CN106953687B - 基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法 - Google Patents

基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法，其中该系统包括激光驱动调制模块、环形器、光采集器、数据采集器、编码信号产生模块、光纤传感链路及数据处理器。编码信号产生模块根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码，并将驱动调制编码发送给激光驱动调制模块以及数据采集器；激光驱动调制模块根据驱动调制编码形成编码脉冲光信号，并发送给光纤传感链路；光采集器采集光纤传感链路返回的背向散射信号，并发送给数据采集器；数据采集器将驱动调制编码及背向散射信号发送给数据处理器，数据处理器根据驱动调制编码对背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号，该系统能够在不降低信号DOP和空间分辨率的前提下，提高系统信噪比。

Description

基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法。
背景技术
1981年，A.J.Roger首次正式提出利用POTDR(偏振光时域反射技术)进行分布式的物理量传感和测量。POTDR系统经过几十年的发展，已经在光纤的偏振模色散(PMD)、双折射分布、偏振相关损耗(PDL)、拍长估计、入侵探测以及振动频率测量等参数的测量方面具有广泛的应用。
POTDR系统作为基于光时域反射(OTDR)原理的系统之一，其探测信号为光纤中的背向瑞利散射信号。OTDR系统中存在系统信噪比(SNR)和空间分辨率之间相互制约的问题，即提高系统的信噪比会降低系统的空间分辨率。同样在POTDR系统中也存在这个问题。另外研究发现POTDR系统中随着脉冲宽度的增加，信号的偏振度(DOP)呈现降低趋势，而现有技术中提高信噪比的通常方法是提高脉冲宽度，即提高信噪比会降低系统的空间分辨率，同时会降低信号的偏振度(DOP)，而DOP的降低将会同比例降低系统探测信号的动态范围。在实际应用中，系统的可探测距离随脉冲宽度的增加而增加，因此实际应用中需要最大程度的增加脉冲宽度，即需要高的信噪比，但是脉冲宽度或信噪比与空间分辨率以及DOP之间相互制约的技术问题阻挡了POTDR系统的进一步发展与应用。
发明内容
针对现有技术中无法解决POTDR系统中信噪比、DOP以及空间分辨率三者之间的相互制约问题的技术问题，提供了一种基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法。
本发明提供了一种基于Simplex编码的POTDR系统，所述系统包括激光驱动调制模块、环形器、光采集器、数据采集器、编码信号产生模块、光纤传感链路以及数据处理器；
所述编码信号产生模块与所述激光驱动调制模块以及所述数据采集器连接，所述编码信号产生模块用于根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码，并将所述驱动调制编码发送给所述激光驱动调制模块以及所述数据采集器；
所述激光驱动调制模块与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光纤传感链路，所述环形器的第三端口与所述光采集器连接，所述激光驱动调制模块根据所述驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并通过所述环形器发送给所述光纤传感链路；所述光采集器采集所述光纤传感链路返回的背向散射信号；
所述光采集器与所述数据采集器连接，所述光采集器将所述背向散射信号发送给所述数据采集器；
所述数据采集器与所述数据处理器连接，并将所述驱动调制编码以及所述背向散射信号发送给所述数据处理器，所述数据处理器根据所述驱动调制编码对所述背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号。
优选地，所述驱动调制编码为一个n*n矩阵。
优选地，所述激光驱动调制模块按照所述矩阵的行向所述光纤传感链路依次发送n组所述编码脉冲光信号，其中所述编码脉冲光信号为包含n比特的对应行的元素的脉冲光信号。
优选地，所述光采集器依次采集所述光纤传感链路返回的n个背向散射信号。
优选地，所述数据处理器包括解码单元，所述解码单元利用所述驱动调制编码的逆矩阵对所述n个背向散射信号进行解码。
