便高速数据采集模块精确地采集数据；

高速数据采集模块选用高采样率的数据采集卡实现对宽频带的布里渊电频谱进行模数转换，完整采集布里渊电频谱；

并行数据处理模块，它由多个并行的数字带通滤波器、数字下变频单元、数字低通滤波器组成，实现对多个离散频率通道中的布里渊电频谱功率的提取，获得关于布里渊谱频率、功率和位置信息的三维探测曲线；

数据后处理模块，它将来自并行数据处理模块的数据进行拟合处理，寻找布里渊谱的中心频率，并与初始结果进行比较，确定布里渊频移量，最终得出被测光纤具体位置处温度和/或应力值；

显示模块，它显示来自数据后处理模块传递来的数据；

有益效果

本发明的有益效果是：与商用的布里渊光时域反射仪相比，本发明无需扫频就能在一个探测脉冲周期内提取出整个布里渊谱，它的测量速度得到极大提升并能实现对光纤沿线温度和/或应力的动态测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的一种方法示意图。

图2是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪装置总体结构示意图。

图3是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪使用计算机实现数据并行处理及后处理的一种装置示意图。

图4是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪在本振光光路使用移频器的一种装置示意图。

图5是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪使用FPGA实现数据并行处理及后处理的一种装置示意图。

图6是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪基于图5所示结构在本振光光路使用移频器的一种装置示意图。

图7是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪中并行数据处理模块结构示意图。

图8是本发明涉及的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪中多通道数据并行处理及后处理过后输出的探测曲线。

具体实施方式

实施例1

见图1，本发明实施例提供的一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法，该方法详细内容如下：

单频激光光源发出的激光经耦合器分成两路，一路经光脉冲调制器调制成光脉冲，另一路用做单频本振光；

光脉冲先经光放大器提升峰值功率后，再注入到被测光纤，而本振光经一移频器移频使其与光脉冲在被测光纤中产生的自发布里渊散射信号的差频落在探测器带宽范围之内；

光脉冲在被测光纤中产生的自发布里渊散射信号与本振光在一耦合器中混合，并经光电探测器输出布里渊电频谱信号；

放大相干中频信号，利用高速信号采集装置采集布里渊电频谱，再利用多通道并行数字信号处理方法同时提取出各个离散频率通道的功率信息，得到关于光纤位置、布里渊频率和功率信息的三维探测曲线；

接着进行数据后处理，利用数据拟合算法提取出光纤沿线各个散射位置处的布里渊频移量，最后推算出光纤沿线的温度和应力分布并显示；

实施例2

见图2，本发明实施例提供了一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法和装置，该方法和装置详细内容如下：

光源模块101由一个单频激光器和一个90:10的Y型耦合器构成，单频激光经耦合器分成两束，高功率的一束用作探测光，而另一束用作本振光且直接接入相干探测模块104；

连续的探测光进入调制模块102，调制模块102由电光调制器及其驱动构成，连续的探测光被调制成探测光脉冲且其频率上移10.8GHz左右，从而使其在被测光纤中产生的自发布里渊散射光中的反斯托克斯谱与本振光的频率接近；

接着，探测光脉冲进入光放大模块103，光放大模块103使用掺铒光纤放大器以提升探测光脉冲的峰值功率，最后，探测光脉冲经环形器注入到被测光纤；

探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射信号经环形器返回进入到相干探测模块104；

相干探测模块104由一个3dB的X型耦合器和一个平衡光电探测器构成，该耦合器的两输入端分别接自发布里渊散射信号和本振光，而其输出端接入平衡光电探测器的两输入端；

自发布里渊散射信号和本振光在3dB的X型耦合器中相干，并由平衡光电探测器将布里渊光谱变成布里渊电频谱；

从平衡光电探测器输出的电信号经电信号放大器105放大以便于高速数据采集模块106进行精确的数据采集；

高速数据采集模块106采集布里渊电频谱，并将采集得到的数据传递给后续的数据并行处理模块107；

如图7所示，数据并行处理模块107采用多通道数字带通滤波器、数字下变频和数字低通滤波器组提取出各个频率通道的功率信息，得到关于光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维数据矩阵并传递给数据后处理模块108处理；

