CN111998933A - 一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法，装置包括激光光源、任意波形发生器、电光调制器、光环行器、弱光栅阵列以及光电探测器，任意波形发生器用于输出四组单极性电脉冲序列至所述电光调制器；所述电光调制器用于根据四组所述单极性电脉冲将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列；所述光环行器用于将四组所述光脉冲序列传送至弱光栅阵列中；所述弱光栅阵列用于根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号；所述光电探测器用于将四组所述反射信号转换为四组电信号。本发明可在提升信噪比的同时，克服现有技术中空间分辨率和传感距离相互制约的问题。

Description

一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感技术由于体积小、结构简单、灵敏度高、耐腐蚀耐高温、抗电磁干扰等优点，已经成为目前光纤传感领域国内外的研究热点。适用于抗腐蚀、易燃、易爆、高温和高压等恶劣环境；光纤传感损耗低，具有良好的光纤分布延伸的特点，传感链路中任一点都能受到振动信号的调制，从而可以实现振动信号的无漏点监测。在远距离和高空间分辨率要求的监测中，分布式光纤振动传感具有电子传感器件不可比拟的优势，在石油探测、交通领域、边境安全、军事基地防范、油气管道泄漏、社区安全以及建筑结构监测等领域具有广泛应用前景。

在分布式光纤传感的应用领域中，如何提升系统的信噪比、空间分辨率和传感距离一直是研究的重点。常见的提升空间分辨率的方法是减小探测光脉冲的脉宽，但这种方法有着明显的不足，随着探测光脉冲的脉宽的减少，其光功率也随之降低，造成的结果便是系统的传感距离的减少。反之，增大脉宽，可以增加探测光脉冲的功率，增大其传感距离，但系统的空间分辨率随之变差。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法，可在提升信噪比的同时，克服现有技术中空间分辨率和传感距离相互制约的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，包括激光光源、任意波形发生器、电光调制器、光环行器、弱光栅阵列以及光电探测器，其中，所述激光光源、电光调制器、光环形器、弱光栅阵列依次连接，所述任意波形发生器与所述电光调制器连接，所述光电探测器与所述光环形器连接；

所述激光光源用于产生连续光；所述任意波形发生器用于输出四组单极性电脉冲序列至所述电光调制器；所述电光调制器用于根据四组所述单极性电脉冲序列将所述连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列后，将所述光脉冲序列发送至所述光环形器；所述光环行器用于接收四组所述光脉冲序列，并将四组所述光脉冲序列传送至弱光栅阵列中；所述弱光栅阵列用于根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号，将四组所述反射信号反射至所述光环形器；所述光电探测器用于接收光环行器输出的四组反射信号，并将四组所述反射信号转换为四组电信号。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置中，所述激光光源为窄线宽光源。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置还包括：数字处理单元，所述数字处理单元与所述光电探测器连接，所述数字处理单元用于对四组所述电信号进行采集并解码，以得到振动信号。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置还包括：掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设置在所述电光调制器与所述光环形器之间，所述掺铒光纤放大器用于将所述电光调制器输出的四组光脉冲序列进行放大处理后输出至所述光环形器。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置中，四组单极性电脉冲序列间隔预设时间依次发送。

一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，包括如下步骤：

依次发送四组单极性电脉冲序列，根据四组单极性电脉冲序列将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列；

根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号后，将四组所述反射信号反射；

接收反射回的四组反射信号，并将四组所述反射信号转换为四组电信号。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法中，所述连续光由窄线宽光源产生。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法还包括：

对四组所述电信号进行采集并解码，以得到振动信号。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法中，所述依次发送四组单极性电脉冲序列，根据四组单极性电脉冲序列，将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列的步骤之后，所述根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号后，将四组所述反射信号反射的步骤之前：

将四组所述光脉冲序列进行放大处理。

优选的，所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法中，四组单极性电脉冲序列间隔预设时间依次发送。