优选地，所述数据处理器还包括移位平均单元，所述移位平均单元用于对解码后的背向散射信号进行移位处理，之后进行求平均处理确定所述POTDR系统信号。
本发明还提供了一种基于Simplex编码的POTDR系统信号确定方法，所述方法包括如下步骤：
S1、根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码；
S2、根据所述驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并发送给所述光纤传感链路；
S3、采集所述光纤传感链路返回的背向散射信号；
S4、根据所述驱动调制编码对所述背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号。
优选地，所述驱动调制编码为一个n*n矩阵。
优选地，所述步骤S2中，按照所述矩阵的行向所述光纤传感链路依次发送n组所述编码脉冲光信号，其中所述编码脉冲光信号为包含n比特的对应行的元素的脉冲光信号；
所述步骤S3中，依次采集所述光纤传感链路返回的n个背向散射信号；
所述步骤S4中，利用所述驱动调制编码的逆矩阵对所述n个背向散射信号进行解码。
优选地，所述步骤S4中在所述移位操作之后，得到所述POTDR系统信号之前还包括对移位后的信号进行求平均的步骤。
由上述技术方案可知，本发明提供一种基于Simplex编码的POTDR系统及其信号确定方法，其中基于Simplex编码的POTDR系统包括包括激光驱动调制模块、环形器、光采集器、数据采集器、编码信号产生模块、光纤传感链路以及数据处理器；编码信号产生模块用于根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码，并将驱动调制编码发送给激光驱动调制模块以及数据采集器；激光驱动调制模块根据驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并通过环形器发送给光纤传感链路；光采集器采集光纤传感链路返回的背向散射信号；光采集器将背向散射信号发送给数据采集器；数据采集器将驱动调制编码以及背向散射信号发送给数据处理器，数据处理器根据驱动调制编码对背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号。该系统利用Simplex编码技术生成编码脉冲光信号，并对背向散射信号进行解码移位等操作能够在不降低信号DOP和空间分辨率的前提下，提高系统信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明的一个较佳实施例的POTDR系统的结构示意图；
图2是本发明中信噪比提升的理论值与测试值示意图；
图3A是传统POTDR系统信号DOP随脉冲宽度变化的示意图；
图3B是本发明中POTDR系统信号DOP随编码长度以及比特宽度变化的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于Simplex编码的POTDR系统，所述系统包括激光驱动调制模块、环形器、光采集器、数据采集器、编码信号产生模块、光纤传感链路以及数据处理器。所述编码信号产生模块与所述激光驱动调制模块以及所述数据采集器连接，所述编码信号产生模块用于根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码，并将所述驱动调制编码发送给所述激光驱动调制模块以及所述数据采集器；所述激光驱动调制模块与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光纤传感链路，所述环形器的第三端口与所述光采集器连接，所述激光驱动调制模块根据所述驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并通过所述环形器发送给所述光纤传感链路；所述光采集器采集所述光纤传感链路返回的背向散射信号；所述光采集器与所述数据采集器连接，所述光采集器将所述背向散射信号发送给所述数据采集器；所述数据采集器与所述数据处理器连接，并将所述驱动调制编码以及所述背向散射信号发送给所述数据处理器，所述数据处理器根据所述驱动调制编码对所述背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号。该系统利用Simplex编码技术生成编码脉冲光信号，并对背向散射信号进行解码移位等操作能够在不降低信号DOP和空间分辨率的前提下，提高系统信噪比。