数据后处理模块108利用拟合算法如洛伦兹拟合算法，拟合从并行数据处理模块传递过来的数据，从而恢复布里渊谱形并得到光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维探测曲线，如图8所示，接着，通过寻峰算法确定光纤沿线各个散射位置处的布里渊频谱中心，并与标定状态的布里渊频谱中心对比计算出布里渊频移，最终由显示模块109显示光纤沿线各个位置处的温度和/或应力信息。

实施例3

见图3，本发明实施例提供了一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法和装置，该方法和装置详细内容如下：

光源模块101由一个单频激光器和一个90:10的Y型耦合器构成，单频激光经耦合器分成两束，高功率的一束用作探测光，而另一束用作本振光且直接接入相干探测模块104；

连续的探测光进入调制模块102，调制模块102由电光调制器及其驱动构成，连续的探测光被调制成探测光脉冲且其频率上移10.8GHz左右，从而使其在被测光纤中产生的自发布里渊散射光中的反斯托克斯谱与本振光的频率接近；

探测光脉冲进入光放大模块103，光放大模块103使用掺铒光纤放大器以提升探测光脉冲的峰值功率，接着探测光脉冲经环形器注入到被测光纤；

探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射信号经环形器返回进入到相干探测模块104；

相干探测模块104由一个3dB的X型耦合器和一个平衡光电探测器构成，该耦合器的两输入端分别接自发布里渊散射信号和本振光，而其输出端接入平衡光电探测器的两输入端；

自发布里渊散射信号和本振光在3dB的X型耦合器中相干，并由平衡光电探测器将布里渊光谱变成布里渊电频谱；

从平衡光电探测器输出的电信号经电信号放大器105放大以便于高速数据采集模块106进行精确的数据采集；

高速数据采集模块106选用数据采集卡，数据采集卡的采用率大于500Msps从而使系统具有更大的量程，它将采集得到的数据传递给计算机110；

在计算机110中编写程序如利用Matlab或VC++等程序设计语言开发程序实现数据并行处理模块的功能，对高速数据采集模块106传来的数据进行并行处理。如图7所示，数据并行处理模块107采用多通道数字带通滤波器、数字下变频和数字低通滤波器组提取出各个频率通道的功率信息，得到关于光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维数据矩阵并传递给数据后处理模块108处理；

数据后处理模块108利用拟合算法如洛伦兹拟合算法，拟合从并行数据处理模块传递过来得数据，从而恢复布里渊谱形并得到如图8所示的关于光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维探测曲线，最后通过寻峰算法确定光纤沿线各个散射位置处的布里渊频谱中心，并与标定状态布里渊频谱中心对比，计算出布里渊频移，最终由显示模块109显示光纤沿线各个位置处的温度和应力信息。

实施例4

见图4，本发明实施例提供了一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法和装置，该方法和装置详细内容如下：

光源模块101由一个单频激光器和一个90:10的Y型耦合器构成，单频激光经耦合器分成两束，高功率的一束用作探测光，而另一束用作本振光且经移频器移频后接入相干探测模块104；

连续的探测光进入调制模块102，调制模块102由电光调制器及其驱动构成，连续的探测光被调制成探测光脉冲；

探测光脉冲进入光放大模块103，光放大模块使用掺铒光纤放大器以提升探测光脉冲的峰值功率，接着探测光脉冲经环形器注入到被测光纤；

探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射信号经环形器返回进入到相干探测模块104；

本振光经移频器如电光调制器将其频率上移10.8GHz左右，从而使其频率与探测光脉冲在被测光纤中产生的自发布里渊散射光中的反斯托克斯谱接近；

相干探测模块104由一个3dB的X型耦合器和一个平衡光电探测器构成，该耦合器的两输入端分别接自发布里渊散射信号和本振光，而其输出端接入平衡光电探测器的两输入端；

自发布里渊散射信号和本振光在3dB的X型耦合器中相干，并由平衡光电探测器将布里渊光谱变成布里渊电频谱；

从平衡光电探测器输出的电信号经电信号放大器105放大以便于高速数据采集模块106进行精确的数据采集；

高速数据采集模块106选用数据采集卡，数据采集卡的采用率大于500Msps从而使系统具有更大的量程，它将采集得到的数据传递给计算机110；

在计算机110中编写程序如利用Matlab或VC++等程序设计语言开发程序实现数据并行处理模块的功能，对高速数据采集模块106传来的数据进行处理。如图7所示，数据并行处理模块107采用多通道数字带通滤波器、数字下变频和数字低通滤波器组提取出各个频率通道的功率信息，得到关于光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维数据矩阵并传递给数据后处理模块108处理；

