CN112713929B - 一种基于啁啾脉冲的光时域反射计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，涉及分布式光纤传感技术领域，用在分布式传感中以提高应变测量精度。探测光信号是通过外调制产生的线性啁啾脉冲，并以循环Simplex序列为码字进行归零编码；通过选择合适的光源线宽来降低码元间相干性，并保证码元内相干性，从而实现系统的线性化；然后通过逆组合解码方法和强度谱相关处理，能在扰动点前后，根据两组不同脉冲序列的背向瑞利散射响应，求解出扰动在传感光纤上引起的应变。本发明通过对编码啁啾脉冲序列的背向瑞利散射响应进行逆组合解码，可在一次测量中测得单脉冲的高信噪比背向瑞利散射响应，较于累加平均法效率更高，同时还减小了强度谱相关过程中的误差，提升了系统的应变测量精度。

Description

一种基于啁啾脉冲的光时域反射计

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，更具体的，涉及一种基于啁啾脉冲的光时域反射计。

背景技术

基于瑞利散射机理的光时域反射(OTDR)系统作为一种基础的分布式光纤传感系统，主要是利用背向瑞利散射光在光纤中的强度变化来分析整条光纤链路上的损耗情况，用于定位光纤中的断点十分有效。但由于OTDR系统使用宽谱脉冲进行测量，光纤中光的干涉效应十分微弱，因此对于外界施加在光纤上的扰动很不敏感。

随后Taylor等人在专利(US5194847A)中提出一种相位敏感型光时域反射

系统，采用窄线宽激光器作为光源，经调制器调制出的脉冲具有高相干性，增强了探测光脉冲内的干涉现象，使得系统对于外界施加在光纤上的扰动具有很高的响应度。在扰动处，由于弹光效应和应变效应引起的背向瑞利散射光相位变化，使得散射光的强度发生突变，系统通过检测背向瑞利散射光干涉强度谱的变化，对外界扰动进行定位。但由于相位到强度的变化不是线性的，因此通过传统的

系统无法通过强度信息定量的分析外界扰动。

为了解决能够在直接探测

系统定量测量应变，2016年，西班牙的H.F.Martins等人在专利(WO2017093588A1)中提出了一种基于啁啾脉冲和直接探测型的

(CP-φOTDR)系统，使用线性啁啾脉冲作为探测脉冲，通过扰动前后啁啾脉冲瑞利散射谱的时延差所对应的频差值对外界扰动引起的相位变化作等效补偿，由于相位变化与应变值呈线性关系，该系统最终实现了对应变的定量测量。但该系统最终求解的应变值精度与啁啾脉冲的背向瑞利散射信号的信噪比成正比，因此需要研究背向瑞利散射信号信噪比的提升方法。

对于直接探测

来说，提升信噪比最直接的方法就是提高探测光脉冲的峰值功率或者增大脉冲宽度，但前者可能会引起非线性效应，后者又会导致空间分辨率的劣化。其次就是进行多次测量后将所有结果进行累加平均处理，但这种方法提升信噪比需要大量的测量次数，牺牲了系统的整体测量时间。

发明内容

本发明的目的在于保证系统测量效率的前提下，提高光时域反射计中背向瑞利散射响应的信噪比，同时提升系统的应变测量精度，为此提供了一种基于啁啾脉冲的光时域反射计。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，包括激光器、信号调制模块、光放大器、光滤波器、环形器、待测光纤、信号解调模块；其中：

所述激光器输出的光经所述信号调制模块得到基于归零编码的线性啁啾脉冲序列；

所述光放大器对所述线性啁啾脉冲序列进行功率放大；

所述光滤波器对功率放大后的线性啁啾脉冲序列进行滤除噪声和杂波处理后得到探测脉冲序列；

所述探测脉冲序列通过所述环形器输入所述待测光纤中，在待测光纤中产生的背向瑞利散射光经环形器进入所述信号解调模块中；

所述信号解调模块对所述背向瑞利散射光进行逆组合解码和强度谱相关处理，在扰动点前后，根据两组不同脉冲序列的背向瑞利散射相应，求解出扰动在传感光纤上引起的应变。

上述方案中，本发明通过对线性啁啾脉冲序列的背向瑞利散射响应进行逆组合编码，可在一次测量中测得单脉冲的高信噪比背向瑞利散射响应，较于累加平均法效率更高，同时还减小了强度谱相关过程中的误差，提升了系统的应变测量精度。

