CN105675031A - 基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，包括：窄线宽半导体激光器、耦合器、第一掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、单边带调制器、微波源、光隔离器、传感光纤、光环形器、第二掺铒光纤放大器、扰偏器、电光强度调制器、第二偏振控制器、任意波形发生器、光滤波器、光电探测器、信号采集及处理系统；本发明的技术目的是在保持BOTDA系统高空间分辨率的前提下，同时保证系统的传感距离和测量精度，提升BOTDA系统的传感性能。

Description

基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。

背景技术

分布式光纤传感系统是一种用于连续测量光纤沿线任意位置温度、应变等物理量的传感系统，系统中的光纤既是光的传输介质同时也是传感载体，可实现长距离、大范围传感，是光纤传感的一个重要分支。在众多的分布式光纤传感系统中，基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(BOTDA)，由于其具有传感距离长、测量精度高以及空间分辨率高等优势，在通信光缆、油气管道及大型建筑物等的结构监测中有着广阔的应用前景。在BOTDA系统中，脉冲泵浦光和连续探测光分别从光纤两端注入，当这两者的频差处于布里渊增益范围内时，它们之间通过受激布里渊散射效应发生能量转移，在脉冲光注入端探测随时间变化的布里渊散射信号以获取温度、应变等信息。由于BOTDA系统采用脉冲时域定位技术，减小泵浦脉冲的宽度可提高系统空间分辨率，但当光脉冲宽度小于声子寿命时(～10ns)，光纤中不能建立起稳定的感应声场，这将导致布里渊增益减弱，系统的信噪比大大降低；而且随着泵浦脉冲变窄，布里渊增益谱会不断展宽，这将使得系统信噪比和测量精度下降。

由上述分析可知，传统的BOTDA系统中，空间分辨率和传感距离这两者之间相互制约，通过减小泵浦脉冲脉宽提高空间分辨率，会严重限制系统的传感距离。在保持空间分辨率不降低的前提下，为了增加系统的传感距离，通常需要提高泵浦脉冲的峰值功率以保持较高信噪比，但由于调制不稳定性、自相位调制等非线性效应的存在，脉冲光所允许的最大注入功率受到限制，传感距离的提升仍然十分有限。此外，在BOTDA系统中，光纤的固有损耗及泵浦消耗效应也会严重影响光纤末端的信噪比，进一步限制了传感距离的延伸。

研究者们提出了多种方法以增加BOTDA系统的传感距离。常见的技术包括脉冲编码(公开号：CN102564481A，公开日：2012.07.11)、Raman远程分布式放大技术(专利号：201110340681.2)、随机激光法(公开号：CN103376124A，公开日：2013.10.30)等。其中，Raman远程分布式放大技术可以在传感光纤中为布里渊泵浦光和探测光建立一个近似无损信道，实现100km以上的超长距离无中继传感，但该技术需在BOTDA的终端添加高功率Raman泵源，其相对强度噪声RIN通常较大，会导致BOTDA系统的强度噪声增大，对系统信噪比产生影响；随机激光法是近年来新提出的一种方法，具有结构简单、成本低等优势，适合用于长距离分布式光纤传感系统，实现真正意义上的低噪声分布式光放大，但其技术不够成熟，较少见于实际应用；脉冲编码技术不需要在原有系统中增加其他器件，不会增加系统的复杂度，技术成熟，且可以明显改善系统信噪比，因此近年来脉冲编码技术在长距离布里渊分布式传感领域得到了广泛应用。然而采用脉冲编码技术时，布里渊增益谱仍会随着泵浦脉宽变窄而不断展宽，导致系统的测量精度下降，这限制了脉冲编码对系统传感距离的提升效果。

发明内容

本发明针对现有BOTDA系统采用窄泵浦脉冲导致的布里渊增益减弱、系统信噪比恶化、传感距离受限以及布里渊增益谱展宽带来的系统测量精度下降的问题，提出了一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。