相较于现有技术，本发明提供的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法，采用弱光栅阵列，由于弱光栅阵列反射回的反射光比瑞利散射光功率更强，故可以提升系统信噪比。此外，本发明使用的编码方式是格雷互补序列，每一位的位宽对应的是装置的空间分辨率，序列长度对应装置的传感距离。通过调节编码脉冲每一位的脉冲宽度可以提高空间分辨率，通过改变编码长度可以提升动态范围，克服现有技术中空间分辨率和传感距离相互制约的问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置的一较佳实施例的结构框图；

图2(a)和图2(b)为一组格雷互补序列的仿真示意图；

图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)为一组格雷互补序列偏置后等效的四组单极性编码序列的仿真示意图；

图4(a)、图4(b)和图4(c)为一组格雷互补序列自相关后和分别自相关之后再相加的结果仿真示意图；

图5为本发明提供的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法的一较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，包括激光光源1、任意波形发生器2、电光调制器3、光环行器4、弱光栅阵列5以及光电探测器6，其中，所述激光光源1、电光调制器3、光环形器4、弱光栅阵列5依次连接，所述任意波形发生器2与所述电光调制器3连接，所述光电探测器6与所述光环形器4连接；

所述激光光源1用于产生连续光；所述任意波形发生器2用于输出四组单极性电脉冲序列至所述电光调制器3；所述电光调制器3用于根据四组所述单极性电脉冲序列将所述连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列后，将所述光脉冲序列发送至所述光环形器4；所述光环行器4用于接收四组所述光脉冲序列，并将四组所述光脉冲序列传送至弱光栅阵列5中；所述弱光栅阵列5用于根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号，将四组所述反射信号反射至所述光环形器4；所述光电探测器6用于接收光环行器4输出的四组反射信号，并将四组所述反射信号转换为四组电信号。

具体来说，所述弱光栅阵列5由拉丝塔制备而成，拉丝塔采用基于相位掩膜法的在线弱光栅阵列制备技术，不仅减轻了工程量，而且制备的弱光栅具有较高的精度，相比于传统的OTDR光纤振动传感系统，弱光栅反射的光功率更高，有利于提升系统的信噪比。

进一步来说，任意波形发生器2发出的四组单极性电脉冲序列为指定编码的电脉冲序列，本发明采用的是格雷互补序列，如图2(a)和2(b)所示，其为用matlab仿真得到的32位格雷互补序列，序列A和序列B是一对格雷互补序列，格雷互补序列的定义就是：长为L的一对序列A_k和B_k，如果它们的自相关函数的和除了零位移外，都为零，那么这两个序列为格雷互补序列。对应的公式如下所示：

其中，

表示相关运算，δ_k是脉冲函数，L为序列长度。

但是由于格雷互补序列是双极性码，而光脉冲不能为负，即OTDR系统只能用单极性码进行编码，因此需要先将双极性码转化为单极性码。具体采用偏置的方法将双极性格雷互补序列等效为4组单极性码，如图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)所示，其为用matlab仿真得到的32位格雷互补序列A和序列B偏置后得到的四组等效的单极性序列，编号为A1、A2、B1和B2，1个双极性码序列可以转化成2个单极性码序列，所以1组双极性格雷互补序列可以转化得到4个单极性码序列。故本发明用任意波形发生器2输出4个单极性电脉冲序列，此4个单极性电脉冲序列可等效为1组格雷互补序列，四组单极性电脉冲序列间隔预设时间依次发送，即每个单极性电脉冲序列发射间隔时间为T，与探测光在光栅阵列往返时间相等，四个单极性电脉冲序列为一个周期，一个周期的时间为4T。

如图4(a)、4(b)和图4(c)所示，其为一组格雷互补序列的序列A和序列B自相关的的结果和分别自相关之后再相加的结果，从图中可以看到旁瓣全部消除，主瓣幅值是序列中每一位脉冲幅值的2L倍。换而言之，使用格雷互补序列编码的装置相当于是使用如图4(c)中所示的放大2L倍的脉冲信号作为调制信号，其脉宽与编码序列每一位的脉宽相等，脉宽对应的是装置的空间分辨率。故格雷互补序列编码的装置经相关解码后的空间分辨率对应的是编码序列的每一位的脉宽。