其中，所述激光器需要选择合适的线宽，在保证脉冲宽度范围内光相干性的前提下，使得光源相干长度小于脉冲之间的间隔，避免相邻脉冲之间相干，实现系统的线性化。

上述方案中，激光源光线的线宽Δυ有特殊要求，具体如下：

循环Simplex码属于线性码，根据其解码过程可知，若想成功解码则需要系统为具有叠加性质的线性系统，即：如果某一个输入是由几个信号的加权和组成，那么输出也就是系统对这组信号中每一个输入的响应的加权和。但由于相位敏感型光时域反射计中的光源要求为高相干光，若探测光脉冲序列中相邻两个子脉冲 i和j间的距离小于光源的相干长度，根据光干涉强度的表达式：

可知，两个脉冲的背向瑞利散射信号之间也会发生干涉，两者的背向瑞利散射响应会产生额外的干涉项

这就不满足上述的叠加性，从未无法解码。

为了避免探测光脉冲序列中不同脉冲背向瑞利散射光之间的相互干渉同时又保证各个脉冲在自身长度τ_p内的干涉效应，则需要控制子脉冲之间的时间间隔τ和光源的相干时间t_coh，使得τ_p＜t_coh＜τ。根据循环Simplex码的编码和解码特点可知，一个循环周期的脉冲序列总时长要等于光在待测光纤中的往返时间 (RTT，RoundTrip Time)，即τ×N_max＝RTT，其中N_max为编码序列的最大码字数。而光源的相干时间

综上可知，光源线宽Δυ需满足以下要求：

其中，所述信号调制模块包括电光调制器、波形发生器和半导体光放大器；其中：

所述电光调制器接收由所述激光器发出的连续光后进行调制，得到基于归零编码的线性啁啾脉冲序列；所述电光调制器需要通过设置偏置电压使其工作在正交偏置点处；

所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列经过所述半导体光放大器提高消光比，再输入所述光放大器中；

所述波形发生器产生驱动信号对所述电光调制器和所述半导体光放大器进行同步驱动。

其中，所述半导体光放大器的上升沿为1～2ns，对脉冲造成的时域展宽较小，因此对系统空间分辨率的影响也较小。

其中，在所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列中，采用Simplex序列作为码字，对归零码元中的脉冲进行强度调制，并且这些脉冲均具有相同的脉宽τ_p和频率啁啾范围Δf，频率的啁啾速率为k＝Δf/τ_p。

上述方案中，所述电光调制器选用马赫-曾德尔调制器，其内部结构为典型的干涉仪结构。令其上下臂的电压值互为相反数，使其处于强度调制模式，所述波形发生器的驱动信号和电光调制器产生的光信号表示为：

其中，p_i为循环Simplex序列的码字(0或1)，编码序列码长为N，f₀为连续光的频率，f₁为驱动信号的初始频率，Δf为驱动信号调频的范围，τ为编码序列中不同码元之间的时间间隔。由于采用归零编码格式，则每个码元的持续时间不等于脉冲的脉宽，即存在所谓的占空比。τ_p为归零码元中脉冲的时间宽度，

为射频信号不同时刻的相位，rect(t)为矩形函数。

其中，所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列从所述半导体光放大器输出后，在经所述光放大器进行功率放大时，会产生自发辐射噪声，即ASE噪声；经过所述光滤波器后对ASE噪声和其他杂波进行滤除，得到探测脉冲序列。

其中，所述信号解调模块包括光电探测器和数据采集卡；其中：

所述探测脉冲序列通过所述环形器输入所述待测光纤中，在待测光纤中产生的背向瑞利散射光经环形器进入所述信号解调模块中；

在所述光电探测器中将背向瑞利散射光转化为电信号；

所述数据采集卡对所述电信号进行采集，并对采集到的数据进行逆组合解码处理和强度谱相关处理，得到高信噪比的单脉冲背向瑞利散射响应。

上述方案中，所述光时域反射计中，其编码和解码的特征具体为：

首先，循环Simplex序列可通过以下递归式得到：

其中N为循环序列的长度(编码矩阵阶数)，mod是取余运算，

其中元素‘1’的位置，由式子N＝u_n+1(p₁p₂p₃……p_N)决定。

第二，用上述递归式得到的序列(p₁p₂p₃……p_N)对线性啁啾脉冲进行归零编码，不同码元之间的间隔τ相等。脉冲序列需要不断的输入到光纤中，以p₁到 p_N脉冲为一个循环周期T_code，并且循环周期需要与光在光纤中的往返时间RTT (Round Trip Time)相等，即τ×N＝T_code＝RTT。