本发明基于以下原理：本发明将脉冲预泵浦技术和基于Golay码的脉冲编码技术相结合，利用一个高消光比的电光强度调制器(EOIM)产生所需的预泵浦脉冲序列，经过扰偏器、光放大器之后注入传感光纤，在脉冲光注入端探测布里渊散射信号，并采用基于相关运算的解码算法以获得原始的单脉冲响应信号。本发明中，脉冲预泵浦技术保证了窄脉冲条件下布里渊增益谱不展宽，而基于Golay码的脉冲编码技术则有效提高了系统的信噪比。本发明的技术目的是在保持BOTDA系统高空间分辨率的前提下，同时保证系统的传感距离和测量精度，提升BOTDA系统的传感性能。

本发明采用的技术方案为：

一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)，包括：窄线宽半导体激光器1、耦合器2、第一掺铒光纤放大器3、第一偏振控制器4、单边带调制器5、微波源6、光隔离器7、传感光纤8、光环形器9、第二掺铒光纤放大器10、扰偏器11、电光强度调制器12、第二偏振控制器13、任意波形发生器14、光滤波器15、光电探测器16、信号采集及处理系统17；所述窄线宽半导体激光器1发出的连续光经耦合器2后分成两路，其中：由耦合器2的端口21输出的连续光，经第一掺铒光纤放大器3进行光放大和第一偏振控制器4调整偏振态之后，注入由微波源6驱动的单边带调制器5，所述微波源输出信号的频率为f_m，所述单边带调制器5受微波源6驱动后产生移频量为f_m的单边带信号作为探测光信号，所述探测光信号经光隔离器7之后输入传感光纤8；由耦合器2的端口22输出的连续光，经第二偏振控制器13调整偏振态之后，通过任意波形发生器14控制的电光强度调制器12被调制成编码泵浦脉冲光，所述编码泵浦脉冲光经扰偏器11和第二掺铒光纤放大器10后由光环形器9的端口91注入，然后由光环形器9的端口92输出至传感光纤8的另一端；上述探测光信号和泵浦脉冲光信号在传感光纤8中相向传输并发生受激布里渊散射作用，携带布里渊散射信息的探测光信号经光环形器9的端口93进入光滤波器15，滤除自发辐射噪声(ASE)之后进入光电探测器16进行光电转换，信号采集及处理系统17采集光电探测器16输出的编码布里渊时域散射信号。由于本发明所述方案所采用的Golay码，相比于传统的Golay码引入了预泵浦部分，其自相关函数和的结果不再是单位冲击函数的整数倍，为保证解码运算得到的单脉冲响应布里渊散射信号不畸变，任意波形发生器14依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码，调制电光强度调制器12产生编码泵浦脉冲光，依次获取两组编码布里渊时域散射信号，在后续信号处理过程中对两组布里渊散射信号做差分运算，以满足自相关函数和为单位冲击函数整数倍的要求，并对差分运算得到的信号进行解码、归一化处理得到布里渊增益谱，再通过洛伦兹拟合即可得到传感光纤8沿线的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度或应变的对应关系，实现光纤分布式温度或应变传感。

进一步地，所述窄线宽半导体激光器1的线宽约为10kHz，远小于布里渊增益谱谱宽，工作波长约为1550nm，输出功率为5dBm。

进一步地，所述第一掺铒光纤放大器3为连续光放大器，用于补偿后续单边带调制器5、光隔离器7的插入损耗，通过调节第一掺铒光纤放大器3的增益可以调整探测光的最终入纤功率，以避免发生严重的泵浦消耗现象。

进一步地，所述微波源6输出微波信号的频率f_m从10GHz～12GHz之间连续可调，通过连续改变微波信号的调制频率f_m，即可实现布里渊频谱的扫频测量。

进一步地，所述传感光纤8为普通单模石英光纤，在1550nm波长处的损耗约为0.2dB/km。

进一步地，所述第二掺铒光纤放大器10为高功率光脉冲放大器，用于放大电光强度调制器12产生的编码脉冲序列以获得较高的脉冲峰值功率，保证系统末端的信噪比，同时第二掺铒光纤放大器10的增益不能过大，以避免出现增益饱和及泵浦消耗现象。

进一步地，所述电光强度调制器12的消光比约为35dB，工作在线性工作点，根据任意波形发生器14输入的编码电脉冲信号，依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码和只包含预泵浦部分的Golay码编码的光脉冲信号。