进一步地，所述驱动调制编码为一个n*n矩阵。所述激光驱动调制模块按照所述矩阵的行向所述光纤传感链路依次发送n组所述编码脉冲光信号，其中所述编码脉冲光信号为包含n比特的对应行的元素的脉冲光信号，即每一组编码脉冲光信号是指包含n比特的Simplex编码序列的脉冲光信号。具体地，当n＝3时，矩阵计为S，
所述光采集器依次采集所述光纤传感链路返回的3个背向散射信号，即n组检测数据，记为η1,η2…,ηn。
所述数据处理器包括解码单元，所述解码单元利用所述驱动调制编码的逆矩阵(S-1)对所述3个背向散射信号进行解码并存储。其中解码得到公式为：
所述数据处理器还包括移位平均单元，所述移位平均单元用于对解码后的背向散射信号进行移位处理，之后进行求平均处理确定所述POTDR系统信号，具体地公式为：
下面通过一个实施例对上述系统进行介绍。
如图1所示，上述光采集器包括在线检偏器以及光探测器，在线检偏器与环形器的第三端口连接，同时在线检偏器与光探测连接，光探测器与数据采集器连接。
具体地，编码信号产生模块将产生的编码的电信号，即驱动调制编码的电信号通过信号线缆与激光器的驱动与调制模块，即激光驱动调制模块相连；激光驱动调制模块接收到调制信号，即驱动调制编码的电信号后，将光信号按照调制信号进行调制；调制后的光信号，即编码脉冲光信号通过环形器1端口引入光路系统。环形器2端口连接传感光纤链路，其中传感光纤链路为通信用标准单模光纤；环形器3端口与在线检偏器一端相连；在线起偏器另一端连接光探测器输入端；光探测器的信号输出端通过信号线缆与数据采集设备，即数据采集器相连；数据采集设备可通过提供的数据接口与数据处理设备(如计算机)通信，将数据传输给数据处理设备进行处理。
该系统将Simplex编码技术引入POTDR系统中，有效解决了POTDR系统信噪比、信号DOP以及空间分辨率三者之间的相互制约问题。利用Simplex编码技术在不降低信号DOP和空间分辨率的前提下，提高系统信噪比的提升(编码增益)可达到：
其中n为编码长度。
编码增益实测结果如图2所示，可以看出不同的编码长度的系统编码增益和理论值的符合度非常好。
除了编码增益之外，在POTDR系统中，更加关注Simplex编码是否会影响信号的偏振度，典型结果如图3A、3B所示。其中图3A为传统的POTDR系统中信号DOP随着脉冲宽度的增加的变化曲线。从中容易看出，随着脉冲宽度的增加，信号的DOP呈现下降的趋势。图3B为信号DOP随着编码长度和比特宽度的变化曲线。可以看出信号DOP随编码长度变化不明显，而随比特宽度的变化十分明显。另外将同一比特宽度下的编码POTDR系统信号的DOP值画在图3A中，容易看出，当比特宽度和sp-POTDR系统(基于Simplex编码的POTDR系统)的脉冲宽度一样时，无论编码序列长度是多少，信号的DOP几乎完全一致。那么可以得到以下结论：Simplex编码技术可以用在POTDR系统中来突破SNR、空间分辨率之间的相互制约关系而不降系统信号的DOP。
应当说明的是，本发明中的最小编码长度为3，即矩阵的列数最小为3。
对应上述系统，本发明还公开了一种基于Simplex编码的POTDR系统信号确定方法，所述方法包括如下步骤：
S1、根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码，此驱动调制编码由编码信号产生模块产生；驱动调制编码为一个一个n*n矩阵；
S2、根据所述驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并发送给所述光纤传感链路；此步骤中由激光驱动调制模块根据所述驱动调制编码对光信号进行调制；
S3、采集所述光纤传感链路返回的背向散射信号；此步骤中由光采集器完成；
S4、根据所述驱动调制编码对所述背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号；此步骤中由数据处理器完成。
进一步地，所述步骤S2中，按照所述矩阵的行向所述光纤传感链路依次发送n组所述编码脉冲光信号，其中所述编码脉冲光信号为包含n比特的对应行的元素的脉冲光信号；
所述步骤S3中，依次采集所述光纤传感链路返回的n个背向散射信号；
所述步骤S4中，利用所述驱动调制编码的逆矩阵对所述n个背向散射信号进行解码。
所述步骤S4中在所述移位操作之后，得到所述POTDR系统信号之前还包括对移位后的信号进行求平均的步骤。
上述方法的步骤与上述系统的处理步骤一一对应，对于重复的部分这里不再进行赘述。
下面通过另一个实施例对上述方法进行介绍。
本实施例中比特宽度τ＝100ns，数据采集设备的采样率为1G Sam/s为例，具体如下：
S10、预设编码。按照simplex编码的生成规则生成一个一个3×3的矩阵，记为S。
