CN105444794A - 一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪及工作方法，包括：LD激光器、第一光耦合器、差分探测光脉冲调制模块、EDFA和第二光耦合器依次串联连接，所述第一光耦合器和第二耦合器的输出分别与光外差模块连接，所述光外差模块与APD、放大器、混频器、LPF、A/D转换器和数字信号处理模块依次串联连接。本发明有益效果：绕开了探测光脉冲只能短至10ns的限制，可以将BOTDR的空间分辨率提升至20厘米以上。不仅提升了BOTDR产品的空间分辨率，也扩大了BOTDR产品的应用领域。

Description

一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪及工作方法

技术领域

本发明涉及一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪及工作方法。

背景技术

BOTDR依靠测量光纤的后向布里渊散射光的布里渊频移分布计算光纤的应变分布。布里渊光时域反射计可用于岩土工程健康监测、地质灾害预警监测、电缆及管道的健康监测等领域，是工程领域用于取代传统点式传感器的最有力的产品之一。目前的BOTDR产品的探测光脉冲只能短至10ns(对应空间分辨率为1m)，在实际应用中，有许多情况需要测量几厘米、几十厘米作用距离上的应变变化，现有BOTDR产品由于空间分辨率的限制，难以满足高空间分辨率的应用要求，大大影响了BOTDR产品的推广及应用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪及工作方法，提升布里渊光时域反射仪的空间分辨率，并扩大了其应用领域。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪，包括：LD激光器、第一光耦合器、差分探测光脉冲调制模块、EDFA和第二光耦合器依次串联连接，所述第一光耦合器和第二耦合器的输出分别与光外差模块连接，所述光外差模块与APD、放大器、混频器、LPF、A/D转换器和数字信号处理模块依次串联连接。

一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪的工作方法，包括：LD激光器发出的连续相干光经过第一光耦合器后分成两路，其中一路作为参考光，另一路作为探测光，由差分探测光脉冲调制模块进行脉冲调制，经EDFA光放大后，由第二耦合器注入被测光纤，被测光纤中返回的散射光与参考光进行光外差后，其拍频光信号由APD直接接收，转换为电信号；

所述电信号经宽带高速低噪声前置放大器放大，经隔直滤除直流部分后输入到微波混频器，与微波信号发生器输出的高纯可调谐微波信号混频，其差频信号经LPF滤波后由高速A/D转换器将模拟信号变成数字信号，最后由数字信号处理模块进行处理。

所述差分探测光脉冲调制模块进行脉冲调制的具体方法为：

步骤(1)：读取空间分辨率SR设置值；

步骤(2)：通过空间分辨率与等效脉冲宽度P关系表计算空间分辨率设置值对应的等效脉冲宽度P；

步骤(3)：根据等效脉冲宽度P计算差分探测光脉冲PO₁和PO₂；

步骤(4)：设置量程值L以及脉冲调制重复次数n₀；

步骤(5)：根据计算的差分探测光脉冲PO₁和PO₂以及量程值L计算所需调制的脉冲光的重复频率以及脉冲周期；

步骤(6)：初始化当前脉冲调制次数n＝1；

步骤(7)：按照计算的重复频率以及脉冲周期进行脉冲光的调制；

步骤(8)：脉冲调制次数+1；

步骤(9)：判断脉冲调制次数n是否大于n₀，如果是，调制过程结束；否则，返回步骤7继续进行脉冲调制。

所述重复频率的具体为：差分探测光脉冲PO₁、PO₂以及设定倍数的量程值的和。

数字信号处理模块进行处理的具体方法为：

步骤1)：系统初始化，设当前频率FM＝初始频率FMS；

步骤2)：设置本振频率FMB＝FM；

步骤3)：读取A/D转换器输出的数据DFMS[1～N]，其中，N为采样周期与采样间隔的比值；其中，DFMS[1～N]表示当前频率为初始频率FMS时各采样点处的数据；

步骤4)：将DFMS[1～N]存至测试数据D[M][1～N]，D[M][1～N]表示存储了频率为M的N个数；其中，M为当前频率FM与初始频率FMS的差值与频率步进FMI的比值；

步骤5)：令FM＝FM+FMI；

步骤6)：若FM＞截止频率FME，则进行下一步，否则转至步骤2；

步骤7)：进行时域数据重构。

所述步骤7)中，进行时域重构的方法为：

1)读取D[MM][PN]及D[MM][PN+T1/s]；其中，D[MM][PN]表示频率为MM，位置为PN处的数据；D[MM][PN+T1/s]示频率为MM，位置为PN+T1/s处的数据；

