CN103245370B - 基于脉冲编码和相干探测的botda系统 - Google Patents

Abstract

基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，包括窄线宽激光器(10)、第一保偏耦合器(11)、第二保偏耦合器(12)、微波信号源(17)、测试光纤(18)、光环形器(19)、3dB耦合器(20)、平衡光电探测器(21)、扰偏器(16)、电频谱分析仪(22)和数字信号处理单元(23)，窄线宽激光器(10)发出连续光经第一保偏耦合器(11)分成两路连续光：第一路连续光、第二路连续光，还包括移频器(9)、第一电光调制器(13)、脉冲信号源(14)、第二电光调制器(15)。本发明同时采用了脉冲编码技术和相干检测方法，可提高BOTDA的信噪比、测量精度和增加传感距离，并且系统具有断点监测功能。

Description

基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

基于光纤受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(BrillouinOpticalTime-DomainAnalysis,BOTDA)是众多分布式光纤传感器中具有长距离、高测量精度温度和应变测量能力的传感技术，在大型土木工程、通信光缆、油气管道等的结构健康监测中有着巨大的潜在用途。在这种技术中，当光纤中相向传输的两束光波的频率差在布里渊增益范围内时，它们通过声波场发生受激布里渊作用，由此两束光之间发生能量转移，当两束光的频率差等于光纤的布里渊频移(Brillouinfrequencyshift,BFS)时，能量转移量最大，这个布里渊频移(BFS)与温度和应变之间存在一个线性关系，因此通过测量两束光波能量转移量最大时的频率差，进而测得布里渊频移(BFS)，根据布里渊频移(BFS)与温度和应变之间存在一个线性关系就可以实现温度和应变的分布式传感。

传统的BOTDA系统一般采用直接探测方式，由于光纤非线性效应的存在，探测光和泵浦光所允许的最大光功率受到限制，因此BOTDA的传感性能受到限制。基于直接探测方法的传统BOTDA的有效传感长度一般小于40km。此外，BOTDA存在由于需要双端接入而带来的当光纤链路中出现断点时不能工作的缺点，这极大的限制了BOTDA的应用场合。

申请人在公开号为CN102759371A的中国专利中已经提出了一种融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪代替传统直接检测的BOTDA，可以实现长距离的温度或应变传感，当传感光纤出现断点时，系统能对断点进行定位。但是，该系统存在信噪比、空间分辨率和测量精度不够高的缺点。

发明内容

本发明的目的是提出一种增益高、传感距离长、系统信噪比和测量精度高的基于脉冲编码和相干探测的具有断点定位功能的BOTDA系统。

本发明为达到上述目的，采用如下技术方案：

一种基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，包括移频器、窄线宽激光器、第一保偏耦合器、第二保偏耦合器、第一电光调制器、脉冲信号源、第二电光调制器、扰偏器、微波信号源、测试光纤、光环形器、3dB耦合器、平衡光电探测器、频谱分析仪、数字信号处理单元，窄线宽激光器发出连续光经第一保偏耦合器分成两路连续光：第一路连续光、第二路连续光，其中，

第一路连续光经移频器移频f₁后作为本振光；

第二路连续光经第二保偏耦合器再分成两路连续光：其中一路连续光经经由脉冲信号源控制的第一电光调制器调制成编码泵浦脉冲，所述编码泵浦脉冲光经扰偏器后由光环形器的第1端口注入，然后由光环形器的第2端口输出至测试光纤的一端；另一路连续光经第二电光调制器移频f后作为探测信号光，移频量f的值由微波信号源控制,由第二电光调制器调制的探测信号光具有对称的两个探测边带，两个探测边带从测试光纤的另一端注入，与相向传输的编码泵浦脉冲光在测试光纤中发生受激布里渊散射作用，经过受激布里渊作用后的探测信号光经光环形器的第3端口进入3dB耦合器与所述本振光相干混频后由平衡探测器进行相干检测,平衡探测器输出的中频电信号由频谱分析仪观测和采集，数字信号处理单元对电频谱分析仪采集到的中频电信号进行解码、累加处理得到布里渊增益谱，并对所获得的布里渊增益谱进行洛伦兹拟合得到沿光纤的布里渊频移分布，在根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。

