CN101852627B - 提高分布式光纤传感器探测性能的编码技术及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高分布式光纤传感器探测性能的编码技术及其用途，编码矩阵包含如下特征：1)其逆矩阵的所有元素的平方和最小；2)编码矩阵元素包括N，N-1，N-2，…0多个单元级别，其中N的值不小于2；3)编码矩阵的阶数N×N与泵浦光脉冲长度L之间的关系为N＝2(L-1)。本发明相比没有编码或采用原有编码方式的分布式光纤传感设备在探测灵敏度和信噪比方面有了很大提高，而且可以缩短编码长度，减少编码泵浦光的发送次数，获得较高的编码增益。可应用在不同分布式光纤传感器中，对温度或压力等参数实现高灵敏度的监测，在石油化工、航空航天、地质和岩土工程、交通、电力等领域具有广泛的应用价值。

Description

提高分布式光纤传感器探测性能的编码技术及其用途

技术领域

本发明涉及光学传感器，尤其是在分布式光纤传感领域利用提高探测性能的新型编码技术。

背景技术

与常规传感技术相比，光纤传感具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，越来越受到特殊场合或恶劣环境应用的青睐。分布式光纤传感技术是在上个世纪70年代末随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射(OTDR)技术的出现而发展起来的。最近十年左右又出现了一系列新的分布式光纤传感机理和测量***，具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，而且可以在一维传感的基础上组成二维甚至三维的传感结构，因此，已经被逐渐应用到多个领域(例如石油化工、航空航天、地质和岩土工程、交通、电力等等)。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。依据信号的性质，分布式光纤传感技术又可以分为基于后向瑞利散射、拉曼效应、布里渊效应、偏振效应等种类。

分布式光纤传感***所存在的几个关键技术问题包括：(1)***的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；(2)检测信号一般较微弱，因而要求信号处理***具有较高的信噪比；(3)由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

为提高探测灵敏度，研究人员曾经在OTDR传感设备中采用简单的S矩阵编码方式(M.D.Jones，“Using Simplex Codes to ImproveOTDR Sensitivity，”IEEE Photonics Technology Letters，vol.17，no.7，822-824，1993)，后来又在近几年中应用到拉曼和布里渊分布式光纤传感器中，以提高***的接收信噪比，实现更精确的温度测量(Marcelo A.Soto，et.al，“Brillouin-Based Distributed TemperatureSensor Employing Pulse Coding，”IEEE Sensors Journal，vol.8，no.3，225-226，2008；J.Park，et al，“Raman-Based Distributed TemperatureSensor with Simplex Coding and Link Optimization，”IEEE PhotonicsTechnology Letters，vol.18，no.17，1879-1881，2006)，编码长度为63，127或255比特。具体来讲，在自发布里渊散射分布式传感装置中，对泵浦光进行编码，也就是以编码矩阵每行元素所对应的值驱动泵浦光，以经过编码的一连串泵浦光信号代替单脉冲。由于光纤所处环境温度与布里渊散射光功率成正比，则可将分布式光纤传感器等效为线性***，用编码矩阵的逆矩阵即解码矩阵对散射光解码，叠加处理之后可解调出原始的温度分布。例如，文献(D.Lee，et al，“Analysis andexperimental demonstration of simplex coding technique for SNRenhancement of OTDR，”IEEE LTIMC，118-122，New York，Oct.2004)中以m序列逐渐循环右移所得序列组成的S矩阵作为编码矩阵，实现对泵浦光的编码。该设计中以码长为3的序列[1 0 1]为例，所得S矩阵为： $\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 1\\ 1& 1& 0\\ 0& 1& 1\end{array}\right],$ 而随着编码长度的增加，在终端所能探测到的散射光功率会随着提高，相应能解调出的温度分布的不确定度会随着降低，有效的提高了光纤传感器的信噪比。使用S矩阵对泵浦光编码可得到

