CN203414195U - 一种采用ccpons脉冲编码的botdr传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，该传感器包括激光器、光纤耦合器、电光调制器、光放大器、微波信号发生器、传感光纤、光电探测器、信号调理电路、数据采集系统、数据处理与显示设备。该传感器通过互补相关普罗米修斯标准正交序列（complementary correlated Prometheus orthonormal sequence，CCPONS)驱动电光调制器产生光脉冲序列，将光脉冲序列耦合入传感光纤，通过对散射回来的布里渊信号做进一步处理来获得外界环境的变化信息。CCPONS脉冲编码可在不降低系统空间分辨率的前提下增加入射脉冲的功率，提高系统的信噪比和温度、应变分辨率，延长传感距离，实现对温度和应力等参数的高精度检测。

Description

一种采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤传感技术领域，特别是涉及一种光脉冲编码技术的布里渊光时域反射传感器。 

背景技术

布里渊光时域反射传感器（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,BOTDR）是一种基于自发布里渊散射的光纤传感技术，该技术通过测量布里渊散射光谱的频移量和功率值便可以实现温度和应力的同时检测，是分布式光纤传感技术中最有前途的技术之一。布里渊传感系统一般采用具有一定脉冲宽度和峰值功率的单脉冲作为探测脉冲。自发布里渊散射信号非常微弱，系统的信噪比较低。由于激光器的峰值功率有限，为了提高发射信号能量以获得较高的信噪比，通常采用增加脉冲宽度的方法。系统的空间分辨率取决于脉冲宽度，脉冲宽度过大会降低系统的空间分辨率。 

实用新型内容

鉴于现有技术的缺点，本实用新型的目的是提出一种采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，以实现在不降低系统空间分辨率的前提下，提高系统的探测精度和信噪比，延长传感距离，实现对温度和应力等参数的高精度检测。 

本实用新型的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器包括激光器、光纤耦合器、电光调制器、光放大器、微波信号发生器、传感光纤、光电探测器、信号调理电路、数据采集系统、数据处理与显示设备。该传感器用一个中心波长为1550nm的激光器通过光纤耦合器将光分成两路：其中一路光由基于FPGA的驱动控制器产生的CCPONS电脉冲序列通过驱动电光调制器产生的光脉冲序列，再经掺铒光纤放大器将该信号功率放大后通过光环形器后输入到单模光纤中；另一路由电光调制器产生与布里渊频移相近的的本地参考光，通过扰偏器后与由传感光纤链路返回的布里渊后向散射光在光电检测器上进行外差相干检测，得到布里渊散射信号。 

本实用新型所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用激光器为输出中心波长为1550nm，线宽为1～3kHz，输出功率为25mW的光纤单频窄线宽激光器。 

本实用新型所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用电光调制器是输入信号范围为500-1500mV，偏置电压调节范围为-7V～7V的电光调制器。 

本实用新型所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用高速数据采集卡为200MS/s的实时采样。 

本实用新型所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是微波信号发生器频率范围为10MHz-20GHz，频率分辨率为1Hz。 

本实用新型所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用光纤为G652普通单模光纤。 

本实用新型所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征在于光接收模块所用光电探测器的最大输入光功率2mW，谱响应范围850-1650nm。 

采用CCPONS脉冲编码的布里渊光时域反射传感器的编码解码原理： 

先产生正交矩阵，这种正交矩阵编码以Golay和Shapiro编码思想为基础。它以一对互补序列a_1,1和b_1,1组成的两行两列矩阵为基（式（1）），以式（2）进行反演得到2^m×2^m（m为正整数）的矩阵。 

$p_1=\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{1,1}}\\ b_{\mathrm{1,1}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$p_m=\left[\begin{array}{c}{a}_{m,1}\\ b_{m,1}\\ a_{m,2}\\ b_{m,2}\\ \·\·\·\\ a_{m,2^{m-1}-1}\\ b_{m,2^{m-1}-1}\\ a_{m,2^{m-1}}\\ b_{m,2^{m-1}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_{m-\mathrm{1,1}}& b_{m-\mathrm{1,1}}\\ a_{m-\mathrm{1,1}}& -b_{m-\mathrm{1,1}}\\ b_{m-\mathrm{1,1}}& a_{m-\mathrm{1,1}}\\ -b_{m-\mathrm{1,1}}& a_{m-\mathrm{1,1}}\\ \·\·\·& \·\·\·\\ a_{m-1,2^{m-2}}& b_{m-1,2^{m-2}}\\ a_{m-1,2^{m-2}}& -b_{m-1,2^{m-2}}\\ b_{m-1,2^{m-2}}& a_{m-1,2^{m-2}}\\ -b_{m-1,2^{m-2}}& a_{m-1,2^{m-2}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