数据后处理模块108利用拟合算法如洛伦兹拟合算法，拟合从并行数据处理模块传递过来得数据，从而恢复布里渊谱形并得到如图8所示的关于光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维探测曲线，最后通过寻峰算法确定光纤沿线各个散射位置处的布里渊频谱中心，并与标定状态布里渊频谱中心对比，计算出布里渊频移，最终由显示模块109显示光纤沿线各个位置处的温度和应力信息。

实施例5

见图5，本发明实施例提供了一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法和装置，该方法和装置详细内容如下：

光源模块101由一个单频激光器和一个90:10的Y型耦合器构成，单频激光经耦合器分成两束，高功率的一束用作探测光，而另一束用作本振光且直接接入相干探测模块104；

连续的探测光进入调制模块102，调制模块由电光调制器及其驱动构成，连续的探测光被调制成探测光脉冲且其频率上移10.8GHz左右，从而使其在被测光纤中产生的自发布里渊散射光中的反斯托克斯谱与本振光的频率接近；

探测光脉冲接着进入光放大模块103，光放大模块103使用掺铒光纤放大器以提升探测光脉冲的峰值功率，接着探测光脉冲经环形器注入到被测光纤；

探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射信号经环形器返回进入到相干探测模块104；

相干探测模块104由一个3dB的X型耦合器和一个平衡光电探测器构成，该耦合器的两输入端分别接自发布里渊散射信号和本振光，而其输出端接入平衡光电探测器的两输入端；

自发布里渊散射信号和本振光在3dB的X型耦合器中相干，并由平衡光电探测器将布里渊光谱变成布里渊电频谱；

从平衡光电探测器输出的电信号经电信号放大器放大以便于高速采集模块105进行精确的数据采集；

高速采集模块105选用数据采集卡，数据采集卡的采用率大于500Msps从而使系统具有更大的量程，它将采集得到的数据传递给计算机110；

在FPGA(现场可编程逻辑门阵列)111中植入程序实现数据并行处理模块的功能，对高速数据采集模块106传来的数据进行处理，数据并行处理模块107采用如图7所示的多通道数字带通滤波器、数字下变频和数字低通滤波器组提取出各个频率通道的功率信息，得到关于光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维数据矩阵并传递给数据后处理模块处理；

数据后处理模块108利用数据拟合算法如洛伦兹拟合算法，拟合从并行数据处理模块传递过来得数据，从而恢复布里渊谱形并得到如图8所示的光纤沿线位置、布里渊频率和功率的三维探测曲线，接着，通过寻峰算法确定光纤沿线各个散射位置处的布里渊频谱中心，并与标定状态布里渊频谱中心对比计算出布里渊频移，最终由显示模块109显示光纤沿线各个位置处的温度和/或应力信息。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法，其特征在于，所述方法包括：

将单频探测光脉冲注入到被测光纤，其在被测光纤中产生的自发布里渊散射信号沿光纤返回与一路单频本振光混合后经光电探测器将布里渊散射光谱转变为布里渊电频谱；

利用高速数据采集硬件采集整个布里渊电频谱；

利用多通道数据并行处理技术快速提取出数字布里渊电频谱信号中各个离散频率通道对应的功率，每个频率通道对应一条探测曲线；

通过数据拟合算法得到布里渊谱的中心频率，对比被测光纤初始状态下布里渊谱的中心频率，计算出被测光纤沿线温度和/或应力信息。

2.根据权利要求1所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法，其特征在于，所述方法包括：

使用高速数据采集卡实现高速数据采集，其采样率大于500Msps，采集得到的数据传输给计算机；

利用程序设计语言，设计多通道数字带通滤波器将布里渊电频谱划分成多个离散的频率通道，再通过数字下变频和数字低通滤波提取出各个频率通道的信号功率，得到关于布里渊谱频率、功率和位置信息的三维探测曲线。