进一步地，所述光电探测器16是带宽为350MHz的高速光电探测器，可满足窄泵浦脉冲条件下探测布里渊时域散射信号的要求。

进一步地，所述信号采集及处理系统17由一台高速数字示波器及一台计算机组成，高速数字示波器用于数据采集及平均，计算机对采集所得的数据进行处理及显示。

本发明的技术效果在于：

1.本发明同时采用了脉冲预泵浦技术和基于Golay码的脉冲编码技术，在获得高空间分辨率的前提下，增加了BOTDA系统的传感距离，同时保持布里渊增益谱不展宽，提高了系统的频率测量精度；

2.采用Golay码的编码泵浦脉冲光，利用其编码增益，有效提高了系统尾端的信噪比，增加了传感距离；同时由于采用了脉冲预泵浦技术，可通过减小编码脉冲的码元脉冲宽度来提高系统的空间分辨率，而不会展宽布里渊增益谱，脉宽甚至可以小于光纤声子寿命(～10ns)，对应的空间分辨率可高于1m；

3.本发明可以有效克服传统BOTDA系统中空间分辨率和传感距离之间的制约关系，实现长距离的温度或应变传感，同时具有空间分辨率高、测量精度高的优点，且不需要在传统的BOTDA系统中增加其他器件，只需改变任意波形发生器输出的脉冲形式，操作简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)结构组成图。

图中：1为窄线宽半导体激光器，2为耦合器，3为第一掺铒光纤放大器，4为第一偏振控制器，5为单边带调制器，6为微波源，7为光隔离器，8为传感光纤，9为光环形器，10为第二掺铒光纤放大器，11为扰偏器，12为电光强度调制器，13为第二偏振控制器，14为任意波形发生器，15为光滤波器，16为光电探测器，17为信号采集及处理系统。

图2是本发明中采用的预泵浦Golay码编码示意图，其中，(a)为传统的单脉冲和预泵浦单脉冲的对比图，预泵浦单脉冲相比于传统单脉冲，在主脉冲之前加入了预泵浦部分，ER1表示主脉冲和脉冲基底的比值，由电光强度调制器的消光比决定，ER2表示主脉冲部分和预泵浦部分的比值，D_P和D_Pre分别表示主脉冲部分和预泵浦部分的宽度；(b)为采用传统Golay码和预泵浦Golay码编码的时域脉冲序列的对比图，由图可知，在码元为“1”的位置，将传统Golay码的脉冲替换为预泵浦脉冲，即可得到同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的预泵浦Golay码，其中bitslot表示单个码元的周期，编码序列的占空比可用(D_P+D_Pre)/t_bitslot表示。

图3(a)为差分运算的示意图，其中，图3(a)(1)表示各码元同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码的时域脉冲序列；图3(a)(2)表示各码元只包含预泵浦部分的Golay码编码的时域脉冲序列；图3(a)(3)表示经过差分运算，各码元只包含主脉冲部分的Golay码编码的时域脉冲序列。图3(b)为预泵浦Golay码编码的时域脉冲序列，差分前后的自相关函数和的对比图，由图可知，差分之前的编码时域脉冲序列的自相关函数和并不是理想的单位冲击函数，而差分之后的编码时域脉冲序列的自相关函数和为理想的单位冲击函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

参见图1，本发明所述BOTDA系统由窄线宽半导体激光器1，耦合器2，第一掺铒光纤放大器3，第一偏振控制器4，单边带调制器5，微波源6，光隔离器7，传感光纤8，光环形器9，第二掺铒光纤放大器10，扰偏器11，电光强度调制器12，第二偏振控制器13，任意波形发生器14，光滤波器15，光电探测器16，信号采集及处理系统17组成。

本发明所采用的Golay码，相比于传统的Golay码引入了预泵浦部分，其自相关函数和的结果不再是单位冲击函数的整数倍，为保证解码运算得到的单脉冲响应布里渊散射信号不畸变，本发明分别采用同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码获取两组布里渊散射信号，在后续信号处理过程中引入差分运算以满足自相关函数和为单位冲击函数整数倍的要求，并将差分得到的信号进行解码、归一化处理得到布里渊增益谱，再通过洛伦兹拟合即可得到传感光纤沿线的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度或应变的对应关系，实现光纤分布式温度或应变传感。