由正交矩阵产生CCPONS的公式如下： 

c_m(K)＝P_K,Q_K,R_K,S_K＝{a_m-1,K,b_m-1,K},{a_m-1,K,-b_m-1,K},{b_m-1,K,a_m-1,K},{-b_m-1,K,a_m-1,K}   （3） 

其中K的值为1,2,3，…，2^m-2。通过以上公式可知，矩阵的四行元素组成一个互补序列组。 

由于CCPONS是一种双极性码，然而传感光纤中只能传输单极性的光脉冲，必须通过偏置使之成为单极性码再经过一定的运算来实现双极性码的功能，将四个双极性序列通过偏置得到八个单极性序列： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{KU}}=P_0+P_K=\left\{\begin{array}{cc}0& P_K=-P_0\\ 2P_0& P_K=P_0\end{array}\right.\\ \stackrel{\‾}{P_{\mathrm{KU}}}=P_0-P_K=\left\{\begin{array}{cc}2P_0& P_K=-P_0\\ 0& P_K=P_0\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{KU}}=Q_0+Q_K=\left\{\begin{array}{cc}0& Q_K=-Q_0\\ 2Q_0& Q_K=Q_0\end{array}\right.\\ \stackrel{\‾}{Q_{\mathrm{KU}}}=Q_0-Q_K=\left\{\begin{array}{cc}2Q_0& Q_K=-Q_0\\ 0& Q_K=Q_0\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{KU}}=R_0+R_K=\left\{\begin{array}{cc}0& R_K=-R_0\\ 2R_0& R_K=R_0\end{array}\right.\\ \stackrel{\‾}{R_{\mathrm{KU}}}=R_0-R_K=\left\{\begin{array}{cc}2R_0& R_K=-R_0\\ 0& R_K=R_0\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{KU}}=S_0+S_K=\left\{\begin{array}{cc}0& S_K=-S_0\\ 2S_0& S_K=S_0\end{array}\right.\\ \stackrel{\‾}{S_{\mathrm{KU}}}=S_0-S_K=\left\{\begin{array}{cc}2S_0& S_K=-S_0\\ 0& S_K=S_0\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(7\right)$

CCPONS中的每一位光脉冲耦合到光纤中都会产生一个相对独立的背向脉冲响应曲线，最终的脉冲响应可以看作是这些独立的脉冲响应曲线的叠加。信号解调中对散射信号进行自相关运算将这些独立的脉冲响应曲线放在同一个时轴上进行叠加，这样就增加了脉冲响应曲线的峰值功率，提高了系统的传输距离。将八个单极性序列分别作为光脉冲编码序列耦合入传感光纤，最终得到的布里渊散射信号： 

$\begin{array}{c}{Y}_K=y_K^P+y_K^Q+y_K^R+y_K^S\\ =P_K*(P_{\mathrm{KU}}\⊗h_K-\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{KU}}}\⊗h_K)+Q_K*(Q_{\mathrm{KU}}\⊗h_K-\stackrel{\‾}{Q_{\mathrm{KU}}}\⊗h_K)+\\ R_K*(R_{\mathrm{KU}}\⊗h_K-\stackrel{\‾}{R_{\mathrm{KU}}}\⊗h_K)+S_K*(S_{\mathrm{KU}}\⊗h_K-\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{KU}}}\⊗h_K)\\ =8\mathrm{L\δ}\left(K\right)\⊗h_K\end{array}---\left(8\right)$

使用CCPONS的脉冲响应峰值是单脉冲响应峰值的8L倍，为了更大程度的提高系统的信噪比，再对脉冲响应信号进行N次叠加，则信号能够增强8NL倍。在这种情况下，系统的噪声将增加为原来的

倍。显而易见，使用光脉冲编码技术的BOTDR传感系统信噪比为

在单脉冲系统中，用相同的脉冲峰值功率和相同的叠加次数（8N次），在探测端得到的信号值为

此时系统的噪声将增加为原来的

倍。明显地，单脉冲系统信噪比为

于是可以得到编码增益（脉冲编码信噪比与单脉冲信噪比之比）为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{CG}}=\frac{4\sqrt{\mathrm{LN}}}{4\sqrt{2N}}=\sqrt{\frac{L}{2}}---\left(9\right)$

布里渊光时域反射传感器的原理： 

当光脉冲在光纤中传输时，声波的存在将会导致光纤折射率发生周期性起伏，这种周期性的起伏会使得散射信号的频率产生一定程度的偏移，这种现象称之为布里渊频移。布里渊频 移公式如下： 

$v_B=\frac{2\mathrm{nv}}{\mathrm{\λ}}---\left(10\right)$

布里渊频移ν_B、布里渊光功率P_B和温度（ΔT）、应力（Δε）变化量有如下关系： 

$\begin{array}{c}{v}_B=v_{B0}+C_{\mathrm{VT}}\mathrm{\ΔT}+C_{\mathrm{V\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ P_B=P_{B0}+C_{\mathrm{PT}}\mathrm{\ΔT}+C_{\mathrm{P\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}\end{array}---\left(11\right)$

