CN103954378A - 基于Bark序列的BOTDR***及其长距离探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Bark序列的BOTDR***及其长距离探测方法，方法包括将连续光分成两路；生成一组双极性Bark序列后分成两组单极性Bark序列；利用两组单极性Bark序列控制电场对探测光进行调制，获得两组单极性Bark序列的光脉冲信号；将两组信号放大后注入光纤获得两组后向布里渊散射光信号；将本振光信号分别与两组后向布里渊散射光信号耦合相干，经光电转换、扫频、滤波放大采集两组布里渊散射电信号；将两组布里渊散射电信号进行相关，获得沿光纤分布每一点处布里渊频移，得到光纤周围温度或应变的变化。***中电光调制模块包括电光强度调制模块和Bark序列发生模块。本发明利用Bark序列的自相关特性，在不降低***空间分辨率的条件下提高信噪比，提高探测距离。

Description

基于Bark序列的BOTDR***及其长距离探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于Bark序列的BOTDR***及其长距离探测方法，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

基于布里渊散射的布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time-DomainReflectometry,BOTDR)作为分布式光纤传感器的一种，具有分辨率高、误差小、传感光纤布设简单、成本低、容易实现。利用光纤中布里渊频移与光纤某位置所受应变或温度的关系，可用在电力行业，水利行业和土木建筑行业，建筑桥梁及其他混凝土结构裂变的监测，大型民用工程的结构健康监测，交通公路、地铁隧道行业，石油天然气行业故障点的检测。当传感光纤存在轴向应变或者温度变化时，光纤中的背向布里渊散射光的频率相对于注入的脉冲光频率将发生频移，布里渊散射光频率的频移量与光纤所受的轴向应变和温度变化呈良好的线性关系。利用这一关系可以实现温度和应变的传感测量。

巴克序列(Barker Sequences)，是一种有限长的非周期序列信号单元，也称其为Bark序列。巴克序列元素的取值为“+1”或者“-1”。巴克序列具有良好的自相关特性以及与其他普通序列良好的互相关性。它是信号设计中的优选信号单元之一，其应用十分广泛。

传统的BOTDR***一般采用单脉冲直接探测的方法，***的空间分辨率和动态范围在一定程度上由脉冲的宽度决定。脉冲宽度较宽时，脉冲的总能量较大，可以得到较好的动态范围，但是空间分辨率会下降，很难探测到较小事件点。而脉冲宽度较窄时，空间分辨率得到提升，由于脉冲自身能量下降，动态范围降低。所以传统的BOTDR***在空间分辨率和动态范围这两个关键技术上是以一对矛盾。现有的基于编码技术的BOTDR***，如Gloay和Simplex技术在一定程度上可以解决空间分辨率和动态范围之间的矛盾，但Gloay和Simplex技术没有较好的峰平比，由于自发布里渊受激阈值的存在，使***更加容易达到受激阈值，动态范围并没有得到较好提升。在实际工业应用中Gloay和Simplex技术在得到一组数据的时间和存储空间开销存在较大缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于Bark序列的BOTDR***及其长距离探测方法，目的是利用Bark序列的自相关特性，并且通过相干扫频的方式进行探测，获取布里渊频谱在光纤中的分布，利用温度、应力与布里渊频移关系来实现温度和应力的传感，在不降低***的空间分辨率的条件下提高布里渊光纤传感器的信噪比，从而提高探测距离。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，包括以下步骤：

步骤A、将连续光分成一路作为探测光的连续光和另一路作为相干本振光的连续光；

步骤B、首先生成一组双极性Brak序列，将所述双极性Bark序列分成两组单极性Bark序列；再对所述作为探测光的连续光利用一组单极性Bark序列控制电场进行光强度调制，调制后获得一组单极性Bark序列的光脉冲信号；

步骤C、将所述单极性Bark序列的光脉冲信号放大后注入光纤,以获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号；将根据作为相干本振光的连续光获得的本振光信号与所述后向布里渊散射光信号耦合相干获得布里渊散射光信号，经光电转换得到布里渊散射电信号后，进行扫频、滤波放大获得后向布里渊散射电信号AH_k；

步骤D、将步骤B中另一组单极性Bark序列重复步骤B和步骤C，以获得后向布里渊散射电信号NAH_k；

步骤E、将所得的后向布里渊散射电信号AH_k和NAH_k进行相关，获得沿光纤分布的布里渊散射功率曲线；根据所述布里渊散射功率曲线获取沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：步骤E中对所述布里渊散射功率曲线进行寻峰获取每一点处的布里渊频移，具体为：