第三，对于码长为N的循环编码，假设系统的采样时间为T_S，根据上述循环Simplex编码过程，采集到的背向瑞利散射响应可以划分成N段，分别对应N 位的编码模式，H代表每个编码模式的采样点数。设 i＝0,...,(H-1)，j＝0,...,(N-1)，采集到的循环Simplex码瑞利散射时域信号的任一采样点可以分别表示为y(i+jH)；单脉冲背向瑞利散射响应中的任一采样点可以分别表示为x(i+jH)。由于y(i+jH)处的数据由第j个和前N-1个编码模式叠加而成，因此y和x的关系可以表示为以下线性组合式：

S为N阶循环Simplex矩阵，对其第一行右移一位就可以得到第二行，以此类推。为了得到单脉冲的背向瑞利响应，需要对采集到背向瑞利散射时域信号进行逆组合解码，即：

第四，进行解码后得到了单脉冲背向瑞利散射响应，具有较于累加平均处理更高的信噪比。假设系统中仅存在高斯白噪声e(i)，其噪声功率为非相关零均值随机过程的方差σ²，在没有编码的情况下，对M次测量解调的瑞利散射响应进行累加平均后，噪声方差变为

其信噪比增益

而编码方案中的白噪声，本身经过逆矩阵S^-1的逆组合处理，使得噪声的分布特征发生改变，具有更小的统计方差，具体计算结果如下：

其中

将矩阵S中所有的元素‘0’换成‘-1’可以得到矩阵T， T矩阵中的元素T_jk＝-1或1，解码后的噪声项可表示为：

因此，解码处理后的噪声方差为：

综上可知编码增益为

其中，所述逆组合解码处理，就是对采集到的数据进行线性组合的逆运算，通过循环Simplex矩阵的逆矩阵实现的。

其中，所述强度谱相关处理即在发生扰动过程中，采集扰动发生前后解码得到的两组数据进行相关处理；所述两组数据在时序上对应不同循环周期内的背向瑞利散射响应。

其中，在所述逆组合解码处理，得到单脉冲背向瑞利散射响应后，若有扰动发生，扰动处的光纤将收到应力作用，同时会使该处背向瑞利散射的强度谱产生一定的时移变化；将扰动发生前后解码得到的单脉冲背向瑞利散射谱进行相关处理，在得到的相关谱中，相关峰最大值对应的延时Δt就是由扰动引起的时移量，利用公式确定外界扰动引起的应变Δε大小，具体为：

其中，f_M的值等于线性啁啾脉冲频率啁啾范围的中值Δf/2加上受调制的连续光频率f₀。

上述方案中，其强度谱相关处理过程的特点如下：

第一、进行相关处理的两组数据分别为扰动前后系统解码的数据，即脉冲序列不同循环周期内解码所得的单脉冲瑞利散射响应。

第二、上述两组数据相关运算后在某一时延值Δt处得到最大的相关峰值，此时延值对应外界扰动所引起的应变对探测光瑞利散射响应的影响，根据式(1) 可以求得外界扰动对光纤所造成的应变大小。

第三、由式(1)可知，相关运算所得时延值Δt的精度能影响最终求得的应变精度，因此需要进行时延误差估计。在该系统中非加性噪声最小化的条件下，强度谱相关过程中得时延估计方差由克拉美-罗下界(Cramér-Rao lower bound,CRLB)决定：

其中τ_p为编码脉冲序列中啁啾脉冲的脉宽，B为啁啾脉冲的频率啁啾范围， SNR为进行相关运算的背向瑞利散射响应的信噪比。根据克拉美-罗下界可知，上述基于循环Simplex编码和线性啁啾脉冲的光时域反射计在进行解码处理后得到高SNR的单脉冲背向瑞利散射响应，因而相关处理所得Δt的误差也就越小，最终提升了系统的应变测量精度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，通过对线性啁啾脉冲序列的背向瑞利散射响应进行逆组合编码，可在一次测量中测得单脉冲的高信噪比背向瑞利散射响应，较于累加平均法效率更高，同时还减小了强度谱相关过程中的误差，提升了系统的应变测量精度。