的编码增益，其中L为编码长度(上述例子中L＝3)。

但是这些技术的探测性能(信噪比)还不高，距离在实际应用还有一段距离。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是通过构造新的编码方式，以进一步提高传感装置的灵敏度和信噪比。本发明的另一目的是将构造新的编码方式应用在更多种类的分布光纤传感设备中。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

提高分布式光纤传感器探测性能的编码技术，采用编码矩阵每行元素对应的幅度脉冲序列调制到泵浦光上，然后进入传感光纤，传感光纤在外界参数改变情况下所返回的光信号会发生变化，通过对接收到的光电转换信号进行解码处理分析出传感光纤沿线外界参数改变的分布情况，所述编码矩阵包含如下特征：1)其逆矩阵的所有元素的平方和最小；2)编码矩阵元素包括N，N-1，N-2，…0多个单元级别，其中N的值不小于2；3)编码矩阵的阶数N×N与泵浦光脉冲长度L之间的关系为N＝2(L-1)。

采用本发明相比没有编码或采用原有编码方式的分布式光纤传感设备在探测灵敏度和信噪比方面有了很大提高，而且可以缩短编码长度，减少编码泵浦光的发送次数，获得较高的编码增益。可应用在不同分布式光纤传感器中，对温度或压力等参数实现高灵敏度的监测，在石油化工、航空航天、地质和岩土工程、交通、电力等领域具有广泛的应用价值。

附图说明：

图1为典型自发布里渊散射(B-OTDR)分布式传感装置示意图。

图2为无编码的B-OTDR传感光纤温度变化与对应的探测光强随时间变化分析，其中a为无温度变化情形；b为局部温度变化情形。

图3为无编码情况下解调出的沿光纤温度分布图。

图4为本发明实施一个典型结构图。

图5为本发明与已有编码方式在解调信号质量上的对比图，其中a为原编码方式，b为新编码方式(本发明方式)。

图6为本发明与已有编码方式在接收到的散射光功率上的对比图，其中a为原编码方式，b为新编码方式。

图7为本发明编码方式与原编码方式在编码增益上改进对比。

图8为对应的实验实现装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1表示了分布式自发布里渊散射(B-OTDR)光传感技术的示意图，光脉冲(以一定脉冲宽度的电信号调制泵浦激光器)注入传输光纤的一端，光纤中的后向散射光作为时间的函数，同时带有光纤沿线应力或温度分布的信息，而布里渊频移量与光纤应变或温度的变化呈良好的线性关系，因此可以通过测量布里渊散射频移量得到光纤中的应变与温度分布。

考虑到基于自发布里渊效应的光纤传感器结构简单，实际工程应用方便，但信号检测难度较大，更具有代表性，因此，我们以此为对象进行分析，监测量也以温度分析为代表。但值得指出的是，本发明也可以在其它几种分布式传感器(受激布里渊、拉曼、OTDR等)或者监测其它参量(如应力或形变等)的具体应用中提高探测的性能。

对自发布里渊散射效应来讲，其简单的理论模型可用耦合幅度方程表示如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{{\∂E}_p}{\∂z}+\frac{n}{c}\frac{{\∂E}_p}{\∂t}=-\frac{\mathrm{\α}}{2}{E}_p+\mathrm{i\κ\ρ}{E}_s\\ \frac{{\∂E}_s}{\∂z}-\frac{n}{c}\frac{{\∂E}_s}{\∂t}=\frac{\mathrm{\α}}{2}{E}_s-\mathrm{i\κ}{\mathrm{\ρ}}^{*}{E}_p\\ \frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{{\mathrm{\Γ}}_a}{2}\mathrm{\ρ}=\mathrm{i\Λ}{E}_p{E}_s^{*}+f\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，E_p、E_s分别是泵浦光(图1中的激光器)和斯托克斯光的复振幅，ρ是光纤材料密度的复变幅，n是纤芯折射率，c是自由空间中的光速，α是衰减系数，Γ_a是声子密度衰减率，κ与Λ是布里渊耦合常数， $f=\sqrt{{2k}_{B}T{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\Γ}}_a^2/v^2\mathrm{AL}}$ 是与温度T有关的热噪声，其中k_B是玻尔兹

