CN109579887A - 一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤光栅传感测量技术领域，具体为一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统及方法。本发明通过编码单元产生G‑S复合编码信号，将G‑S复合编码输入调制器中；调制器根据输入的信号来调制激光光源发出的连续光信号，产生编码脉冲序列光信号，并将编码信号输入环形器中；环形器将编码脉冲信号输入到系统的传感探测单元中；环形器接收来自传感探测单元反射的带有传感信息的光信号并发送到信号接收单元；信号接收单元将带有传感信息光信号转化为数字信号后，发送到解码与数据处理单元，输出探测信号轨迹。本发明在保持系统原有的测量空间分辨率的前提下，能够提高传感系统信噪比，并提高探测范围。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感测量技术领域，尤其涉及一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统及方法。
背景技术
光纤光栅传感技术是一种前景广阔、用于测量应变和温度的技术，其具有高灵敏度，重量轻，体积小，抗外部电磁干扰以及适应极端环境等优点。在管道泄漏检测和结构健康监测的多点应用场景中，通过采用合适的多路复用技术，大量光纤光栅传感器沿感测区域分布，能够降低感测单元成本并获得更多感测覆盖。波分复用和时分复用是在这些应用场景中最常使用的两种多路复用技术。在波分复用技术中，可复用的最大传感器数量由于受传感系统带宽的限制，复用容量减少到几十个传感器。
针对基于时分复用的光纤光栅传感技术，如果仔细考虑光纤光栅之间的反射串扰水平以及光纤光栅反射率等设计参数，理论上可以实现多达数百个传感器的复用。然而，由于光纤光栅传感系统的信噪比受注入系统中的脉冲光功率以及光纤损耗等因素的限制和影响，最后探测器所探测到的传感信号非常微弱，不利于后续的数据处理与分析。为了解决探测信号微弱的问题，可以通过增加激光器的输入功率来改善系统的信噪比，但受限于激光器的功率有限，因此必须增加入射脉冲信号的脉宽，才能提高入射光的功率，但过宽的脉宽将会降低系统的测量分辨率，此外，过高的输入功率也有可能会引起光纤中的非线性效应，如拉曼散射和布里渊散射，这会严重降低整个传感系统的性能。也可以通过采用多次重复测量然后叠加取平均的方法来提高光纤光栅传感系统的信噪比，但这种方法需要耗费更多的时间。
发明内容
本发明提供一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统及方法，用于解决现有技术中存在探测信号微弱，系统信噪比低的问题；本发明能在保证相同测量分辨率的前提下，提高系统的信噪比，从而提升系统的整体性能。
本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统，其包括以下组成部分：编码单元，用于产生以Golay码为内码，simplex码为外码组成的G-S复合编码信号，将G-S复合编码信号输入调制器中；
调制器，用于根据输入的G-S复合编码信号调制激光光源发出的连续光信号，产生编码脉冲序列光信号，并将编码脉冲序列光信号输入环形器中；
环形器，用于将编码脉冲信号输入到传感探测单元，再接收来自传感探测单元反射的带有传感信息的光信号并发送到信号接收单元；
信号接收单元，用于将带有传感信息光信号转化为数字信号后，发送到解码与数据处理单元；
解码与数据处理单元，对数字信号先进行simplex码解码，然后再将所得解码信号进行Golay相关技术解码，最后恢复并输出探测信号轨迹。
本发明中，传感探测单元由多个具有相同特性的反射率小于20％的弱反射率的光纤布拉格光栅组成。
本发明中，传感探测单元用于温度或应力传感监测。
本发明中，所述信号接收单元由光电探测器和模数转换器组成；其中：
光电探测器，用于探测包含传感信息的编码信号；
模数转换器，用于将光电探测器所测得的模拟信号转换为数字信号。
本发明还提供一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感方法，包括以下步骤：
步骤1、编码单元产生以Golay码为内码，simplex码为外码组成的G-S复合编码信号，将G-S复合编码信号输入调制器中；
步骤2、调制器根据输入的G-S复合编码信号调制激光光源发出的连续光信号，产生编码脉冲序列光信号，并将编码脉冲序列光信号输入环形器中；
步骤3，环形器将编码脉冲信号输入到传感探测单元，再接收来自传感探测单元反射的带有传感信息的光信号并发送到信号接收单元；