所述传统Golay码通常由一对互补序列A、B组成，具有如下性质：

1.对于Golay码a_L和b_L，其自相关函数和为δ函数(即单位冲击函数)的2L_c倍，即：

其中，和分别为序列a_L和b_L的自相关函数，k为自相关运算时的位移，L_c为Golay码的长度；

2.假设线性系统的单脉冲响应为r(t)，采用长度为L_c的Golay码A和B编码的时域脉冲序列分别为A(t)和B(t)，对应的响应信号分别为R_A(t)和R_B(t)，则有

将系统响应信号R_A(t)和R_B(t)分别与其对应的时域脉冲序列进行相关运算，并将结果相加，则有

上述两式中，和“*”分别代表卷积运算和相关运算，通过式(4)的解码运算就还原得到了系统的单脉冲响应函数r(t)。

进一步地，对于BOTDA系统而言，光脉冲只能为单极性，因此必须对包含“1”和“-1”的双极性Golay码做适当处理，将双极性的脉冲序列转换为单极性序列，具体变换过程如下：

A(t)＝A₊(t)-A_-(t),B(t)＝B₊(t)-B_-(t),

变换之后，双极性Golay码A、B就分别变成了单极性Golay码A₊、A_-和B₊、B_-。这样在BOTDA系统中，就可以通过EOIM调制产生和单极性Golay码相对应的时域光脉冲序列，根据Golay码A、B的自相关特性，对探测得到的信号进行解码就可以获得单脉冲响应的布里渊散射信号，即

根据以上分析可知，经单极性变换之后，Golay码可以成功地应用于BOTDA系统，经过解码运算之后可还原得到系统的单脉冲响应信号r(t)。

本发明还提供一种基于所述系统的布里渊光时域分析方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：将工作波长为1550nm、线宽约为10kHz的半导体激光器1产生的单频连续激光输入到耦合器2，经耦合器2分束成为探测光和泵浦光两个支路，分别从耦合器2的端口21和端口22输出；

步骤二：耦合器2的端口21输出光输入掺铒光纤放大器3进行预放大，补偿后续单边带调制器5、光隔离器7的插入损耗，通过调节掺铒光纤放大器3的增益可以选择合适的探测光的入纤功率；掺铒光纤放大器3的输出光经第一偏振控制器4调整偏振态之后，输入由微波源6驱动的单边带调制器5，最终产生移频量为f_m的单边带信号作为探测光信号；

步骤三：耦合器2的端口22输出光输入第二偏振控制器13调整偏振态，输出光进入由任意波形发生器14控制的高消光比电光强度调制器12，被电光强度调制器12调制后，依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码和只包含预泵浦部分的Golay码编码的光脉冲信号；电光强度调制器12输出的光脉冲信号通过扰偏器11扰偏，以减小偏振相关的增益波动，降低偏振噪声；扰偏器11的输出光进入第二掺铒光纤放大器10，经放大后最终形成所需的编码泵浦脉冲光；

步骤四：单边带探测光经过光隔离器7之后进入传感光纤8，编码泵浦脉冲光输入光环形器9的端口91并从端口92输出，从传感光纤8的另一端注入，相向传输的两束光在传感光纤8中发生受激布里渊散射作用，发生能量转移，携带布里渊散射信息的探测光从光环形器9的端口92注入光环形器9，并从光环形器9的端口93输出经光滤波器15滤除ASE噪声后进入光电探测器16进行光电转换，光电探测器16的输出信号由信号采集及处理系统17中的高速数字示波器采集。由于后续信号处理过程中涉及到差分运算，需要依次采用同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码，分别获取两组编码布里渊时域散射信号，若同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码用A₊、A_-和B₊、B_-表示，只包含预泵浦部分的Golay码用A₊’、A_-’和B₊’、B_-’表示，则具体的信号采集过程可描述为：