进一步的，所述平衡探测器是频率响应大于12GHz的光电探测器。

进一步的，所述移频器的频移量f₁超过80MHz。

进一步的，所述第一电光调制器调制输出的编码泵浦脉冲是Hadamard序列或Golay互补序列的编码泵浦脉冲光。

本发明的基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，当所述测试光纤出现断点时，所述第一电光调制器调制输出的Hadamard序列或Golay互补序列的编码泵浦脉冲光作为探测信号光，其后向的瑞利散射光经光环形器的第3端口进入3dB耦合器与所述本振光相干混频后由平衡探测器进行相干检测,此时所述电频谱分析仪采用“Zero-Span”模式提取中频f_IF=f₁的中频信号，经多次累加平均后得到瑞利散射的OTDR功率分布曲线，实现断点检测功能。

进一步的，所述数字信号处理单元控制着脉冲信号源产生Hadamard序列或Golay互补序列的编码电脉冲，并对频谱分析仪作同步控制。

进一步的，通过调节所述微波信号源调制频率f的值，实现布里渊频谱的扫频测量。

进一步的，该系统同时采用了脉冲编码技术和相干探测技术两种技术。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明同时采用了脉冲编码技术和相干检测方法，可提高BOTDA系统的信噪比、改善温度和应变的测量精度和增加传感距离；采用Hadamard序列或Golay互补序列的编码泵浦脉冲光，在提高系统信噪比同时又可通过减小编码脉冲的码元宽度来提高系统的空间分辨率，码元宽度可以小到与光纤声子寿命10ns相当，对应空间分辨率可达到1m；采用相干探测使得系统具有断点监测功能，能有效克服传统BOTDA需要双端接入带来出现断点不能工作的缺点，增强传感系统的适应能力和实用性。本发明实现长距离的温度或应变传感，当传感光纤出现断点时，系统具有对断点进行定位的功能，同时具有高的空间分辨率、测量精度高，传感距离长，信噪比高。

附图说明

图1是本发明基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统示意图。

图中：9、移频器；10、窄线宽激光器；11、第一保偏耦合器；12、第二保偏耦合器；13、第一电光调制器；14、脉冲信号源；15、第二电光调制器；16、扰偏器；17、微波信号源；18、测试光线；19、光环形器；20、3dB耦合器；21、平衡光电探测器；22、电频谱分析仪；23、数字信号处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明和描述。

如图1所示，一种基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统包括移频器9、窄线宽激光器10、第一保偏耦合器11、第一保偏耦合器、第一电光调制器13、脉冲信号源14、第二电光调制器12、扰偏器16、微波信号源17、测试光纤18、光环形器19、3dB耦合器20、平衡光电探测器21、频谱分析仪22和数字信号处理单元23。

假设3dB线宽小于1MHz的窄线宽激光器10出射光的频率为f₀，激光器发出连续光经第一保偏耦合器11分成两路连续光：第一路连续光经移频器9移频f₁后作为后续相干探测的本振光；第二路连续光经第二保偏耦合器12再分成两路连续光：其中一路连续光经由脉冲信号源14控制的第一电光调制器调13制成Hadamard序列或Golay互补序列的编码脉冲,编码长度根据实际情况由脉冲信号源14设定，所述编码泵浦脉冲光经扰偏器16后由光环形器19的第1端口注入，然后由光环形器19的第2端口输出至测试光纤18的一端；另一路连续光经第二电光调制器15移频f后作为探测信号光，移频量f的值由微波源17控制,由第二电光调制器15调制的探测信号光具有对称的两个探测边带，两个探测边带从测试光纤的另一端注入，与相向传输的编码泵浦脉冲光在测试光纤中发生受激布里渊散射作用，经过受激布里渊作用后的探测信号光经光环形器19的第3端口进入3dB耦合器20与所述本振光相干混频后由平衡光电探测器21进行相干检测。根据相干检测原理，平衡光电探测器21输出拍频信号的光电流为：