步骤E-1、将在所述布里渊散射功率曲线上取一段连续点的布里渊功率谱相加求平均，作为标准数据；

步骤E-2、将所述布里渊散射功率曲线上每一点处的布理渊功率谱与所得标准数据做相关运算，得到沿光纤每一点处的布理渊功率谱与标准数据的相关程度；

步骤E-3、选取所述相关运算结果中相关程度最高的点，即为每一点的布里渊频移。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中将作为相干本振光的连续光进行偏振态随机化，得到光偏振态平均分布的本振光信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中双极性Bark序列的序列长度为7位或11位或13位。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中本振光信号与后向布里渊散射光信号耦合相干获得由差频部分组成的布里渊散射光信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中扫频过程以布里渊散射电信号的中心频率为基准，扫频范围设置为正负100MHz，扫频间隔为5MHz。

本发明还提出了一种根据上述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法的***，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、光脉冲放大模块、环形器、第二耦合器、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块，其中所述光源模块与第一耦合器相连；所述第一耦合器分别与电光调制模块、光偏振扰动模块相连；所述电光调制模块与光脉冲放大模块、环形器依次相连；所述环形器的一端连入光纤后与第二耦合器相连；所述光偏振扰动模块与第二耦合器相连；所述第二耦合器与光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块依次相连；所述电光调制模块包括电光强度调制模块和与电光强度调制模块相连的Bark序列发生模块，通过Bark序列发生模块生成的两组单极性Bark序列分别控制电光强度调制模块的电场，以获得两组单极性Bark序列的光脉冲信号；通过所述两组单极性Bark序列的光脉冲信号分别进行布里渊相干探测获得两组后向布里渊散射电信号；所述信号处理模块对所述两组后向布里渊散射电信号进行相关后分析处理获得布里渊频移，根据所述布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

(1)、本发明结合了自相关编码技术和相干探测方法，利用自相关编码技术中Bark序列的自相关特性，可以在提高***的信噪比，从而在不改变空间分辨的条件下比单脉冲获得更长的动态范围。

(2)、利用Bark序列的自相关特性，采用Bark序列自身较好的峰平比，平均探测光功率避免非线性效应，减少发码次数。并且通过相干扫频的方式进行探测，获取布里渊频谱在光纤中的分布，利用温度、应力与布里渊频移关系来实现温度和应力的传感，在不降低***的空间分辨率的条件下提高布里渊光纤传感器的信噪比，从而提高探测距离，提高***的可行性。

(3)、利用Bark序列自身较好的峰平比，改善了BOTDR***受激阈值较低的缺陷，利用相同的编码长度N，在得到一组相同数据时，Smplex进行N-1探测，Gloay要进行4次探测，而Bark序列只需2次探测，减小探测时间和存储空间开销，大大提高编码技术的实用性。

附图说明

图1为本发明基于Bark序列的BOTDR***的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种基于Bark序列的BOTDR***包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、光脉冲放大模块、环形器、第二耦合器、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块，其中光源模块与第一耦合器相连，光源模块中的窄线宽激光器发出连续光，经过第一耦合器分成两路连续光：第一路连续光和第二路连续光，其中第一路连续光送入电光调制模块，第二路连续光作为相干本振光；电光调制模块用于将第一路连续光调制成序列脉冲光，包括电光强度调制模块和与电光强度调制模块相连的Bark序列发生模块，通过Bark序列发生模块生成的两组单极性Bark序列分别控制电光强度调制模块的电场，以获得两组单极性Bark序列的光脉冲信号；然后，电光调制模块中的电光强度调制模块与光脉冲放大模块、环形器依次相连，将电光强度调制模块输出的两组单极性Bark序列的光脉冲信号分别经光脉冲放大模块放大、环形器注入光纤,以获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号；所述光偏振扰动模块与第二耦合器相连,用于将作为相干本振光的连续光进行光偏振态随机化得到光偏振态平均分布的本振光信号；所述第二耦合器再将环形器输出的两组后向布里渊散射光信号与本振光信号分别进行耦合相干，获得两组布里渊散射光信号；再分别输入到依次连接的光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块进行处理，每组信号经光电转换得到布里渊散射电信号后，进行扫频、滤波放大、采集获得对应后向布里渊散射电信号；将所得的后向布里渊散射电信号进行相关后，分析处理获得沿光纤分布的每一点处的布里渊频移，根据所述布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

