CN105675020B

CN105675020B - 一种用于提高botdr抗辐射能力的系统及其方法

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Publication number: CN105675020B
Application number: CN201610048544.4A
Authority: CN
Inventors: 李密; 陈章; 张旭苹; 宋跃江; 李鑫; 刘阳
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: CN105675020A

Abstract

本发明公开了一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法，根据辐射环境下传感光纤损耗增大，布里渊后向散射光信号作用范围减小的特点，通过间隔的向受辐射光纤输入光脉冲序列，使受辐射光纤中间隔的充满光脉冲序列，从而在间隔段内得到具有较好信噪比的布里渊后向散射光信号，对间隔段内采集的信号拼接重组和矩阵变换解码，得到整条光纤的系统响应。根据布里渊频移与温度或者应变的关系实现对温度或者应变的传感。本发明还公开了一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统，由于光纤中间隔地充满光脉冲序列提高了输入功率，从而减少辐射造成的光纤损耗，提高光纤抗辐射能力。本发明克服了辐射造成光纤损耗带来的不利影响，提高BOTDR系统的抗辐射能力。

Description

一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统及其方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统及其方法。

背景技术

人类探索宇宙的脚步随着科学技术的发展不断前进，用于外太空科学实验的航天器越来越多，恶劣航天环境下对航天器的保护这一课题也越来越受到人们的关注。比如，国际空间站结构复杂，规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱，对接过渡舱、桁架、太阳能电池等部分组成，对这些部件的监测和保护，不仅对站内人员安全提供保障，而且及时发现问题解决问题可以大大提高航天器服役年限，从而节约使用成本。然而，恶劣的外太空辐射环境和对航天器材的轻量化要求，使得传统的监测手段难以达到要求。

布里渊光时域反射传感器(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry,BOTDR)作为分布式光纤传感器的一种，具有抗电磁干扰，重量轻，分辨率高、误差小、传感光纤布设简单、成本低、容易实现。当光纤沿线存在轴向应变或者温度发生变化时，光纤中的背向布里渊散射光的频率相对于注入的脉冲光频率将发生频移，布里渊散射光频率的频移量与光纤所受的轴向应变和温度的变化呈良好的线性关系。利用这一关系可以实现辐射环境下的温度和应变的传感。

在200Gy的辐射强度下，传统BOTDR传感距离降为400米，主要原因是辐射环境下光纤损耗增加。光纤损耗的主要原因是，由于辐射损伤导致光纤材料中产生色心，即缺陷结构所致，这些色心的产生与光纤材料中所含杂质的量以及先驱存在的固有点缺陷结构有关。辐射造成光纤的损耗会带来不利的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统及其方法，本方法通过间隔的向受辐射光纤输入光脉冲序列，使受辐射光纤中间隔地充满光脉冲序列，提高了输入功率，从而激发光致透明效应，即光强使材料的吸收系数降低，减轻辐射损伤，提高光纤抗辐射能力。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法，包括以下步骤：

步骤A、将光源模块输出的连续光分成两路：第一路作为探测的连续光和第二路作为本振的连续光；

步骤B、将第一路连续光调制成间隔序列脉冲光，具体如下：

步骤B-1、计算出序列长度为：T_S×N，且T_L≤T_S×N，其中，T_S为光纤中码元间隔，N为序列中的码元个数，T_L为光往返光纤所需时间；

步骤B-2、根据B-1中的T_L≤T_S×N，选取得到码元个数N：其中，为先上取整符；根据码元个数生成相对应的循环码生成矩阵，再由循环码生成矩阵得到N维的周期矩阵，取两次周期矩阵的第一行，按照间隔T_S组成间隔序列；