步骤4.1：采集Golay码A₊、A_-和B₊、B_-对应的布里渊时域散射信号；

步骤4.1.1：信号采集及处理系统17中的计算机控制任意波形发生器14产生单极性序列A₊编码的电脉冲信号，输入电光强度调制器12产生单极性序列A₊编码的时域光脉冲信号；

步骤4.1.2：在编码脉冲序列A₊持续过程中，信号采集及处理系统17中的计算机控制微波源6按一定的频率间隔(一般为1MHz)改变输出微波信号的频率f_m，信号采集及处理系统17中的高速数字示波器采集每个频点f_m处沿传感光纤8分布的布里渊时域散射信号，从而实现了光纤不同位置处的布里渊增益测量；

步骤4.1.3：当步骤4.1.2的扫频过程完成后，计算机分别控制任意波形发生器14和微波源6，重复步骤4.1.1和4.1.2的过程，可分别获得单极性序列A_-、B₊、B_-对应的整个布里渊增益谱范围内的布里渊时域散射信号；

步骤4.2：采集Golay码A₊’、A_-’和B₊’、B_-’对应的布里渊时域散射信号；类似步骤4.1的采集过程，信号采集及处理系统17同步控制任意波形发生器14和微波源6，分别获得单极性序列A₊’、A_-’、B₊’、B_-’对应的整个布里渊增益谱范围内的布里渊时域散射信号；

步骤五：为满足自相关函数和为单位冲击函数整数倍的要求(如附图3(b)所示)，在信号处理过程中引入差分运算，将步骤四中获取的两组布里渊散射信号相减，具体差分过程可描述为：在每个频点f_m处，将A₊和A₊’对应的沿传感光纤8分布的布里渊时域散射信号相减，得到差分布里渊时域信号A₊ ^#；然后对A_-和A_-’、B₊和B₊’、B_-和B_-’做同样的差分运算，分别得到差分布里渊时域信号A_- ^#、B₊ ^#、B_- ^#；

步骤六：在每个频点f_m处，对步骤五得到的差分布里渊时域信号A₊ ^#、A_- ^#、B₊ ^#、B_- ^#进行解码运算，即

经过解码运算并对得到的解码结果进行归一化，最终可还原得到每个频点f_m处的单脉冲响应布里渊散射信号；

步骤七：对于传感光纤8上某一位置，沿频率f_m的分布进行洛仑兹曲线拟合，拟合得到的峰值增益所对应的f_m即为该位置处的布里渊中心频移，对整根传感光纤8上的各个位置重复上述洛仑兹曲线拟合过程，就实现了整根传感光纤沿线的布里渊频移测量，根据布里渊频移与温度或者应变之间的对应关系，即可实现光纤沿线任一位置的温度或应变测量。

本发明的核心是将脉冲预泵浦技术和基于Golay码的脉冲编码技术相结合，实现长距离、高空间分辨率的分布式温度或应变传感。但由于Golay码编码技术是从线性系统中借鉴而来，而BOTDA是基于受激布里渊散射的传感系统，理论上Golay码编码技术并不适用于这种包含非线性增益过程的系统，但是考虑到BOTDA中脉冲泵浦光和连续探测光的有效作用距离很短，若脉冲泵浦光和连续探测光取值合适，脉冲泵浦光不出现严重的泵浦消耗现象，布里渊增益过程可近似等效为一个线性过程，探测光的变化和布里渊增益过程的关系可表示为：

式(8)中，υ_g为群速度，Δz表示由泵浦脉冲宽决定的空间分辨率，g_B(ξ,△ν)和I_P(ξ,△ν)分别表示z＝ξ位置处的布里渊增益谱和泵浦光强，上式说明ΔI_s和泵浦脉冲I_p的光强成正比，通过脉冲编码可以有效增强一个探测周期内脉冲泵浦光光强，也就是说脉冲编码之后探测得到的信号光的变化量ΔI_s将变大，而改变量的大小决定于脉冲序列中单位脉冲的脉宽和序列长度L_c，如下式所示