本发明的基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，具体如下：

步骤A、光源模块中的窄线宽激光器发出连续光，经过光源模块后的第一耦合器分成两路连续光：第一路连续光和第二路连续光。第一路作为探测光的连续光送入电光调制模块，第二路连续光作为相干本振光。

步骤B、利用电光调制模块将第一路连续光调制成序列脉冲光，具体如下：

步骤B-1、首先生成双极性Brak序列。

二进制码Bark序列是一种有着特殊规律的码组。一个n位的Bark序列A_n∈(-1，+1)，n＝0，1，2，……，(L-1)。

从Bark序列自相关函数的定义来看，Bark序列越长越好。序列越长，自相关主峰越高，越尖锐，自相关性能越好。Bark序列如下表所示。

码(L)	巴克序列
		1	1
2	1，1or-1，1
		3	1，1，-1
4	1，1，1，-1or1，1，-1，1
		5	1，1，1，-1，1
7	1，1，1，-1，-1，1，-1
		11	1，1，1，-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1
13	1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1

根据Bark序列自相关特性以及BOTDR***中受激阈值，双极性Bark序列可以选择序列长度为7，11，13的Bark序列，由选择较长的序列可以获得较强的探测光功率，接收到的后向散射光信号信噪比较高。

步骤B-2、进行码型转换，将双极性码转换成适合光纤传输的单极性码。

由于光纤中只能传输正的光脉冲，所以将双极性码转换成适合光纤传输的单极性码，通过偏置的方法可以将双极性Bark序列分成两组单极性的Bark序列，具体转换按照如下公式：

$a=\left\{\begin{array}{cc}1& A=1\\ 0& A=-1\end{array}\right.,,\mathrm{na}=\left\{\begin{array}{cc}0& A=1\\ 1& A=-1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中A为双极性Bark序列，a为第一组单极性Bark序列，na为第二组Bark序列。可得A＝a-na。

步骤B-3、利用一组单极性的Bark序列控制电场，实现电光强度调制。

将产生的一组单极性Bark序列接入电光强度调制模块的射频控制端，第一路作为探测光的连续光接入电光强度调制模块的光输入端口。

电光强度调制是利用晶体的双折射现象，将入射的线偏振光分解成o光和e光，利用晶体的电光效应由电信号改变晶体的折射率，从而控制两个振动分量形成的相位差，再利用光的相干原理将两束光叠加，从而实现光强度的调制。通过一组单极性Bark序列接入电光强度调制模块的射频控制端控制电场的变化，实现对光强度的调制。从而可以在电光强度调制模块的光输出端得到一组单极性Bark序列的光脉冲信号。将该单极性Bark序列的光脉冲信号送入光脉冲放大模块放大。

步骤C、将所述单极性Bark序列的光脉冲信号放大后经光环形器注入光纤，耦合相关后进行扫频、滤波放大获得后向布里渊散射电信号。具体如下：

步骤C-1、将所述一组单极性Bark序列的光脉冲信号送入光脉冲放大模块放大后经环形器注入光纤,以获得后向布里渊散射光信号；

步骤C-2、根据作为相干本振光的第二路连续光，获得的本振光信号；在本振光信号获取时，可以将第二路连续光信号经过光偏振扰动模块得到光偏振态平均分布的本振光信号，以达到消除本振光与后向散射光耦合相干检测中偏振衰落目的。然后将获得的后向布里渊散射光信号和本振光信号通过第二耦合器耦合相干获得布里渊散射光信号，经光探测模块进行光电转换得到布里渊散射电信号；

相干探测过程如下：

本振光信号E_LO和后向布里渊散射光信号E_B的电场分别可用如下公式表示：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{LO}}\left(t\right)=E_{\mathrm{LO}}\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}}t+\frac{{\mathrm{n\ω}}_{\mathrm{LO}}}{c}{r}_{\mathrm{LO}})\right]+{E^{*}}_{\mathrm{LO}}\exp [-i({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}}t+\frac{{\mathrm{n\ω}}_{\mathrm{LO}}}{c}{r}_{\mathrm{LO}})]\\ E_B=\left(t\right)=E_B\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_{B}t+\frac{{\mathrm{n\ω}}_B}{c}{r}_B)\right]+{E^{*}}_B\exp [-i({\mathrm{\ω}}_{B}t+\frac{{\mathrm{n\ω}}_B}{c}{r}_B)]\end{array}---\left(2\right)$