由循环码生成矩阵得到N维的周期矩阵具体方法为：将循环码生成矩阵的第一行作为周期矩阵第一行，周期矩阵中的其它行均为上一行循环左移1位得到，从而形成N维的周期矩阵；

步骤B-3、根据产生的间隔序列，将第一路连续光调制成间隔序列脉冲光；

步骤C、将间隔序列脉冲光放大后注入光纤，获得后向布里渊散射光信号；

将第二路连续光进行光偏振态随机化，得到光偏振态随机分布的本振光信号；

将所述后向布里渊散射光信号和光偏振态随机分布的本振光信号耦合相干后得到布里渊散射光信号，再经光电转换得到电信号，对电信号进行扫频、滤波放大后得到布里渊散射电信号；

步骤D、对布里渊散射电信号进行解码，得到解码后的BOTDR系统响应，根据解码后的BOTDR系统响应，获得沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移与温度或者应变的关系实现对温度或者应变的传感；解码包括拼接重组和矩阵变换，具体如下：

D-1、拼接重组：将布里渊散射电信号按照周期T_S分割为2N份：Y₁,Y₂...Y_2N-1，取布里渊散射电信号的第i个间隔后的连续N个间隔数据，作为布里渊系统响应矩阵Y_B的第i行所对应的元素，得到布里渊系统响应矩阵Y_B：0≤i≤N且i为整数；

D-2、矩阵变换：对布里渊系统响应矩阵Y_B进行矩阵变换，得到单脉冲系统响应组h₁...h_N为不同时延下单脉冲的BOTDR系统响应，X^-1为步骤B-2中所述的周期矩阵的逆矩阵；单脉冲系统响应组每行中的单脉冲的BOTDR系统响应为上一行单脉冲的BOTDR系统响应向后T_S的延时，根据该单脉冲系统响应组中的时延关系，将每行单脉冲的BOTDR系统响应相加求平均，得到解码后的BOTDR系统响应，根据解码后的BOTDR系统响应，获得沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

根据本发明所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法进一步优化方案，所述其中,L为光纤长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率。

根据本发明所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法进一步优化方案，光纤中码元间隔T_S小于3微秒。

一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、间隔序列发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光纤、第二耦合器、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块；其中，

光源模块，用于输出连续光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将连续光分成两路：第一路作为探测的连续光和第二路作为本振的连续光；第一路连续光输出至电光调制模块，第二路连续光输出至光偏振扰动模块；

间隔序列发生模块，用于输出间隔序列电信号至电光调制模块；

电光调制模块，用于根据间隔序列电信号将第一路连续光调制成间隔序列脉冲光并输出至光脉冲放大模块；

光脉冲放大模块，用于放大间隔序列脉冲光，输出放大后的间隔序列脉冲光至环形器的第一端口；

环形器，用于将放大后的间隔序列脉冲光由其第二端口注入光纤中，获得后向布里渊散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至第二耦合器；

光偏振扰动模块，用于将第二路连续光进行光偏振态随机化，得到光偏振态随机分布的本振光信号并输出至第二耦合器；

第二耦合器，用于将后向布里渊散射光信号与光偏振态随机分布的本振光信号进行耦合相干后，输出布里渊散射光信号依次经光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块进行光电转换、扫频、滤波、放大后，输出布里渊散射电信号至信号处理模块；

信号处理模块，用于对布里渊散射电信号进行解码，得到解码后的BOTDR系统响应，根据解码后的BOTDR系统响应，获得沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

作为本发明所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统进一步优化方案，所述第一耦合器的分光比为90:10，其中，90％的连续光为第一路连续光。

作为本发明所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统进一步优化方案，所述第二耦合器的分光比为50:50。

作为本发明所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统进一步优化方案，所述光源模块为窄线宽激光器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本方法通过间隔的向受辐射光纤输入光脉冲序列，使受辐射光纤中间隔地充满光脉冲序列，在间隔段内有较好的布里渊后向散射光信号，通过对间隔段内采集的信号拼接重组和矩阵变换解码，得到整条光纤的系统响应，根据布里渊频移与温度或者应变的关系实现对温度或者应变的传感；