式中v_B0,P_B0——参考温度和无应变下光纤的布里渊频移和功率； 

C_VT，C_Vε——布里渊频移的温度和应变系数； 

C_PT，C_Pε——布里渊散射信号强度的温度和应变系数； 

ΔT，Δε——温度和应变的相对变化量。 

解式（11），便可求得温度和应力变化的表达式。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是通过发射一组CCPONS光脉冲使脉冲响应峰值比单脉冲响应峰值增加8L倍（偏置因数为1），与直接平均方法相比，信噪比提高了

系统的温度分辨率和应变分辨率与单脉冲系统相比也有很大的提高，更重要的是，使用光脉冲编码技术并没有降低系统的空间分辨率。光脉冲序列的能量大于单脉冲的能量，在输入的单个脉冲的峰值功率相同的条件下，可以更有效的延长系统的传感长度。 

附图说明

图1为实用新型的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器系统示意图。 

图2为编码增益效果图。 

具体实施方式

图1为基于CCPONS光脉冲编码的BOTDR传感器系统示意图。包括激光器（11）、第一光纤耦合器（12）、第二光纤耦合器（23）、第一偏振控制器（13）、第二偏振控制器（14）、第一电光调制器（15）、第二电光调制器（20）、基于FPGA的驱动控制器（16）、光放大器（17）、环形器（18）、传感光纤（19）、扰偏器（21）、微波信号发生器（22）、光电探测器（24）、信号调理电路（25）、数据采集系统（26）、数据处理与显示设备（27），激光器（11）发出激光脉冲通过第一光纤耦合器（12）分成两路：其中一路经第一偏振控制器（13）输出端进入第一电光调制器（15），基于FPGA的驱动控制器（16）产生的CCPONS电脉冲序列通过驱动电光调制器产生光脉冲序列，经掺铒光纤放大器（17）将该信号功率放大，通过光环形器（18）后输入到传感光纤（19）中；另一路经第二偏振控制器（14）进入电光调制器（20），微波 信号发生器（22）驱动第二电光调制器（20）产生与布里渊频移相近的的本地参考光，通过扰偏器（21）与由传感光纤链路返回的布里渊后向散射光一同经过第二光纤耦合器（23）到达光电检测器（24）上进行外差相干信号调理电路（25）对信号进行滤波、放大等处理，由数据采集系统（26）进行数据采集，然后通过数据处理与显示设备（27）得到布里渊散射信号。 

由式（9）可以得到当编码长度为32时，系统的信噪比能提高4dB。图2可以看出随着编码长度的增大，编码增益会越来越大。 

Claims (7)

1.一种采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征包括：激光器(11)、第一光纤耦合器(12)、第二光纤耦合器(23)、第一偏振控制器(13)、第二偏振控制器(14)、第一电光调制器(15)、第二电光调制器(20)、基于FPGA的驱动控制器(16)、光放大器(17)、环形器(18)、传感光纤(19)、扰偏器(21)、微波信号发生器(22)、光电探测器(24)、信号调理电路(25)、数据采集系统(26)、数据处理与显示设备(27)，激光器(11)发出的连续光被第一光纤耦合器(12)分成两路：其中一路经第一偏振控制器(13)输出端进入第一电光调制器(15)，基于FPGA的驱动控制器(16)产生的CCPONS电脉冲序列通过驱动电光调制器产生光脉冲序列，经掺铒光纤放大器(17)将该信号功率放大，通过光环形器(18)后输入到传感光纤(19)中；另一路经第二偏振控制器(14)进入第二电光调制器(20)，微波信号发生器(22)驱动第二电光调制器(20)产生与布里渊频移相近的的本地参考光，通过扰偏器(21)后与由传感光纤链路返回的布里渊后向散光一同经过第二光纤耦合器(23)传输到光电检测器(24)上进行外差相干，信号调理电路(25)对信号处理，由数据采集统(26)进行数据采集，然后通过数据处理与显示设备(27)得到布里渊散射信号。 

2.根据权利要求1所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用激光器为输出中心波长为1550nm，线宽为1～3kHz，输出功率为25mW的窄线宽激光器。 

3.根据权利要求1所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用电光调制器是输入信号范围为500-1500mV，偏置电压调节范围为-7V～7V的电光调制器。 

4.根据权利要求1所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是数据采集系统为200MS／s实时采样的高速数据采集卡。 

5.根据权利要求1所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是微波信号发生器频率范围为10MHz-20GHz，频率分辨率为1Hz。 

6.根据权利要求1所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用光纤为G652普通单模光纤。 

7.根据权利要求1所述的采用CCPONS脉冲编码的BOTDR传感器，其特征是所用光电探测器的最大输入光功率2mW，谱响应范围850～1650nm。 

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