故从上述可知，格雷互补序列具有良好的自相关特性，并且易于产生和复制，非常适合作为OTDR的探测脉冲。脉冲序列每一位的宽度对应装置的空间分辨率，序列的长度对应装置的传感距离。因此，通过增加码长可以增加装置传感距离，通过减少位宽可以提升装置空间分辨率，从而解决OTDR测量中空间分辨率和传感距离的矛盾。

进一步来说，四组光脉冲序列通过光环形器4的1端口，然后通过2端口进入弱光栅阵列5中，从弱光栅阵列5返回的反射信号经光环形器4的3端口进入到光电探测器6中，由光电探测器6得到四组电信号。

本发明由于采用的传感阵列是弱光栅阵列，弱光栅阵列反射回的反射光比瑞利散射光功率更强，故可以提升系统信噪比。再者采用脉冲编码的方法，本发明使用的编码方式是格雷互补序列，每一位的位宽对应的是装置的空间分辨率，序列长度对应装置的传感距离。通过调节编码脉冲每一位的脉冲宽度可以提高空间分辨率，通过改变编码长度可以提升动态范围。

优选的，所述激光光源1为窄线宽光源，使得输出的连续光具有稳定的输出波长、极窄的光谱线宽以及优异的边模抑制比。

优选的，请继续参阅图1，所述基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置还包括数字处理单元7，所述数字处理单元7与所述光电探测器6连接，所述数字处理单元7用于对四组所述电信号进行采集并解码，以得到振动信号。

具体来说，当所述数字处理单元7采集到四组包含振动信息的数据编码为y_A1、y_A2、y_B1、y_B2的电信号时，将四组数据做如下公式的解码处理：

其中，其中L为编码序列码长，δ_k是脉冲函数，h(t)为光纤的脉冲响应函数，

表示相关运算，*表示卷积运算。

假设本发明中的编码序列每一位脉宽与单脉冲系统的探测脉冲脉宽相等。由上式可知，格雷互补序列编码的装置，经后续的解码处理得到的结果是单脉冲系统响应扩大2L倍的结果。换而言之，本发明中测量装置的探测脉冲等效于幅值扩大2L倍的单脉冲，而脉宽与单脉冲脉宽相等，故本发明测量装置的空间分辨率与单脉冲系统的空间分辨率相等。

进一步来说，使用格雷码要发射4组脉冲序列才能得到一个相关结果，得到一个相关结果的时间内，单脉冲系统已经测量了4次。长为L的格雷互补序列连续发射N次，并进行相关处理后，信号增强NL倍，而噪声增强

倍，格雷互补序列的OTDR系统的信噪比为：

其中，f(0)为初始的后向散射响应，E₀为脉冲能量，P_NE为噪声等效功率。取对数转化为动态范围为：

f(0)+E₀+P_NE+1.5(N_oct+L_oct)-2zα

其中，N_oct＝log₂N，表示是平均次数对系统动态范围的影响，L_oct＝log₂L，表示编码序列长度对系统动态范围的影响，可见序列长度L增大一倍，装置动态范围增大1.5dB。由于得到一个相关结果的时间内，单脉冲系统已经测量了4次，所以单脉冲系统的动态范围相当于码长为4的各类互补序列的系统的动态范围，因此在相同时间内，使用格雷互补序列的系统动态范围相较单脉冲提高了

从而可以在保证同等空间分辨率的同时，显著提升传感距离，克服传统的OTDR系统空间分辨率和传感距离相互制约的问题。

优选的，所述基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置还包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设置在所述电光调制器3与所述光环形器4之间，所述掺铒光纤放大器用于将所述电光调制器3输出的四组光脉冲序列进行放大处理后输出至所述光环形器4，以保证信号的强度。