由式(9)可知，通过脉冲编码可以有效提升系统的信噪比，但是随着泵浦脉宽地减小，布里渊增益谱仍然会不断展宽，系统的测量精度不可避免地会受到影响。为了解决这一问题，在Golay码编码技术中引入脉冲预泵浦技术，通过合理选取主脉冲部分和预泵浦部分的功率比值ER2选择合适的预泵浦峰值功率，通过合理选取预泵浦部分的宽度D_Pre选择合适的持续时间，既保证感应声场被充分预激发，同时又使得预泵浦部分的能量远小于主脉冲的能量，保证主脉冲和探测光之间的相互作用仍占据主导作用。在上述条件下，预泵浦Golay码和探测光的布里渊增益过程也可近似等效为一个线性过程，信号光的变化和布里渊增益过程的关系可表示为

式(10)中，I_{pre_i}(ξ,△ν)和I_{main_i}(ξ,△ν)分别表示z＝ξ位置处的预泵浦部分光强和主脉冲光强。基于Golay码的脉冲编码技术涉及到相关运算，其应用基础仍是线性系统，而由式(10)表征的预泵浦Golay码和探测光的布里渊增益过程也可近似等效为一个线性过程，这保证了预泵浦Golay码应用于BOTDA系统的可能性。综上所述，本发明所采用的预泵浦Golay码，将脉冲预泵浦技术引入基于Golay码的脉冲编码技术中，相比于传统的Golay码，预泵浦Golay码每个码元脉冲同时包含了预泵浦和主脉冲两个部分，如附图2(b)所示；预泵浦部分可预先激发光纤中的感应声场，保证主脉冲脉宽较窄时布里渊增益谱不展宽，而多个码元构成的脉冲编码序列带来的编码增益，则有效提高了系统的信噪比，增加系统的传感距离。但由于每个码元脉冲中引入了预泵浦脉冲部分，其自相关函数和的结果不再是单位冲击函数的整数倍，如附图3(b)所示，这将造成解码运算得到的单脉冲响应布里渊散射信号畸变，无法准确获取传感信息。因此，在后续的信号处理过程中引入步骤五所述的差分运算，将获取的两组不同的编码布里渊散射信号相减，以满足自相关函数和为单位冲击函数整数倍的要求。差分运算保证了预泵浦Golay码的自相关函数和为单位冲击函数的整数倍，使之可成功运用于BOTDA系统。同时，由于差分过程发生在泵浦光和探测光进行布里渊相互作用之后，不会对布里渊增益谱谱宽产生影响；且差分过程只消除了由预泵浦部分产生的布里渊散射信号，由于预泵浦部分通常很长，对应的布里渊信号不包含任何空间信息，因此差分过程并不会对系统的空间分辨率产生影响，空间分辨率仍取决于预泵浦Golay码主脉冲的脉宽。

Claims (10)

1.一种基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，包括窄线宽半导体激光器(1)、耦合器(2)、第一掺铒光纤放大器(3)、第一偏振控制器(4)、单边带调制器(5)、微波源(6)、光隔离器(7)、传感光纤(8)、光环形器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、扰偏器(11)、电光强度调制器(12)、第二偏振控制器(13)、任意波形发生器(14)、光滤波器(15)、光电探测器(16)、信号采集及处理系统(17)；所述窄线宽半导体激光器(1)发出的连续光经耦合器(2)后分成两路，其中：由耦合器(2)的端口(21)输出的连续光，经第一掺铒光纤放大器(3)进行光放大和第一偏振控制器(4)调整偏振态之后，注入由微波源(6)驱动的单边带调制器(5)，所述微波源输出信号的频率为f_m，所述单边带调制器(5)受微波源(6)驱动后产生移频量为f_m的单边带信号作为探测光信号，所述探测光信号经光隔离器(7)之后输入传感光纤(8)；由耦合器(2)的端口(22)输出的连续光，经第二偏振控制器(13)调整偏振态之后，通过任意波形发生器(14)控制的电光强度调制器(12)被调制成编码泵浦脉冲光，所述编码泵浦脉冲光经扰偏器(11)和第二掺铒光纤放大器(10)后由光环形器(9)的端口(91)注入，然后由光环形器(9)的端口(92)输出至传感光纤(8)的另一端；上述探测光信号和泵浦脉冲光信号在传感光纤(8)中相向传输并发生受激布里渊散射作用，携带布里渊散射信息的探测光信号经光环形器(9)的端口(93)进入光滤波器(15)，滤除自发辐射噪声之后进入光电探测器(16)进行光电转换，信号采集及处理系统(17)采集光电探测器(16)输出的编码布里渊时域散射信号；其特征在于：所述任意波形发生器(14)依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码，调制电光强度调制器(12)产生编码泵浦脉冲光，依次获取两组编码布里渊时域散射信号，在后续信号处理过程中对两组布里渊散射信号做差分运算，并对差分运算得到的信号进行解码、归一化处理得到布里渊增益谱，再通过洛伦兹拟合即可得到传感光纤(8)沿线的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度或应变的对应关系，实现光纤分布式温度或应变传感。