步骤4，信号接收单元将带有传感信息光信号转化为数字信号后，发送到解码与数据处理单元；
步骤5，解码与数据处理单元对数字信号先进行simplex码解码，然后再将所得解码信号进行Golay相关技术解码，最后恢复并输出探测信号轨迹。
本发明中，步骤1中，G-S复合编码信号的产生过程如下：首先将互补相关双极性Golay码转化为4组单极性码；然后分别将这4组单极性码作为simplex码的输入，用来代替simplex码中的每个“1”码元；最后输出新的simplex码，即为G-S复合码。
本发明中，步骤1中，编码单元通过计算机进行编码输出。
本发明中，步骤4中，传感信息为温度或应力信息。
本发明中，步骤5中，解码与数据处理单元通过计算机来进行解码与数据处理。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统和方法的有益效果在于：
将码长为M的simplex码与码长为L的互补相关Golay码复合产生G-S复合码，在时分复用光纤光栅传感系统的应用过程中既需要进行simplex解码又需要进行Golay解码，在系统测量次数即叠加平均的次数确定的情况下，注入系统的信号功率保持不变，而系统噪声减小，从而系统的信噪比得到了改善，最终的信噪比增益为
当在时分复用光纤光栅传感系统中单独使用simplex码或Golay编码技术时，随着编码长度的增加，simplex码与Golay编码对传感系统的信噪比的提高量都趋于平缓而并不是线性增加，Golay码的编码增益略低于simplex编码，而优化的G-S复合编码通过结合两种编码，信噪比的增长系数较大，在需要采用较长的编码位的时候，可以用两个较短长度的复合编码替换，降低了较长编码时对系统硬件的较高要求，在保证系统的测量空间分辨率(如10ns脉宽的脉冲对应1m的分辨率)的同时，通过提高系统信号的信噪比也增加了传感系统的距离并拓展了系统可测的温度或应力值范围。
附图说明
图1：本发明提出的一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统结构框图。
图2：本发明提出的复合编码技术中的对光信号进行编码以及对携带传感信息的光信号进行解码的过程示意图。
图3：本发明中采用传统的单脉冲技术测得的传感信号时域图。
图4：本发明中采用simplex码编码技术测得的传感信号时域图。
图5：本发明中采用互补相关Golay码编码技术测得的传感信号时域图。
图6：本发明中采用G-S复合编码技术测得的传感信号时域图。
图中标号：
1-激光光源，2-编码单元，3-波形发生器，4-电光调制器，5-环形器，6-传感探测单元，7-信号接收单元，8-解码与数据处理单元。
具体实施方式
为了使本实用发明的技术手段、发明特征，以及达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
图1是本发明的系统结构图。如图1所示，本发明基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统，包括激光光源1、复合编码的编码单元2、波形发生器3、电光调制器4、环形器5、传感探测单元6、信号接收单元7、复合编码的解码与数据处理单元8。
本实施例的激光光源1，用于产生连续光信号；
本实施例的编码单元2，用于产生复合编码序列；
本实施例的波形发生器3，用于产生G-S复合编码信号波形；
本实施例的电光调制器4，用于将复合编码信号调制到连续光信号上，产生脉冲序列编码光信号；
本实施例的环形器5，用于将脉冲序列编码光信号输入到传输光纤中，并将光纤光栅的反射信号输入到信号接收单元中；
本实施例的传感探测单元6，用于温度或应力传感监测；
本实施例的信号接收单元7，用于接收来自光纤光栅反射的传感信号；
本实施例的解码与数据处理单元8，用于将编码探测信号进行解码，得到并输出最终的探测信号曲线轨迹。
本发明基于复合编码的时分复用光纤光栅传感方法，具体包括如下步骤：
步骤1、通过编码单元产生G-S复合编码信号：
a.首先将互补相关双极性Golay码转化为4组单极性码；
b.然后分别将这4组单极性码作为simplex码的输入，用来代替simplex码中的每个“1”码元；
c.最后输出新的simplex码，即为G-S复合码。
步骤2、将G-S复合编码输入调制器中，调制器根据输入的信号来调制激光光源发出的连续光信号，产生编码脉冲序列光信号，并将编码信号输入环形器中；
步骤3、环形器将编码脉冲信号输入到系统的传感探测单元中；
步骤4、环形器接收来自传感探测单元反射的带有传感信息的光信号并发送到信号接收单元；