基于上述基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，本发明还相应的提供一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，请参阅图5，所述方法包括如下步骤：

S100、依次发送四组单极性电脉冲序列，根据四组单极性电脉冲序列，将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列；

S200、根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号后，将四组所述反射信号反射；

S300、接收反射回的四组反射信号，并将四组所述反射信号转换为四组电信号。

优选的，所述连续光由窄线宽光源产生。

优选的，所述基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法还包括：

对四组所述电信号进行采集并解码，以得到振动信号。

优选的，所述基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法中，所述依次发送四组单极性电脉冲序列，根据四组单极性电脉冲序列，将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列的步骤之后，所述根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号后，将四组所述反射信号反射的步骤之前还包括：：

将所述电光调制器输出的四组光脉冲序列进行放大处理。

优选的，四组单极性电脉冲序列间隔预设时间依次发送。

所述基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置所具备的技术效果，基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法同样具备，在此不再赘述。

综上所述，本发明采用弱光栅阵列，由于弱光栅阵列反射回的反射光比瑞利散射光功率更强，故可以提升系统信噪比。此外，本发明使用的编码方式是格雷互补序列，每一位的位宽对应的是装置的空间分辨率，序列长度对应装置的传感距离。通过调节编码脉冲每一位的脉冲宽度可以提高空间分辨率，通过改变编码长度可以提升动态范围，克服现有技术中空间分辨率和传感距离相互制约的问题。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，其特征在于，包括激光光源、任意波形发生器、电光调制器、光环行器、弱光栅阵列以及光电探测器，其中，所述激光光源、电光调制器、光环形器、弱光栅阵列依次连接，所述任意波形发生器与所述电光调制器连接，所述光电探测器与所述光环形器连接；

所述激光光源用于产生连续光；所述任意波形发生器用于输出四组单极性电脉冲序列至所述电光调制器；所述电光调制器用于根据四组所述单极性电脉冲序列将所述连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列后，将所述光脉冲序列发送至所述光环形器；所述光环行器用于接收四组所述光脉冲序列，并将四组所述光脉冲序列传送至弱光栅阵列中；所述弱光栅阵列用于根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号，将四组所述反射信号反射至所述光环形器；所述光电探测器用于接收光环行器输出的四组反射信号，并将四组所述反射信号转换为四组电信号。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，其特征在于，所述激光光源为窄线宽光源。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，其特征在于，还包括数字处理单元，所述数字处理单元与所述光电探测器连接，所述数字处理单元用于对四组所述电信号进行采集并解码，以得到振动信号。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，其特征在于，还包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设置在所述电光调制器与所述光环形器之间，所述掺铒光纤放大器用于将所述电光调制器输出的四组光脉冲序列进行放大处理后输出至所述光环形器。

5.根据权利要求1所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量装置，其特征在于，四组单极性电脉冲序列间隔预设时间依次发送。

6.一种基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

依次发送四组单极性电脉冲序列，根据四组单极性电脉冲序列，将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列；

根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号后，将四组所述反射信号反射；

接收反射回的四组反射信号，并将四组所述反射信号转换为四组电信号。

7.根据权利要求6所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，其特征在于，所述连续光由窄线宽光源产生。

8.根据权利要求6所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，其特征在于，还包括：

对四组所述电信号进行采集并解码，以得到振动信号。

9.根据权利要求6所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，其特征在于，所述依次发送四组单极性电脉冲序列，根据四组单极性电脉冲序列，将连续光调制成格雷互补光脉冲序列，以得到四组特定编码的光脉冲序列的步骤之后，所述根据四组所述光脉冲序列产生四组反射信号后，将四组所述反射信号反射的步骤之前还包括：

将四组所述光脉冲序列进行放大处理。

10.根据权利要求6所述的基于脉冲编码的光纤光栅振动测量方法，其特征在于，四组单极性电脉冲序列间隔预设时间依次发送。

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