其中，n为待测光纤的折射率，c为光速，r_LO为本振光信号的光场矢量，r_B为后向散射信号的光场矢量，并且r_LO＝r_B，ω_LO为本振光信号的频率，ω_B为后向散射信号频率,E^* _LO为本振信号电场的共轭值，E^* _B为后向布里渊散射光信号电场的共轭值，i为虚部，t为时间。

本振光信号和后向布里渊散射光信号混合后进入光电探测器中，相干后的场强为：

$\begin{array}{c}{E}_c\left(t\right)=E_B\left(t\right)*E_{\mathrm{LO}}\left(t\right)\\ =E_B{E}_{\mathrm{LO}}\exp \left\{i\right[({\mathrm{\ω}}_B+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})t+\frac{n({\mathrm{\ω}}_B+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})}{c}r\left)\right]\}+{E^{*}}_B{E^{*}}_{\mathrm{LO}}\exp \{-i[({\mathrm{\ω}}_B+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})t+\frac{n({\mathrm{\ω}}_B+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})}{c}r)\left]\right\}+\\ {E^{*}}_B{E}_{\mathrm{LO}}\exp \left\{i\right[({\mathrm{\ω}}_B-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})t+\frac{n({\mathrm{\ω}}_B-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})}{c}r\left)\right]\}+E_B{E^{*}}_{\mathrm{LO}}\exp \{-i[({\mathrm{\ω}}_B-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})t+\frac{n({\mathrm{\ω}}_B-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LO}})}{c}r)\left]\right\}\end{array}---\left(3\right)$

上式中对于和频成分ω_B+ω_LO超出光电探测器频率响应范围，光电探测器只会探测差频部分ω_B-ω_LO。耦合相干后得到光信号包括和频部分与差频部分。根据光电探测模块的探测范围判断是否可以获得和频部分的光信号，但是本方法中采用的光探测模块探测范围为差频部分的光信号。

步骤C-3、对步骤C-2获得的布里渊散射电信号进行扫频、滤波、放大，采集获得后向布里渊散射电信号AH_k；

扫频过程根据传感光纤估计布里渊功率谱的大概频移位置，以后向布里渊散射信号频谱的中心频率为基准，左右正负100MHz设置扫频模块的扫频范围，扫频间隔设置为5MHz进行扫频。

扫频的信号进一步经过滤波模块进行滤波、放大模块进行放大，然后信号处理模块采用内部的A/D模块进行数据采集，处理获得一组后向布里渊散射电信号AH_k，然后保存。

步骤D、将步骤B中另一组单极性Bark序列重复步骤B和步骤C，以获得另一组单极性Bark序列的后向布里渊散射电信号NAH_k。

步骤E、对两组单极性Bark序列的布里渊后向散射电信号AH_k和NAH_k进行相关后解码，通过寻峰获得沿光纤分布每一点处的布里渊频移。具体如下：

首先，根据信号处理模块中的所采集的两组后向散射电信号AH_k和NAH_k结合Bark码的解码原理对数据进行解码。

解码过程阐述如下：

首先，根据Bark序列自相关特性：

A_k*A_k＝Lδ_k      (4)

其中A_k为Bark序列，L为Bark序列长度,*为相关运算符，δ_k为单位冲击函数。

然后，再将探测到的后向散射电信号AH_k和NAH_k相减后得到与Bark序列相关的信号，此信号与A_k做相关运算，可得到***响应h_k，即沿光纤分布的布里渊散射功率曲线，具体如下：

$\begin{array}{c}a\⊗h_k={\mathrm{AH}}_k\\ \mathrm{na}\⊗h_k={\mathrm{NAH}}_k\\ ({\mathrm{AH}}_k-{\mathrm{NAH}}_k)*A_k=L*h_k\end{array}---\left(5\right)$

其中为卷积运算符。

然后，对解码后的数据进行互相关寻峰，得到沿光纤分布的每一点处的布里渊频移。具体过程阐述如下：

步骤E-1、将解码获得的沿光纤分布的布里渊散射功率曲线取一段连续点的布理渊功率谱相加求平均，将此数据用于标准数据；

步骤E-2、将所述沿光纤分布的布里渊散射功率曲线上每一点处的布理渊功率谱与步骤E-1所得标准数据做相关运算，得到沿光纤分布的每一点处的布理渊功率谱与标准数据的相关程度。