$i_{\det }\left(t\right)=2R\sqrt{P_L{P}_p{(1+g_{\mathrm{SBS}}(v_s,z))}^2}\×\cos (2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{IF}}t+\mathrm{\Δ\φ})---\left(1\right)$

式(1)中，g_SBS是受激布里渊增益，R为平衡光电探测器的响应度，P_L和P_p分别是本振光的功率和探测光的功率，f_IF是拍频信号频率(也称为中频)，Δφ是本振光和探测光的相位差。将电频谱分析仪的中心频率设置在中频f_IF处，并采用“Zero-Span”模式，数字信号处理单元24对电频谱分析仪采集到的中频电信号进行解码、累加处理后则可以获取中频f_IF信号的时域功率曲线。在布里渊频谱范围内按一定频率间隔调节微波源17的输出信号频率f，按前面所述获取中频信号沿光纤分布的时域功率曲线的方法，可以得到一系列中频信号的时域功率曲线，按中频的大小将这一系列时域功率曲线重整后，可以获得沿光纤分布的布里渊增益谱，对布里渊增益谱进行洛伦兹拟合，得到沿光纤分布的布里渊频移，根据温度和应变与布里渊频移关系，实现温度或应变分布式测量。

温度和应变的解调原理如下：

布里渊频移变化量Δv_B与温度和应变的线性关系为：

Δv_B＝C_vTΔT+C_vεΔε(2)

式(2)中ΔT为温度的变化量，Δε为应变的变化量，C_vT和C_vε分别是布里渊频移的温度系数和应变系数，这些系数通过已知条件的实验进行标定，根据测得的布里渊频移变化量和(2)式，实现温度或应变的分布式传感。

脉冲编码和解码原理：

本发明中的编码泵浦脉冲光是由相关序列对窄线宽激光器10输出的连续光进行调制而成，这些相关序列是有两个或者多个由“-1”和“1”组成的序列组，且它们的自相关函数和为δ函数的整数倍，由于光脉冲只能为单极性，因此当序列中含有元素“-1”时，可将该双极性序列用两个单极性序列的差表示，而该双极性序列的系统响应可以由这两个单极性序列的响应相减得到。解码时将双极性序列的系统响应与该相关序列做互相关后累加可以得到系统响应的估计值，从而实现信号的解码。

Hadamard序列和Golay互补序列是常用的相关序列，它们具有很好的相关性，由编码原理可知，采用N位的Hadamard序列和Golay互补序列可获得的信噪比改善分别为：

$G_H=\frac{N^2}{(2N-1)\sqrt{N}}---\left(3\right)$

$G_G=\frac{\sqrt{N}}{2}---\left(4\right)$

断点监测原理为：当测试光纤18出现断点时，所述第一电光调制器13调制的具有时间序列的编码泵浦脉冲光成为探测脉冲光，其后向的瑞利散射光经光环形器的第3端口进入3dB耦合器与本振光相干混频后由平衡光电探测器21探测，将频谱分析仪22的中频选为f₁，在“Zero-Span”模式，采集中频电信号并由对数字信号处理单元23其进行解码、累加处理后则得到时域下OTDR的功率曲线，实现断点检测的功能。

本发明同时采用了脉冲编码技术和相干检测方法，可提高BOTDA系统的信噪比、改善温度和应变的测量精度和增加传感距离；采用时间序列编码激光脉冲，在提高系统信噪比同时又可通过减小编码脉冲的码元宽度来提高空间分辨率，码元宽度可以小到与光纤声子寿命10ns相当，对应空间分辨率可达到1m；采用相干探测使得BOTDA系统具有断点监测功能，能有效克服传统BOTDA需要双端接入带来出现断点不能工作的缺点，增强BOTDA传感系统的适应能力和实用性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，本领域的开发人员可以对本发明的实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明实施例中的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的范围之内，则本发明中的实施例也包含这些改动和变型在内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims (3)