(2)由于光纤中间隔地充满光脉冲序列提高了输入功率，从而激发光致透明效应，即光强使材料的吸收系数降低，减轻辐射损伤；光致透明效应的作用可以在很大程度上抵消色心形成，从而减少辐射造成的光纤损耗，提高光纤抗辐射能力；克服了辐射造成的光纤损耗带来的不利影响，提高BOTDR系统的抗辐射能力。

附图说明

图1是本发明的BOTDR系统结构示意图。

图2是间隔序列系统响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明设计了一种提高BOTDR抗辐射能力的系统，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、间隔序列发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光纤、第二耦合器(50:50)、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块，其中，

光源模块，用于输出连续光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将连续光分成两路(90:10)：第一路作为探测的连续光和第二路作为本振的连续光；第一路连续光输出至电光调制模块，第二路连续光输出至光偏振扰动模块；

本发明的一种提高BOTDR系统抗辐射的方法，具体如下：

步骤A、光源模块发出连续光，经过光源模块后的第一耦合器分成两路连续光(90:10)：第一路连续光和第二路连续光。第一路作为探测光的连续光送入电光调制模块，第二路连续光作为相干本振光。

步骤B、利用电光调制模块将连续光调制成间隔序列脉冲光，具体如下：

步骤B-1、根据辐射剂量计算序列长度。

首先，根据传感光纤长度，计算光往返光纤所需时间T_L，其中L为光纤长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率。

空间辐射环境下，光纤辐射计量是随着辐射时间的增加逐渐累积的，造成的光纤损耗随着辐射计量的累积线性增长。常见商用光纤辐射损耗增长率约为0.025db/Km·Gy，随着辐射计量的累积，BOTDR的传感范围不断降低，为了保证BOTDR的信噪比和空间分辨率，在光纤中码元间隔T_S应小于3微秒，序列长度大于或等于光信号在待测光纤中往返的时间，即T_L≤T_S×N，即光纤中注入的序列中的码元个数：

N≥T_L/T_S

步骤B-2、根据序列长度生成间隔序列：

根据B-1中的T_L≤T_S×N，得到光纤中注入序列中的码元个数N：其中为先上取整符，根据码元个数生成相对应的循环码生成矩阵，根据生成矩阵产生周期矩阵，方法为第一行作为周期矩阵第一行并通过循环移位的方法产生N维的周期矩阵，该周期矩阵中的每行序列为上一行循环左移1位得到；以3阶周期矩阵为例{1 0 1；0 1 1；1 1 0}。取两次周期矩阵的第一行，按照间隔T_S组成间隔序列；

步骤B-3、调制间隔光序列。

将产生的间隔序列接入电光强度调制模块的射频控制端，第一路作为探测光的连续光接入电光强度调制模块的光输入端口。从而可以在电光强度调制模块的光输出端得到间隔序列的光脉冲信号。将该间隔序列的光脉冲信号送入光脉冲放大模块放大。

步骤C、将所述间隔序列的光脉冲信号放大后通过光环形器输入端注入光纤，通过环形器的输出端获得的后向布里渊散射光信号与通过光偏振扰动模块的本振光信号通过第二耦合器耦合相干获得布里渊散射光信号，经光探测模块进行光电转换得到电信号，将电信号通过扫频、滤波、放大后得到布里渊散射电信号。

步骤D、对间隔序列的布里渊后向散射电信号进行拼接重组和矩阵变换解码，通过解码后的BOTDR系统响应，获得沿光纤分布每一点处的布里渊频移。具体如下：

D-1首先，对获得布里渊后向散射电信号Y进行拼接重组，得到按照周期矩阵发送所对应的布里渊系统响应矩阵Y_B。具体如下：

对获得布里渊后向散射电信号Y按照周期T_S分割为2N份：Y₁,Y₂...Y_2N-1，布里渊系统响应矩阵Y_B的第i行所对应的元素为获得布里渊后向散射电信号Y的第i间隔后连续N个间隔数据，即