曼常数，v是声速，A与L分别是光纤的有效面积和长度。对于自发布里渊散射，没有信号光从光纤尾端输入，泵浦光采用光脉冲泵浦，即E_p初始化为脉冲的形式。布里渊散射由泵浦光与光纤密度的热起伏产生，其热起伏由参数f描述，参数f表示一个高斯随机过程。通过设定热噪声项f中的温度T的值，可观察光纤所处环境的温度变化其中传输的斯托克斯光功率的变化情况，此为基于自发布里渊散射的分布式光纤传感器的理论基础。

对于普通的标准单模传感光纤来讲，泵浦光的波长1.55μm，其他重要参数包括：α＝0.2dB/km，T_B＝1/Γ_a＝7ns，k_B＝1.38×10^-23J/K，A＝80×10^-12m²，c＝3×10⁸m/s，ρ₀＝2210kg/m³，v＝5960m/s。以这些参数为基础，我们可以得到图2中所示的探测相应曲线，其中图2a代表了沿光纤分布无温度变化情况下探测到的布里渊散射光功率随时间变化(远距离处反射回的信号对应时间长，而且光功率较小)，图2b则反映了当沿光纤分布有局域温度变化情况下所探测到的光功率随时间(对应光纤内位置)变化。自发布里渊散射光功率很小，所以对基于自发布里渊散射的分布式光纤传感器来说，散射光的探测是很大的问题。图3显示了图2b对应的温度变化经探测和解调后分析结果，可以看到信号的噪声很大，测量温度的不稳定性(不准确性)可以大于10K。因此，必须采用新的技术提高探测信噪比。其中一种技术就是对光源(泵浦)进行编码。

通过对S矩阵及其逆矩阵的分析发现，要得到更高编码增益的编码矩阵，则要求其逆矩阵的所有元素的平方和最小。因此，假定由m1、m2组合成编码矩阵为 $\left[\begin{array}{cc}m1& 0\\ 0& m1\\ m2& 0\\ 0& m2\end{array}\right],$ m1、m2分别赋初值[1 0 0]、[0 0 0]并代入编码矩阵中，将其中为0的元素依次赋1，计算每种情况下解码矩阵所有元素的平方和，取其最小即编码增益最大的组合，计算所得m1、m2的结果分别为：[1 1 0]、[1 0 1](对应的情形就是前面报导过的技术)。我们基于上述设计原理，通过分析，将为1的元素依次赋2，最后得到的m1、m2分别为：[2 1 0]、[1 0 2]，即编码矩阵为 $\left[\begin{array}{cccc}2& 1& 0& 0\\ 0& 2& 1& 0\\ 1& 0& 2& 0\\ 0& 1& 0& 2\end{array}\right].$ 该矩阵的编码增益为1.913dB，大于S矩阵码长为3时的1.155 dB，可获得更大的编码增益。其他码长的编码矩阵同理可得，若m1、m2的长度为L，编码矩阵为2(L-1)×2(L-1)阶，而实际发送的泵浦光序列长度为L。图4表示了本发明的典型设计装置图，编码后的电脉冲序列通过编程控制器110(例如FPGA/CPLD/DSP等)产生并控制驱动源111，然后再去驱动泵浦激光器101，产生一系列编码后的光脉冲序列。光脉冲通过一光纤环行器102进入传感光纤103。传感光纤可以分为温度(或压力)不变的前后部分103_1和103_3，温度变化的部分为103_2。散射回来的传感信号再经过环行器102后由光滤波器(O-BPF)104去除放大器噪声，然后再经环行器105和窄带光纤光栅滤波器106将瑞利散射光与反斯托克斯布里渊散射(Anti-Stokes Brillouin Scattered)光信号分开，然后布里渊散射光进入光电探测器107(雪崩型APD)，转化的电信号经高增益的跨导放大器(TIA)108和模数转化器(ADC)109后送到编程控制器110进行信号处理与分析。