1.基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，包括窄线宽激光器(10)、第一保偏耦合器(11)、第二保偏耦合器(12)、微波信号源(17)、测试光纤(18)、光环形器(19)、3dB耦合器(20)、平衡光电探测器(21)、扰偏器(16)、电频谱分析仪(22)和数字信号处理单元(23)，窄线宽激光器(10)发出连续光经第一保偏耦合器(11)分成两路连续光：第一路连续光、第二路连续光，其特征在于：BOTDA系统还包括移频器(9)、第一电光调制器(13)、脉冲信号源(14)、第二电光调制器(15)其中：

第一路连续光经移频器(9)移频f₁后作为本振光；

第二路连续光经第二保偏耦合器(12)再分成两路连续光：其中一路连续光经由脉冲信号源(14)控制的第一电光调制器(13)调制成编码泵浦脉冲，所述编码泵浦脉冲光经扰偏器(16)后由光环形器(19)的第1端口注入，然后由光环形器(19)的第2端口输出至测试光纤(18)的一端；另一路连续光经第二电光调制器(15)移频f后作为探测信号光，移频量f的值由微波信号源(14)控制，由第二电光调制器(15)调制的探测信号光具有对称的两个探测边带，两个探测边带从测试光纤(18)的另一端注入，与相向传输的编码泵浦脉冲光在测试光纤(18)中发生受激布里渊散射作用，经过受激布里渊作用后的探测信号光经光环形器(19)的第3端口进入3dB耦合器(20)与所述本振光相干混频后由平衡光电探测器(21)进行相干检测，平衡光电探测器(21)输出的中频电信号由电频谱分析仪(22)观测和采集，数字信号处理单元(23)对电频谱分析仪(22)采集到的中频电信号进行解码、累加处理得到布里渊增益谱；并对所获得的布里渊增益谱进行洛伦兹拟合得到沿光纤的布里渊频移分布，在根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感；

所述平衡光电探测器(21)是频率响大于12GHz的光电探测器；

所述移频器(9)的移频量超过80MHz；

所述第一电光调制器(13)调制输出的是Hadamard序列或Golay互补序列的编码泵浦脉冲光；

所述数字信号处理单元(23)控制着脉冲信号源(14)产生Hadamard序列或Golay互补序列的编码电脉冲，并对电频谱分析仪(22)作同步控制；

当所述测试光纤(18)不出现断点时，所述平衡光电探测器(21)输出拍频信号的光电流为：

$i_{\det }\left(t\right)=2R\sqrt{P_L{P}_p{(1+g_{SBS}(v_s,z\left)\right)}^2}\×cos(2{\mathrm{\πf}}_{IF}t+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})$

其中，g_SBS是受激布里渊增益，R为平衡光电探测器的响应度，P_L和P_p分别是本振光的功率和探测光的功率，f_IF是拍频信号频率即中频，Δφ是本振光和探测光的相位差；

当所述测试光纤(18)出现断点时，所述第一电光调制器(13)调制输出的具有时间序列的Hadamard序列或Golay互补序列的编码泵浦脉冲光作为探测信号光，其后向的瑞利散射光经所述光环形器(19)的第3端口进入3dB耦合器(20)与所述本振光相干混频后由平衡光电探测器(21)进行相干检测,此时所述电频谱分析仪(22)采用“Zero-Span”模式提取中频f_IF＝f₁的中频信号，经多次累加平均后得到瑞利散射的OTDR功率分布曲线，实现断点检测功能。

2.根据权利要求1所述基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，其特征在于：所述电频谱分析仪(22)的中心频率设置在中频f_IF处，并采用“Zero-Span”模式，所述数字信号处理单元(23)对所述电频谱分析仪(22)采集到的中频电信号进行解码、累加处理后则可以获取中频f_IF信号的时域功率曲线。

3.根据权利要求1所述基于脉冲编码和相干探测的BOTDA系统，其特征在于：通过调节所述微波信号源(17)调制频率f的值，实现布里渊频谱的扫频测量。