步骤5、信号接收单元将带有传感信息光信号转化为数字信号后，发送到复合编码解调单元；
步骤6、解码与数据处理单元，首先对传感信号进行simplex码解码，然后再将所得解码信号进行Golay相关技术解码，最后恢复并输出探测信号轨迹。
实施例1
我们利用OptiGrating设计出两个布拉格波长为1550.072nm，-3dB带宽为2.06nm，反射率约为3.7％的弱反射光纤光栅，通过对所设计光栅参数设置，可以将其用于温度或应力测量。随后，将所设计光栅加载到OptiSystem平台中，搭建出时分复用光纤光栅传感系统，用于温度测量分析。其中，两个光栅分别位于系统传感区域的10km和15km位置处。将光纤光栅的温度设置为175℃，并分别采用simplex码、Golay码、G-S复合码编码技术，与基于传感单脉冲技术的传感系统进行性能对比。图3为采用传统单脉冲技术，15km处的光纤光栅所测得的传感时域信号，图4为采用码长M＝15的simplex码编码技术，15km处的光纤光栅所测得的传感时域信号，图5为采用码长L＝16的互补相关Golay码编码技术，15km处的光纤光栅所测得的传感时域信号，图6为采用基于码长为M＝15的simplex与码长为L＝16的互补相关Golay码的G-S复合编码技术，15km处的光纤光栅所测得的传感时域信号，通过图3，图4，图5和图6的对比可以看出，采用G-S复合码的传感系统所得的信噪比结果明显优于其他技术所测得的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感系统，其特征在于，其包括以下组成部分：
编码单元，用于产生以Golay码为内码，simplex码为外码组成的G-S复合编码信号，将G-S复合编码信号输入调制器中；
调制器，用于根据输入的G-S复合编码信号调制激光光源发出的连续光信号，产生编码脉冲序列光信号，并将编码脉冲序列光信号输入环形器中；
环形器，用于将编码脉冲信号输入到传感探测单元，再接受来自传感探测单元反射的带有传感信息的光信号并发送到信号接收单元；
信号接收单元，用于将带有传感信息光信号转化为数字信号后，发送到解码与数据处理单元；
解码与数据处理单元，对数字信号先进行simplex码解码，然后再将所得解码信号进行Golay相关技术解码，最后恢复并输出探测信号轨迹。
2.根据权利要求1所述的时分复用光纤光栅传感系统，其特征在于，传感探测单元由多个具有相同特性的反射率小于20％的弱反射率的光纤布拉格光栅组成。
3.根据权利要求1所述的时分复用光纤光栅传感系统，其特征在于，传感探测单元用于温度或应力传感监测。
4.根据权利要求1所述的时分复用光纤光栅传感系统，其特征在于，所述信号接收单元由光电探测器和模数转换器组成；其中：
光电探测器，用于探测包含传感信息的编码信号；
模数转换器，用于将光电探测器所测得的模拟信号转换为数字信号。
5.一种基于复合编码的时分复用光纤光栅传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、编码单元产生以Golay码为内码，simplex码为外码组成的G-S复合编码信号，将G-S复合编码信号输入调制器中；
步骤2、调制器根据输入的G-S复合编码信号调制激光光源发出的连续光信号，产生编码脉冲序列光信号，并将编码脉冲序列光信号输入环形器中；
步骤3，环形器将编码脉冲信号输入到传感探测单元，再接收来自传感探测单元反射的带有传感信息的光信号并发送到信号接收单元；
步骤4，信号接收单元将带有传感信息光信号转化为数字信号后，发送到解码与数据处理单元；
步骤5，解码与数据处理单元对数字信号先进行simplex码解码，然后再将所得解码信号进行Golay相关技术解码，最后恢复并输出探测信号轨迹。
6.根据权利要求5所述的时分复用光纤光栅传感方法，其特征在于，步骤1中，G-S复合编码信号的产生过程如下：首先将互补相关双极性Golay码转化为4组单极性码；然后分别将这4组单极性码作为simplex码的输入，用来代替simplex码中的每个“1”码元；最后输出新的simplex码，即为G-S复合码。
7.根据权利要求5所述的时分复用光纤光栅传感方法，其特征在于，步骤1中，编码单元通过计算机进行编码输出。
8.根据权利要求5所述的时分复用光纤光栅传感方法，其特征在于，步骤4中，传感信息为温度或应力信息。
9.根据权利要求5所述的时分复用光纤光栅传感方法，其特征在于，步骤5中，解码与数据处理单元通过计算机来进行解码与数据处理。
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