3.根据权利要求1所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法，其特征在于，所述方法包括：

利用基于FPGA的信号处理电路实现对布里渊电频谱的高速数据采集、传输和多频率通道数据的并行处理；

基于FPGA的信号处理电路中高速数据采集单元的采样率大于500Msps，采集得到的数据传输给FPGA处理；

在FPGA中编程，设计多通道数字带通滤波器将布里渊电频谱划分成多个离散的频率通道，再通过数字下变频和数字低通滤波提取出各个频率通道的信号功率，得到关于布里渊谱频率、功率和位置信息的三维探测曲线。

4.一种基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

光源模块，它分两部分，一路用作探测光，一路用作本振光；

单频探测光进入光脉冲调制模块被调制成探测光脉冲，单频本振光直接接入相干探测模块；

调制模块，它由光脉冲调制器及其驱动电路构成，将连续的探测光调制成光脉冲；

光放大模块，它选用光放大器提升探测光脉冲的功率；

相干探测模块，它由一个50/50的X型耦合器和光电探测器组成，探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射光沿光纤返回进入50/50的X型耦合器的一输入端，而本振光接入此耦合器的另一输入端，二者在相干探测模块混合并经光电探测器输出布里渊电频谱；

电信号放大模块，它选用低噪声放大器，对光电探测器输出的电信号进行放大以便高速数据采集模块精确采集数据；

并行数据处理模块，它由多个并行的数字带通滤波器、数字下变频单元、数字低通滤波器组成，实现对多个离散频率通道的离散布里渊电频谱功率的提取，获得关于布里渊谱频率、功率和位置信息的三维探测曲线；

数据后处理模块，它将来自并行数据处理模块的数据进行拟合，寻找布里渊谱的中心频率，并与初始结果进行比较，确定布里渊频移量，最终得出被测光纤沿线各个位置处温度和/或应力值；

显示模块，它显示来自数据后处理模块的数据。

5.根据权利要求4所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

光放大模块选用具有双向放大功能的掺铒光纤放大器；

使用具有双向放大功能的掺铒光纤放大器时，它的一端与被测光纤相连，背向自发布里渊散射信号返回被它放大后进入相干探测模块。

6.根据权利要求4所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

相干探测模块中，光电探测器选用平衡探测器；

数据采集模块选用采样率大于500Msps的高速数据采集卡；

并行数据处理模块的功能由计算机程序或软件实现，高速数据采集卡采集到的数据传递给计算机，由计算机程序或软件完成对多个频率通道的数字带通滤波、数字下变频和数字低通滤波，从而提取出包括布里渊电频谱在内的更宽频谱范围的离散频率通道的电信号功率；

数据后处理模块的功能由计算机实现，计算机程序接收来自并行数据处理模块的数据，进行拟合及寻峰操作，并与初始结果进行比较，确定布里渊频移量，最终得出被测光纤沿线各个位置处温度和/或应力值。

7.根据权利要求4所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

高速数据采集模块、并行数据处理模块和数据后处理模块被集成在一块数据处理电路板中；

数据处理电路板中高速模数转换单元实现对模拟电信号的数字化转换，数据处理电路板的FPGA芯片中划分出多个并行的频率通道，对高速模数转换单元传输过来的数据进行并行的数字带通滤波、数字下变频和数字低通滤波，提取出各个频率通道的信号功率，并完成对各个频率通道信号的后处理，最后将数据传输给计算机，由计算机显示。

8.根据权利要求4所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

数据采集模块和并行数据处理模块被集成在一块数据处理电路板中；

数据处理电路板中高速模数转换单元实现对模拟电信号的数字化转换，数据处理电路板的FPGA芯片中划分出多个并行的频率通道，对高速模数转换单元传输过来的数据进行并行的数字带通滤波、数字下变频和数字低通滤波，提取出各个频率通道的信号功率；

数据后处理模块和显示模块的功能由计算机实现，数据处理模块中FPGA得到的关于各个频率通道信号功率的数据传输给计算机，计算机完成对这些数据的后处理，并显示测量结果。

9.根据权利要求4所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

光脉冲调制器选用声光调制器，本振光光路选用电光调制器对本振光进行移频。

10.根据权利要求4所述的基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

光脉冲调制器选用电光调制器并对入射光进行移频，本振光光路无需移频操作而直接接入相干探测模块。