其中，MM的取值范围：0～mm，PN的取值范围：1～nn；

2)设置其中LF为光纤长度；初始化MM＝0，PN＝1；

3)则频率为MM，位置为PN处的时域重构后的数据：

DC[MM][PN]＝D[MM][PN+T1/s]-D[MM][PN]；

4)令MM数值+1；

5)判断MM是否大于mm，如果是，进行下一步，否则转至步骤3)；

6)对DC[0][PN]～DC[mm][PN]进行布里渊谱分析；令PN数值+1；MM＝0；

7)判断PN是否大于nn，如果是，进行下一步，否则转至步骤3)；

8)结束。

本发明的有益效果是：

基于光纤中后向布里渊散射信号的叠加探测原理，不同脉宽T1和T2产生的后向布里渊散射信号B1和B2，在微波外差转化为布里渊增益谱数据GB1和GB2后，进行时域同步差分运算，得到差分布里渊增益谱数据ΔGB，对ΔGB进行滤波、降噪、拟合分析计算出光纤的应变数据S，此应变数据S的空间分辨率与脉冲光宽度ΔT(ΔT＝T1-T2)的探测光相当，绕开了探测光脉冲只能短至10ns的限制，可以将BOTDR的空间分辨率提升至20厘米以上。不仅提升了BOTDR产品的空间分辨率，也扩大了BOTDR产品的应用领域。

附图说明

图1本发明高空间分辨率布里渊光时域反射仪的结构示意图；

图2为本发明差分探测光脉冲调制模块程序流程示意图；

图3为调制脉冲光示意图；

图4为信号处理程序流程示意图；

图5为时域数据重构流程示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

首先对文中出现的名词作如下解释：

EDFA：掺铒光纤放大器；

APD：雪崩光电二极管；

LPF：低通滤波器；

如图1所示，一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪，包括：LD激光器、第一光耦合器、差分探测光脉冲调制模块、EDFA和第二光耦合器依次串联连接，所述第一光耦合器和第二耦合器的输出分别与光外差模块连接，所述光外差模块与APD、放大器、混频器、LPF、A/D转换器和数字信号处理模块依次串联连接。

高空间分辨率布里渊光时域反射仪的具体工作流程如下：

LD激光器发出的连续相干光经过第一光耦合器后分成两路，其中一路作为参考光，另一路作为探测光，由差分探测光脉冲调制模块进行脉冲调制，经EDFA光放大后，由第二耦合器注入被测光纤，被测光纤中返回的散射光与参考光进行光外差后，其拍频光信号由APD直接接收，转换为电信号；

所述电信号经宽带高速低噪声前置放大器放大，经隔直滤除直流部分后输入到微波混频器，与微波信号发生器输出的高纯可调谐微波信号混频，其差频信号经LPF滤波后由高速A/D转换器将模拟信号变成数字信号，最后由数字信号处理模块进行处理。

其中，差分探测光脉冲调制模块进行脉冲调制的具体方法如图2所示，具体为：

步骤10301读取空间分辨率SR设置值；

步骤10302查找空间分辨率与等效脉冲宽度P的关系，见表1；

步骤10303根据P值差表计算差分探测光脉冲PO₁和PO₂，见表2；

步骤10304读取量程设置值L，以及脉冲调制重复次数n₀；

步骤10305计算所需调制的脉冲光的重复频率脉冲周期T₁＝L·P₀+PO₁，T₂＝L·P₀+PO₂，其中其中ni为折射率，取1.5，c为光速。

步骤10306初始化当前脉冲调制次数n＝1；

步骤10307按照计算的重复频率以及脉冲周期进行脉冲光的调制；调制结果如图3所示；

步骤10308脉冲调制次数n++；

步骤10309判断脉冲调制次数是否满足n＞n0，如果是，则进行下一步，否则转至步骤10307；

步骤10310结束。

表1空间分辨率与等效脉冲宽度P关系表

空间分辨率	等效脉冲宽度P
		10cm	1ns3 -->
20cm	2ns
		50cm	5ns
1m	10ns
		2m	20ns

表2等效脉冲宽度P与差分探测光脉冲宽度PO₁，PO₂关系表

数字信号处理模块进行处理的具体方法如图4所示，具体为：

步骤1131初始化，设置当前频率FM＝初始频率FMS；

步骤1132设置本振频率FMB＝FM；

步骤1133读取A/D数据DFMS[1～N]，其中其中其中ni为折射率，取1.5，c为光速。s为采样间隔,单位ns；DFMS[1～N]表示当前频率为初始频率FMS时各采样点处的数据；

步骤1134将DFMS[1～N]存至测试数据D[M][1～N]；D[M][1～N]为2维数组，即存储了频率为M的N个数。例如：D[0][1～N]存储了频率为起始频率FMS时的N个数。 $M=\frac{FM-FMS}{FMI},$ FMI为频率步进；