S11、向待测光纤按照S矩阵的行依次发送3组编码脉冲光信号；其中，每一组编码脉冲光信号是指包含3比特的Simplex编码序列的脉冲光信号。第一次发送编码为101的光脉冲，第二次发送编码为011的光脉冲，第三次发送编码为110的光脉冲，其中每一个0或1(比特)的持续时间即为比特宽度τ。
S12、依次采集由待测光纤返回的多组背向散射信号，获取3组检测数据，记为η1(t),η2(t),η3(t)；
S13、数据解码，采用与驱动编码对应的逆矩阵(S-1)对采集到的各组检测数据分别进行数据解码，具体为解如公式(2)所示的方程组，得到
S14、对解码数据移位对其再求平均得到最终解码之后的POTDR系统信号ψ(t)。具体过程为，
至此得到最终的POTDR系统信号，对于其他编码长度的情况执行过程和3阶的情况是一致的。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或者部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于Simplex编码的POTDR系统，其特征在于，所述系统包括激光驱动调制模块、环形器、光采集器、数据采集器、编码信号产生模块、光纤传感链路以及数据处理器；
所述编码信号产生模块与所述激光驱动调制模块以及所述数据采集器连接，所述编码信号产生模块用于根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码，并将所述驱动调制编码发送给所述激光驱动调制模块以及所述数据采集器；其中，所述驱动调制编码为一个n*n矩阵；
所述激光驱动调制模块与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光纤传感链路，所述环形器的第三端口与所述光采集器连接，所述激光驱动调制模块根据所述驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并通过所述环形器发送给所述光纤传感链路；所述光采集器采集所述光纤传感链路返回的背向散射信号；
所述光采集器与所述数据采集器连接，所述光采集器将所述背向散射信号发送给所述数据采集器；
所述数据采集器与所述数据处理器连接，并将所述驱动调制编码以及所述背向散射信号发送给所述数据处理器，所述数据处理器根据所述驱动调制编码对所述背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光驱动调制模块按照所述矩阵的行向所述光纤传感链路依次发送n组所述编码脉冲光信号，其中所述编码脉冲光信号为包含n比特的对应行的元素的脉冲光信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光采集器依次采集所述光纤传感链路返回的n个背向散射信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据处理器包括解码单元，所述解码单元利用所述驱动调制编码的逆矩阵对所述n个背向散射信号进行解码。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据处理器还包括移位平均单元，所述移位平均单元用于对解码后的背向散射信号进行移位处理，之后进行求平均处理确定所述基于Simplex编码的POTDR系统信号。
6.一种基于Simplex编码的POTDR系统信号确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、根据Simplex编码的生成规则产生驱动调制编码；其中，所述驱动调制编码为一个n*n矩阵；
S2、根据所述驱动调制编码对光信号进行调制，形成编码脉冲光信号，并发送给光纤传感链路；
S3、采集所述光纤传感链路返回的背向散射信号；
S4、根据所述驱动调制编码对所述背向散射信号进行解码和移位处理得到POTDR系统信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，按照所述矩阵的行向所述光纤传感链路依次发送n组所述编码脉冲光信号，其中所述编码脉冲光信号为包含n比特的对应行的元素的脉冲光信号；
所述步骤S3中，依次采集所述光纤传感链路返回的n个背向散射信号；
所述步骤S4中，利用所述驱动调制编码的逆矩阵对所述n个背向散射信号进行解码。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中在所述移位操作之后，得到所述POTDR系统信号之前还包括对移位后的信号进行求平均的步骤。
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