附图说明

图1为本发明所述光时域反射计的结构示意图；

图2为一实施例中以3阶循环Simplex序列为例的基于归零编码的线性啁啾脉冲序列示意图；

图3为一实施例中以3阶循环Simplex序列为例的编码和解码示意图；

其中：1、激光器；2、信号调制模块；21、电光调制器；22、波形发生器； 23、半导体光放大器；3、光放大器；4、光滤波器；5、环形器；6、待测光纤； 7、信号解调模块；71、光电探测器；72、数据采集卡。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，包括激光器1、信号调制模块2、光放大器3、光滤波器4、环形器5、待测光纤6、信号解调模块7；其中：

所述激光器1输出的光经所述信号调制模块2得到基于归零编码的线性啁啾脉冲序列；

所述光放大器3对所述线性啁啾脉冲序列进行功率放大；

所述光滤波器4对功率放大后的线性啁啾脉冲序列进行滤除噪声和杂波处理后得到探测脉冲序列；

所述探测脉冲序列通过所述环形器5输入所述待测光纤6中，在待测光纤6 中产生的背向瑞利散射光经环形器5进入所述信号解调模块7中；

所述信号解调模块7对所述背向瑞利散射光进行逆组合解码和强度谱相关处理，在扰动点前后，根据两组不同脉冲序列的背向瑞利散射相应，求解出扰动在传感光纤上引起的应变。

在具体实施过程中，本发明通过对线性啁啾脉冲序列的背向瑞利散射响应进行逆组合编码，可在一次测量中测得单脉冲的高信噪比背向瑞利散射响应，较于累加平均法效率更高，同时还减小了强度谱相关过程中的误差，提升了系统的应变测量精度。

更具体的，所述激光器1需要选择合适的线宽，在保证脉冲宽度范围内光相干性的前提下，使得光源相干长度小于脉冲之间的间隔，避免相邻脉冲之间相干，实现系统的线性化。

在具体实施过程中，激光源光线的线宽Δυ有特殊要求，具体如下：

循环Simplex码属于线性码，根据其解码过程可知，若想成功解码则需要系统为具有叠加性质的线性系统，即：如果某一个输入是由几个信号的加权和组成，那么输出也就是系统对这组信号中每一个输入的响应的加权和。但由于相位敏感型光时域反射计中的光源要求为高相干光，若探测光脉冲序列中相邻两个子脉冲i和j间的距离小于光源的相干长度，根据光干涉强度的表达式：

可知，两个脉冲的背向瑞利散射信号之间也会发生干涉，两者的背向瑞利散射响应会产生额外的干涉项

这就不满足上述的叠加性，从未无法解码。

为了避免探测光脉冲序列中不同脉冲背向瑞利散射光之间的相互干渉同时又保证各个脉冲在自身长度τ_p内的干涉效应，则需要控制子脉冲之间的时间间隔τ和光源的相干时间t_coh，使得τ_p＜t_coh＜τ。根据循环Simplex码的编码和解码特点可知，一个循环周期的脉冲序列总时长要等于光在待测光纤中的往返时间 (RTT，RoundTrip Time)，即τ×N_max＝RTT，其中N_max为编码序列的最大码字数。而光源的相干时间

综上可知，光源线宽Δυ需满足以下要求：

更具体的，所述信号调制模块2包括电光调制器21、波形发生器22和半导体光放大器23；其中：

所述电光调制器21接收由所述激光器1发出的连续光后进行调制，得到基于归零编码的线性啁啾脉冲序列；所述电光调制器21需要通过设置偏置电压使其工作在正交偏置点处；

所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列经过所述半导体光放大器233提高消光比，再输入所述光放大器3中；

所述波形发生器22产生驱动信号对所述电光调制器21和所述半导体光放大器23进行同步驱动。

更具体的，所述半导体光放大器23的上升沿为1～2ns，对脉冲造成的时域展宽较小，因此对系统空间分辨率的影响也较小。

更具体的，在所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列中，采用Simplex序列作为码字，对归零码元中的脉冲进行强度调制，并且这些脉冲均具有相同的脉宽τ_p和频率啁啾范围Δf，频率的啁啾速率为k＝Δf/τ_p。

在具体实施过程中，所述电光调制器21选用马赫-曾德尔调制器，其内部结构为典型的干涉仪结构。令其上下臂的电压值互为相反数，使其处于强度调制模式，所述波形发生器22的驱动信号和电光调制器21产生的光信号表示为：