步骤E-3、选取所述步骤E-2所得到的相关运算结果中相关程度最高的点，即为每一点的布里渊频移。

最后，根据布里渊频移与温度或者应变的关系实现对温度或者应变的传感。

因此，本发明同时采用了自相关编码技术和相干探测方法，利用自相关编码技术可以提高***的信噪比，从而在不改变空间分辨的条件下比单脉冲获得更长的动态范围，改善了BOTDR***受激阈值较低的缺陷，减小探测时间和存储空间开销，大大提高编码技术的实用性。

为了验证本发明的BOTDR***及其长距离探测方法，特以具体实施例进行验证。

波长为1550nm的宽激光器出射的连续光被第一耦合器分成两路，其中一路作为探测光，被电光调制器调制为码元宽度为20ns,13位长的Bark序列脉冲光，再经光放大器后注入传感光纤相干探测得到的探测光距离为50Km相对现有的BOTDR***可以探测更长的距离，Bark序列只需2次探测，可以在提高***的信噪比，在不改变空间分辨的条件下比单脉冲获得更大的动态范围，减小探测时间和存储空间开销，大大提高编码技术的实用性，使得本发明得到验证。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、将连续光分成一路作为探测光的连续光和另一路作为相干本振光的连续光；

步骤B、首先生成一组双极性Bark序列，将所述双极性Bark序列分成两组单极性Bark序列；再对所述作为探测光的连续光利用一组单极性Bark序列控制电场进行光强度调制，调制后获得一组单极性Bark序列的光脉冲信号；

步骤C、将所述一组单极性Bark序列的光脉冲信号放大后注入光纤,以获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号；将根据作为相干本振光的连续光获得的本振光信号与所述后向布里渊散射光信号耦合相干获得布里渊散射光信号，经光电转换得到的布里渊散射电信号后，进行扫频、滤波放大获得后向布里渊散射电信号AH_k；

步骤D、将步骤B中另一组单极性Bark序列重复步骤B和步骤C，以获得后向布里渊散射电信号NAH_k；

步骤E、将所得的后向布里渊散射电信号AH_k和NAH_k进行相关，获得沿光纤分布的布里渊散射功率曲线；根据所述布里渊散射功率曲线获取沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

2.根据权利要求1所述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，其特征在于：所述步骤E中对所述布里渊散射功率曲线进行寻峰获取每一点处的布里渊频移，具体为：

步骤E-1、将在所述布里渊散射功率曲线上取一段连续点的布里渊功率谱相加求平均，作为标准数据；

步骤E-2、将所述布里渊散射功率曲线上每一点处的布理渊功率谱与所得标准数据做相关运算，得到沿光纤每一点处的布理渊功率谱与标准数据的相关程度；

步骤E-3、选取所述相关运算结果中相关程度最高的点，即为每一点的布里渊频移。

3.根据权利要求2所述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，其特征在于：所述步骤C中将作为相干本振光的连续光进行偏振态随机化，得到光偏振态平均分布的本振光信号。

4.根据权利要求3所述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，其特征在于：所述步骤B中双极性Bark序列的序列长度为7位或11位或13位。

5.根据权利要求4所述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，其特征在于：所述步骤C中本振光信号与后向布里渊散射光信号耦合相干获得由差频部分组成的布里渊散射光信号。

6.根据权利要求5所述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法，其特征在于：所述步骤C中扫频过程以布里渊散射电信号的中心频率为基准，扫频范围设置为正负100MHz，扫频间隔为5MHz。

7.基于1至6任一项权利要求所述基于Bark序列的BOTDR***长距离探测方法的***，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、光脉冲放大模块、环形器、第二耦合器、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块，其中所述光源模块与第一耦合器相连；所述第一耦合器分别与电光调制模块、光偏振扰动模块相连；所述电光调制模块与光脉冲放大模块、环形器依次相连；所述环形器的一端连入光纤后与第二耦合器相连；所述光偏振扰动模块与第二耦合器相连；所述第二耦合器与光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块依次相连；其特征在于：所述电光调制模块包括电光强度调制模块和与电光强度调制模块相连的Bark序列发生模块，通过Bark序列发生模块生成的两组单极性Bark序列分别控制电光强度调制模块的电场，以获得两组单极性Bark序列的光脉冲信号；通过所述两组单极性Bark序列的光脉冲信号分别进行布里渊相干探测获得两组后向布里渊散射电信号；所述信号处理模块对所述两组后向布里渊散射电信号进行相关后分析处理获得布里渊频移，根据所述布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。