步骤1135FM＝FM+FMI；

步骤1136若FM＞截止频率FME，则进行下一步，否则转至步骤1132；

步骤1137时域数据重构。

进行时域数据重构的详细步骤如图5所示，具体包括：

步骤11371读取D[MM][PN]及D[MM][PN+T1/s]；统一s的单位为ns，s＝10ns，表示每隔10纳秒采样1次；

D[MM][PN]：频率为MM，位置为PN处的数据。

D[MM][PN+T1/s]：频率为MM，位置为PN+T1/s处的数据。

MM的取值范围：0～mm，PN的取值范围：1～nn。

步骤11372设置LF为光纤长度，初始化MM＝0，PN＝1；

步骤11373DC[MM][PN]＝D[MM][PN+T1/s]-D[MM][PN]；

DC[MM][PN]：频率为MM，位置为PN处的时域重构后的数据。

步骤11374MM++；

步骤11375判断MM是否满足MM＞mm，如果是，进行下一步，否则转至步骤11373；

步骤11376对DC[0][PN]～DC[mm][PN]进行布里渊谱分析；PN++；MM＝0；

步骤11377判断PN是否满足PN＞nn，如果是，进行下一步，否则转至步骤11373；

步骤11378结束。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪，其特征是，包括：LD激光器、第一光耦合器、差分探测光脉冲调制模块、EDFA和第二光耦合器依次串联连接，所述第一光耦合器和第二耦合器的输出分别与光外差模块连接，所述光外差模块与APD、放大器、混频器、LPF、A/D转换器和数字信号处理模块依次串联连接。

2.一种如权利要求1所述的高空间分辨率布里渊光时域反射仪的工作方法，其特征是，包括：LD激光器发出的连续相干光经过第一光耦合器后分成两路，其中一路作为参考光，另一路作为探测光，由差分探测光脉冲调制模块进行脉冲调制，经EDFA光放大后，由第二耦合器注入被测光纤，被测光纤中返回的散射光与参考光进行光外差后，其拍频光信号由APD直接接收，转换为电信号；

所述电信号经宽带高速低噪声前置放大器放大，经隔直滤除直流部分后输入到微波混频器，与微波信号发生器输出的高纯可调谐微波信号混频，其差频信号经LPF滤波后由高速A/D转换器将模拟信号变成数字信号，最后由数字信号处理模块进行处理。

3.如权利要求2所述的一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪的工作方法，其特征是，所述差分探测光脉冲调制模块进行脉冲调制的具体方法为：

步骤(1)：读取空间分辨率SR设置值；

步骤(2)：通过空间分辨率与等效脉冲宽度P关系表计算空间分辨率设置值对应的等效脉冲宽度P；

步骤(3)：根据等效脉冲宽度P计算差分探测光脉冲PO₁和PO₂；

步骤(4)：设置量程值L以及脉冲调制重复次数n₀；

步骤(5)：根据计算的差分探测光脉冲PO₁和PO₂以及量程值L计算所需调制的脉冲光的重复频率以及脉冲周期；

步骤(6)：初始化当前脉冲调制次数n＝1；

步骤(7)：按照计算的重复频率以及脉冲周期进行脉冲光的调制；

步骤(8)：脉冲调制次数+1；

步骤(9)：判断脉冲调制次数n是否大于n₀，如果是，调制过程结束；否则，返回步骤7继续进行脉冲调制。

4.如权利要求3所述的一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪的工作方法，其特征是，所述重复频率的具体为：差分探测光脉冲PO₁、PO₂以及设定倍数的量程值的和。

5.如权利要求2所述的一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪的工作方法，其特征是，数字信号处理模块进行处理的具体方法为：

步骤1)：系统初始化，设当前频率FM＝初始频率FMS；

步骤2)：设置本振频率FMB＝FM；

步骤3)：读取A/D转换器输出的数据DFMS[1～N]，其中，N为采样周期与采样间隔的比值；其中，DFMS[1～N]表示当前频率为初始频率FMS时各采样点处的数据；

步骤4)：将DFMS[1～N]存至测试数据D[M][1～N]，D[M][1～N]表示存储了频率为M的N个数；其中，M为当前频率FM与初始频率FMS的差值与频率步进FMI的比值；

步骤5)：令FM＝FM+FMI；

步骤6)：若FM＞截止频率FME，则进行下一步，否则转至步骤2；

步骤7)：进行时域数据重构。

6.如权利要求5所述的一种高空间分辨率布里渊光时域反射仪的工作方法，其特征是，所述步骤7)中，进行时域重构的方法为：

1)读取D[MM][PN]及D[MM][PN+T1/s]；其中，D[MM][PN]表示频率为MM，位置为PN处的数据；D[MM][PN+T1/s]示频率为MM，位置为PN+T1/s处的数据；

其中，MM的取值范围：0～mm，PN的取值范围：1～nn；

2)设置其中LF为光纤长度；初始化MM＝0，PN＝1；

3)求取频率为MM，位置为PN处的时域重构后的数据DC[MM][PN]；

4)令MM数值+1；

5)判断MM是否大于mm，如果是，进行下一步，否则转至步骤3)；

6)对DC[0][PN]～DC[mm][PN]进行布里渊谱分析；令PN数值+1；MM＝0；

7)判断PN是否大于nn，如果是，进行下一步，否则转至步骤3)；

8)结束。