2.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述窄线宽半导体激光器(1)的线宽约为10kHz，远小于布里渊增益谱谱宽，工作波长约为1550nm，输出功率为5dBm。

3.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述第一掺铒光纤放大器(3)为连续光放大器，用于补偿后续单边带调制器(5)、光隔离器(7)的插入损耗，通过调节第一掺铒光纤放大器(3)的增益可以调整探测光的最终入纤功率，以避免发生严重的泵浦消耗现象。

4.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述微波源(6)输出微波信号的频率f_m从10GHz～12GHz之间连续可调，通过连续改变微波信号的调制频率f_m，即可实现布里渊频谱的扫频测量。

5.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述传感光纤(8)为普通单模石英光纤，在1550nm波长处的损耗约为0.2dB/km。

6.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述第二掺铒光纤放大器(10)为高功率光脉冲放大器，用于放大电光强度调制器(12)产生的编码脉冲序列以获得较高的脉冲峰值功率，保证系统末端的信噪比，同时第二掺铒光纤放大器(10)的增益不能过大，以避免出现增益饱和及泵浦消耗现象。

7.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述电光强度调制器(12)的消光比约为35dB，工作在线性工作点，根据任意波形发生器(14)输入的编码电脉冲信号，依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码和只包含预泵浦部分的Golay码编码的光脉冲信号。

8.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述光电探测器(16)是带宽为350MHz的高速光电探测器，可满足窄泵浦脉冲条件下探测布里渊时域散射信号的要求。

9.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述信号采集及处理系统(17)由一台高速数字示波器及一台计算机组成，高速数字示波器用于数据采集及平均，计算机对采集所得的数据进行处理及显示。

10.基于权利要求1所述布里渊光时域分析仪的布里渊光时域分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：将工作波长为1550nm、线宽约为10kHz的半导体激光器(1)产生的单频连续激光输入到耦合器(2)，经耦合器(2)分束成为探测光和泵浦光两个支路，分别从耦合器(2)的端口(21)和端口(22)输出；

步骤二：耦合器(2)的端口(21)输出光输入掺铒光纤放大器(3)进行预放大，补偿后续单边带调制器(5)、光隔离器(7)的插入损耗，通过调节掺铒光纤放大器(3)的增益可以选择合适的探测光的入纤功率；掺铒光纤放大器(3)的输出光经第一偏振控制器(4)调整偏振态之后，输入由微波源(6)驱动的单边带调制器(5)，最终产生移频量为f_m的单边带信号作为探测光信号；

步骤三：耦合器(2)的端口(22)输出光输入第二偏振控制器(13)调整偏振态，输出光进入由任意波形发生器(14)控制的高消光比电光强度调制器(12)，被电光强度调制器(12)调制后，依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码和只包含预泵浦部分的Golay码编码的光脉冲信号；电光强度调制器(12)输出的光脉冲信号通过扰偏器(11)扰偏，以减小偏振相关的增益波动，降低偏振噪声；扰偏器(11)的输出光进入第二掺铒光纤放大器(10)，经放大后最终形成所需的编码泵浦脉冲光；