其中，p_i为循环Simplex序列的码字(0或1)，编码序列码长为N，f₀为连续光的频率，f₁为驱动信号的初始频率，Δf为驱动信号调频的范围，τ为编码序列中不同码元之间的时间间隔。由于采用归零编码格式，则每个码元的持续时间不等于脉冲的脉宽，即存在所谓的占空比。τ_p为归零码元中脉冲的时间宽度，

为射频信号不同时刻的相位，rect(t)为矩形函数。

更具体的，所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列从所述半导体光放大器23 输出后，在经所述光放大器3进行功率放大时，会产生自发辐射噪声，即ASE 噪声；经过所述光滤波器4后对ASE噪声和其他杂波进行滤除，得到探测脉冲序列。

更具体的，所述信号解调模块7包括光电探测器71和数据采集卡72；其中：

所述探测脉冲序列通过所述环形器5输入所述待测光纤6中，在待测光纤6 中产生的背向瑞利散射光经环形器5进入所述信号解调模块7中；

在所述光电探测器71中将背向瑞利散射光转化为电信号；

所述数据采集卡72对所述电信号进行采集，并对采集到的数据进行逆组合解码处理和强度谱相关处理，得到高信噪比的单脉冲背向瑞利散射响应。

在具体实施过程中，所述光时域反射计中，其编码和解码的特征具体为：

首先，循环Simplex序列可通过以下递归式得到：

其中N为循环序列的长度(编码矩阵阶数)，mod是取余运算，

其中元素‘1’的位置，由式子N＝u_n+1(p₁p₂p₃……p_N)决定。

第二，用上述递归式得到的序列(p₁p₂p₃……p_N)对线性啁啾脉冲进行归零编码，不同码元之间的间隔τ相等。脉冲序列需要不断的输入到光纤中，以p₁到p_N脉冲为一个循环周期T_code，并且循环周期需要与光在光纤中的往返时间RTT (RoundTrip Time)相等，即τ×N＝T_code＝RTT。

第三，对于码长为N的循环编码，假设系统的采样时间为T_S，根据上述循环Simplex编码过程，采集到的背向瑞利散射响应可以划分成N段，分别对应N 位的编码模式，H代表每个编码模式的采样点数。设 i＝0,...,(H-1)，j＝0,...,(N-1)，采集到的循环Simplex码瑞利散射时域信号的任一采样点可以分别表示为y(i+jH)；单脉冲背向瑞利散射响应中的任一采样点可以分别表示为x(i+jH)。由于y(i+jH)处的数据由第j个和前N-1个编码模式叠加而成，因此y和x的关系可以表示为以下线性组合式：

S为N阶循环Simplex矩阵，对其第一行右移一位就可以得到第二行，以此类推。为了得到单脉冲的背向瑞利响应，需要对采集到背向瑞利散射时域信号进行逆组合解码，即：

第四，进行解码后得到了单脉冲背向瑞利散射响应，具有较于累加平均处理更高的信噪比。假设系统中仅存在高斯白噪声e(i)，其噪声功率为非相关零均值随机过程的方差σ²，在没有编码的情况下，对M次测量解调的瑞利散射响应进行累加平均后，噪声方差变为

其信噪比增益

而编码方案中的白噪声，本身经过逆矩阵S^-1的逆组合处理，使得噪声的分布特征发生改变，具有更小的统计方差，具体计算结果如下：

其中

将矩阵S中所有的元素‘0’换成‘-1’可以得到矩阵T， T矩阵中的元素T_jk＝-1或1，解码后的噪声项可表示为：

因此，解码处理后的噪声方差为：

综上可知编码增益为

更具体的，所述逆组合解码处理，就是对采集到的数据进行线性组合的逆运算，通过循环Simplex矩阵的逆矩阵实现的。

更具体的，所述强度谱相关处理即在发生扰动过程中，采集扰动发生前后解码得到的两组数据进行相关处理；所述两组数据在时序上对应不同循环周期内的背向瑞利散射响应。

更具体的，在所述逆组合解码处理，得到单脉冲背向瑞利散射响应后，若有扰动发生，扰动处的光纤将收到应力作用，同时会使该处背向瑞利散射的强度谱产生一定的时移变化；将扰动发生前后解码得到的单脉冲背向瑞利散射谱进行相关处理，在得到的相关谱中，相关峰最大值对应的延时Δt就是由扰动引起的时移量，利用公式确定外界扰动引起的应变Δε大小，具体为：