我们选取3.5公里单模传感光纤进行分布式自发布里渊散射光纤传感性能对比，以不同编码矩阵编码所得的光脉冲作为泵浦光，脉宽100纳秒(ns)，峰值功率3毫瓦(mW)，离光纤始端1公里到2.5公里范围内的温度设为340K，其他位置的温度设为300K。

图5表示了经解调后温度分布与距离的关系，其中a采用的是原来的S矩阵，而b采用的是新的编码方式。与图3对比，显然编码后的信噪比有了很大的提高。这里码长采用的都是15(采用更长的码长会有更大的改进)。两种编码方式在这个方面的改进基本一致，而在图6中，可以看到，新的编码方式(图6b)可以使得探测的信号强度明显高于原来的编码方式(图6a)，具有更大的编码增益。这样子可以减少泵浦光的发送次数，简化编码过程。图7则进一步对比了本发明新编码方式(新矩阵)的编码增益(S矩阵对应原来的编码方式)随着码长增加的改进情况。

一个具体实施例子如图8所示。激光器泵浦源采用的是外腔型(External Cavity Laser，ECL)，其带宽为几百KHz，中心波长1550nm，经一掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)放大，再经光滤波器(Optical Filter，OF)初步滤掉光噪声，然后通过偏振控制器(Polarization Controller，PC)进入外调制器(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)，电域编码调制信号由控制处理单元产生输入波形产生器(Waveform Generator，WFG)，加到MZI上，经环行器输入传感光纤。传感光纤分为三段，首段10.5公里和尾段9.5公里保持温度稳定在300K，而中间1公里光纤放在温控箱内，并将其温度设定在343K。其它结构与图4说明基本一致，光纤光栅带宽为6GHz。经过实验测量(图中BPF代表带通滤波器-Bandpass Filter；FBG代表光纤光栅-Fiber Bragg Grating；ADC代表模数转换器-Analog DigitalConverter；TIA代表跨导放大器-Transimpedance Amplifier；APD代表雪崩型光电探测器-Avalanche Photo Diode)，与前面所得到的结论基本吻合，验证了本发明的优越性。

在实际实施时，可以采用直接调制到泵浦激光器本身或者采用外接电光调制器进行调制方式。传感器可以是基于不同光纤散射效应，包括拉曼、布里渊或瑞利散射。所述外界参数可以是压力、温度或者形变。本发明可广泛应用于普通光时域反射、基于布里渊或拉曼效应的分布光纤传感设备中。

Claims (5)

1.一种提高分布式光纤传感器探测性能的编码方法，采用编码矩阵每行元素对应的幅度脉冲序列调制到泵浦光上，然后进入传感光纤，传感光纤在外界参数改变情况下所返回的光信号会发生变化，通过对接收到的光电转换信号进行解码处理分析出传感光纤沿线外界参数改变的分布情况，所述编码矩阵包含如下特征：1)其逆矩阵的所有元素的平方和最小；2)编码矩阵元素包括N，N-1，N-2，…0多个单元级别，其中N的值不小于2；3)编码矩阵的阶数N×N与泵浦光脉冲长度L之间的关系为N＝2(L-1)。

2.根据权利要求1所述之提高分布式光纤传感器探测性能的编码方法，其特征在于，可以采用直接调制到泵浦激光器本身或者采用外接电光调制器进行调制方式。

3.根据权利要求1所述之提高分布式光纤传感器探测性能的编码方法，其特征在于，所述传感器可以是基于不同光纤散射效应，包括拉曼、布里渊或瑞利散射。

4.根据权利要求1所述之提高分布式光纤传感器探测性能的编码方法，其特征在于，所述外界参数可以是压力、温度或者形变。

5.权利要求1至4之一所述之提高分布式光纤传感器探测性能的编码方法的用途，其特征在于，应用于普通光时域反射、基于布里渊或拉曼效应的分布光纤传感设备中。

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