以3阶周期矩阵为例结合图2间隔序列系统响应示意图具体说明：

3阶周期矩阵X为实际发送间隔序列为1,0,1,1,0,1，发送间隔为T_S，得到系统响应如图2，其中，(Y₁,Y₂,Y₃)为3阶周期矩阵第一行系统响应，(Y₂,Y₃,Y₄)为3阶周期矩阵第二行系统响应，(Y₃,Y₄,Y₅)为3阶周期矩阵第三行系统响应，即3阶周期矩阵对应的Y_B为

D-2然后，对周期矩阵得到的系统响应进行矩阵变换，解码得到单脉冲所对应的系统响应，具体如下：

周期矩阵每行得到的BOTDR系统响应为对应行单脉冲系统响应之和，即其中，h₁...h_N为不同时延的单脉冲的BOTDR系统响应，并且每行单脉冲的BOTDR系统响应为上一行单脉冲的BOTDR系统响应向后T_S的延时，即h_i(t)＝h_i+1(t+T_S)，其中，h_i(t)为单脉冲系统响应组中第i行系统响应与时间t关系函数，通过步骤B-2中所述的周期矩阵X的逆矩阵X^-1可得单脉冲系统响应组

根据单脉冲系统响应组的时延关系，将每行单脉冲的BOTDR系统响应相加，求平均得到BOTDR系统响应，即得到原始的系统响应曲线。最后，根据布里渊频移与温度或者应变的关系实现对温度或者应变的传感。

本发明根据辐传感光纤在辐射环境下发生连续性损耗增加，单个布里渊后向散射光信号在光纤中动态范围短的特点。通过将光纤中充满序列脉冲信号，在不同时刻接受后向散射光信号，再通过信号重组和矩阵变化的方法还原系统的响应。相比于传统BOTDR测量时光纤中只有一个单脉冲光信号或一组连续的光序列脉冲，本发明通过将光信号间隔地充满整条光纤，在间隔段内有较好的布里渊后向散射光信号，拼接这些并布里渊后向散射光信号段，通过重组和矩阵变化的方法得到系统响应。且在辐射环境下提高了光纤中的功率，从而激发光致透明效应，即光强使材料的吸收系数降低，减轻辐射损伤。光致透明效应的作用可以在很大程度上抵消色心形成，从而减少辐射造成的光纤损耗，提高光纤抗辐射能力。在200Gy的辐射剂量下比传统BOTDR提高了10倍的传感距离。

为了验证本发明的BOTDR系统及其长距离探测方法，特以具体实施例进行验证。波长为1550nm的宽激光器出射的连续光被第一耦合器分成两路，其中一路作为探测光，被电光调制器调制为码元宽度为20ns,7位长的间隔序列脉冲光，再经光放大器后注入经过200Gy辐射后的传感光纤相干探测得到的探测光距离为4Km相对现有的BOTDR系统提高了10倍的传感距离，大大提高了辐射环境下BOTDR技术的实用性，使得本发明得到验证。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B、将第一路连续光调制成间隔序列脉冲光，具体如下：

D-1、拼接重组：将布里渊散射电信号按照周期T_S分割为2N-1份：Y₁,Y₂...Y_2N-1，取布里渊散射电信号的第i个间隔后的连续N个间隔数据，作为布里渊系统响应矩阵Y_B的第i行所对应的元素，得到布里渊系统响应矩阵Y_B：0≤i≤N且i为整数；

2.根据权利要求1所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法，其特征在于，所述其中,L为光纤长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率。

3.根据权利要求1所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的方法，其特征在于，光纤中码元间隔T_S小于3微秒。

4.一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统，其特征在于，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、间隔序列发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光纤、第二耦合器、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块；其中，

光源模块，用于输出连续光至第一耦合器；

5.根据权利要求4所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统，其特征在于，所述第一耦合器的分光比为90:10，其中，90％的连续光为第一路连续光。

6.根据权利要求4所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统，其特征在于，所述第二耦合器的分光比为50:50。

7.根据权利要求4所述的一种用于提高BOTDR抗辐射能力的系统，其特征在于，所述光源模块为窄线宽激光器。