其中，f_M的值等于线性啁啾脉冲频率啁啾范围的中值Δf/2加上受调制的连续光频率f₀。

在具体实施过程中，其强度谱相关处理过程的特点如下：

第一，进行相关处理的两组数据分别为扰动前后系统解码的数据，即脉冲序列不同循环周期内解码所得的单脉冲瑞利散射响应。

第二，上述两组数据相关运算后在某一时延值Δt处得到最大的相关峰值，此时延值对应外界扰动所引起的应变对探测光瑞利散射响应的影响，根据式(1) 可以求得外界扰动对光纤所造成的应变大小。

第三，由式(1)可知，相关运算所得时延值Δt的精度能影响最终求得的应变精度，因此需要进行时延误差估计。在该系统中非加性噪声最小化的条件下，强度谱相关过程中得时延估计方差由克拉美-罗下界(Cramér-Rao lower bound,CRLB)决定：

其中τ_p为编码脉冲序列中啁啾脉冲的脉宽，B为啁啾脉冲的频率啁啾范围， SNR为进行相关运算的背向瑞利散射响应的信噪比。根据克拉美-罗下界可知，上述基于循环Simplex编码和线性啁啾脉冲的光时域反射计在进行解码处理后得到高SNR的单脉冲背向瑞利散射响应，因而相关处理所得Δt的误差也就越小，最终提升了系统的应变测量精度。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，如图2、图3所示，以3阶循环Simplex 码为例，根据递归式给出其具体构造方式：

其中N为循环序列的长度(编码矩阵阶数)，mod是取余运算，

其中元素‘1’的位置，即N＝u_n+1(序列为p₁p₂…p_N)。取N＝3，得到u₁、 u₂依次为0、1，所以元素‘1’在3位码字的序列中的分别处在第1、2位，即编码所需的3阶循环Simplex序列为110。

更具体的，以3阶循环Simplex码为例，给出解码所需逆矩阵S^-1的构造方式：

3阶循环Simplex序列为110(p₁p₂p₃)可据此得到3阶循环Simplex矩阵S的第一行为101(p₁p₃p₂)，接下来的每一行都可以由上一行循环右移一位得到，即第二行为110(p₂p₁p₃)，即第三行为011(p₃p₂p₁)，以此3行数列组成3阶循环 Simplex矩阵S。

将矩阵S中的元素‘0’全部替换成为元素‘-1’得到矩阵T，最后乘以系数

就可以得到解码所需的逆矩阵

在具体实施过程中，选取10km的普通单模光纤作为待测光纤，可以求得光在光纤中的往返时间RTT＝0.1ms，采用N＝511位的循环Simplex码作为编码序列，可得相邻码元之间的距离τ约为195ns，子脉冲宽度τ_p设置为50ns。由式 (2)可知线宽范围：1.63MHz≤Δυ≤6.37MHz。设置驱动信号初始频率 f₀＝100Hz，脉冲线性调频的范围Δf＝1GHz，可知调频速率 k＝Δf/τ_p＝0.2×10¹⁷Hz/s。

在具体实施过程中，根据式(3)代入参数产生驱动信号，该驱动信号用于同步驱动马赫曾德尔调制器和半导体光放大器23以获得高消光比的啁啾脉冲序列。脉冲序列从半导体光放大器23输出后经过光放大器3进行功率放大，再经过光滤波器4滤除ASE噪声，最后通过环形器5输入待测光纤6。脉冲序列在待测光纤6中产生的背向瑞利散射光经环形器5进入所述光电探测器71中转化为电信号。

所述数据采集卡72对上述电信号进行采样以及逆组合解码处理，得到单脉冲的背向瑞利散响应，可作图得到单脉冲的背向瑞利散射谱。根据循环Simplex 序列的编码增益G，代入N＝511，可知编码增益约为11.325，理论上单脉冲背向瑞利散射响应信噪比提升约10dB。若非编码方案则需要进行100次测量后再累加平均才能得到相同的信噪比提升，因此编码方案比累加平均处理更有效率。若有扰动发生，扰动处的光纤将受到应力作用，将扰动发生前后解码得到的单脉冲背向瑞利散射谱进行相关运算，从相关谱中可以等到相关峰最大处的延时Δt，此延时就是由应变引起的散射谱时域平移量，通过线性啁啾脉冲的时频关系，利用式(1)确定外界扰动引起的应变大小。