步骤四：单边带探测光经过光隔离器(7)之后进入传感光纤(8)，编码泵浦脉冲光输入光环形器(9)的端口(91)并从端口(92)输出，从传感光纤(8)的另一端注入，相向传输的两束光在传感光纤(8)中发生受激布里渊散射作用，发生能量转移，携带布里渊散射信息的探测光从光环形器(9)的端口(92)注入光环形器(9)，并从光环形器(9)的端口(93)输出经光滤波器(15)滤除ASE噪声后进入光电探测器(16)进行光电转换，光电探测器(16)的输出信号由信号采集及处理系统(17)中的高速数字示波器采集；由于后续信号处理过程中涉及到差分运算，需要依次采用同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码，分别获取两组编码布里渊时域散射信号，若同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码用A₊、A_-和B₊、B_-表示，只包含预泵浦部分的Golay码用A₊’、A_-’和B₊’、B_-’表示，则具体的信号采集过程可描述为：

步骤4.1：采集Golay码A₊、A_-和B₊、B_-对应的布里渊时域散射信号；

步骤4.1.1：信号采集及处理系统(17)中的计算机控制任意波形发生器(14)产生单极性序列A₊编码的电脉冲信号，输入电光强度调制器(12)产生单极性序列A₊编码的时域光脉冲信号；

步骤4.1.2：在编码脉冲序列A₊持续过程中，信号采集及处理系统(17)中的计算机控制微波源(6)按一定的频率间隔改变输出微波信号的频率f_m，信号采集及处理系统(17)中的高速数字示波器采集每个频点f_m处沿传感光纤(8)分布的布里渊时域散射信号，从而实现了光纤不同位置处的布里渊增益测量；

步骤4.1.3：当步骤4.1.2的扫频过程完成后，计算机分别控制任意波形发生器(14)和微波源(6)，重复步骤4.1.1和4.1.2的过程，可分别获得单极性序列A_-、B₊、B_-对应的整个布里渊增益谱范围内的布里渊时域散射信号；

步骤4.2：采集Golay码A₊’、A_-’和B₊’、B_-’对应的布里渊时域散射信号；类似步骤4.1的采集过程，信号采集及处理系统(17)同步控制任意波形发生器(14)和微波源(6)，分别获得单极性序列A₊’、A_-’、B₊’、B_-’对应的整个布里渊增益谱范围内的布里渊时域散射信号；

步骤五：为满足自相关函数和为单位冲击函数整数倍的要求，在信号处理过程中引入差分运算，将步骤四中获取的两组布里渊散射信号相减，具体差分过程可描述为：在每个频点f_m处，将A₊和A₊’对应的沿传感光纤(8)分布的布里渊时域散射信号相减，得到差分布里渊时域信号A₊ ^#；然后对A_-和A_-’、B₊和B₊’、B_-和B_-’做同样的差分运算，分别得到差分布里渊时域信号A_- ^#、B₊ ^#、B_- ^#；

步骤六：在每个频点f_m处，对步骤五得到的差分布里渊时域信号A₊ ^#、A_- ^#、B₊ ^#、B_- ^#进行解码运算，即

$\begin{array}{c}R\left(t\right)=({A_{+}}^{\#}-{A_{-}}^{\#})*({A_{+}}^{\#}\⊗r(t)-{A_{-}}^{\#}\⊗r(t\left)\right)+({B_{+}}^{\#}-{B_{-}}^{\#})*({B_{+}}^{\#}\⊗r(t)-{B_{-}}^{\#}\⊗r(t\left)\right)\\ =A{\left(t\right)}^{\#}*A{\left(t\right)}^{\#}\⊗r\left(t\right)+B{\left(t\right)}^{\#}*B{\left(t\right)}^{\#}\⊗r\left(t\right)\\ =2L_c{\mathrm{\δ}}_k\⊗r\left(t\right)\end{array}$

经过解码运算并对得到的解码结果进行归一化，最终可还原得到每个频点f_m处的单脉冲响应布里渊散射信号；

步骤七：对于传感光纤(8)上某一位置，沿频率f_m的分布进行洛仑兹曲线拟合，拟合得到的峰值增益所对应的f_m即为该位置处的布里渊中心频移；对整根传感光纤(8)上的各个位置重复上述洛仑兹曲线拟合过程，就实现了整根传感光纤沿线的布里渊频移测量，根据布里渊频移与温度或者应变之间的对应关系，即可实现光纤沿线任一位置的温度或应变测量。