由于编码方案对于背向瑞利散射响应的信噪比SNR有很大提升，根据克拉美 -罗下界的误差估计可知，系统的应变值测量精度也随之提高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，包括激光器(1)、信号调制模块(2)、光放大器(3)、光滤波器(4)、环形器(5)、待测光纤(6)、信号解调模块(7)；其中：

所述激光器(1)输出的光经所述信号调制模块(2)得到基于归零编码的线性啁啾脉冲序列；

所述光放大器(3)对所述线性啁啾脉冲序列进行功率放大；

所述光滤波器(4)对功率放大后的线性啁啾脉冲序列进行滤除噪声和杂波处理后得到探测脉冲序列；

所述探测脉冲序列通过所述环形器(5)输入所述待测光纤(6)中，在待测光纤(6)中产生的背向瑞利散射光经环形器(5)进入所述信号解调模块(7)中；

所述信号解调模块(7)对所述背向瑞利散射光进行逆组合解码和强度谱相关处理，得到高信噪比的单脉冲背向瑞利散射响应；所述强度谱相关处理即在发生扰动过程中，采集扰动发生前后解码得到的两组数据进行相关处理；所述两组数据在时序上对应不同循环周期内的背向瑞利散射响应；

其中，激光器(1)的光源线宽Δυ需满足以下要求：

式中，τ_p表示光脉冲序列长度；N_max为编码序列的最大码字数；RTT为光脉冲在待测光纤(6)中的往返时间；激光器(1)通过选择符合光源线宽需求的线宽，在保证脉冲宽度范围内光相干性的前提下，使得光源相干长度小于脉冲之间的间隔，避免相邻脉冲之间相干，实现系统的线性化；

所述信号调制模块(2)包括电光调制器(21)、波形发生器(22)和半导体光放大器(23)；其中：

所述电光调制器(21)接收由所述激光器(1)发出的连续光后进行调制，得到基于归零编码的线性啁啾脉冲序列；所述电光调制器(21)需要通过设置偏置电压使其工作在正交偏置点处；

所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列经过所述半导体光放大器(23)提高消光比，再输入所述光放大器(3)中；

所述波形发生器(22)产生驱动信号对所述电光调制器(21)和所述半导体光放大器(23)进行同步驱动。

2.根据权利要求1所述的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，所述半导体光放大器(23)的上升沿为1～2ns。

3.根据权利要求1所述的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，在所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列中，采用Simplex序列作为码字，对归零码元中的脉冲进行强度调制，并且这些脉冲均具有相同的脉宽τ_p和频率啁啾范围Δf，频率的啁啾速率为k＝Δf/τ_p。

4.根据权利要求3所述的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，所述基于归零编码的线性啁啾脉冲序列从所述半导体光放大器(23)输出后，在经所述光放大器(3)进行功率放大时，会产生自发辐射噪声，即ASE噪声；经过所述光滤波器(4)后对ASE噪声和其他杂波进行滤除，得到探测脉冲序列。

5.根据权利要求4所述的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，所述信号解调模块(7)包括光电探测器(71)和数据采集卡(72)；其中：

所述探测脉冲序列通过所述环形器(5)输入所述待测光纤(6)中，在待测光纤(6)中产生的背向瑞利散射光经环形器(5)进入所述信号解调模块(7)中；

在所述光电探测器(71)中将背向瑞利散射光转化为电信号；

所述数据采集卡(72)对所述电信号进行采集，并对采集到的数据进行逆组合解码处理和强度谱相关处理，得到高信噪比的单脉冲背向瑞利散射响应。

6.根据权利要求5所述的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，所述逆组合解码处理，就是对采集到的数据进行线性组合的逆运算，通过循环Simplex矩阵的逆矩阵实现。

7.根据权利要求6所述的一种基于啁啾脉冲的光时域反射计，其特征在于，在所述逆组合解码处理，得到单脉冲背向瑞利散射响应后，若有扰动发生，扰动处的光纤将收到应力作用，同时会使扰动处的光纤背向瑞利散射的强度谱产生一定的时移变化；将扰动发生前后解码得到的单脉冲背向瑞利散射谱进行相关处理，在得到的相关谱中，相关峰最大值对应的延时Δt就是由扰动引起的时移量，利用公式确定外界扰动引起的应变Δε大小，具体为：

其中，f_M的值等于线性啁啾脉冲频率啁啾范围的中值Δf/2加上受调制的连续光频率f₀。

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