CN105241390B - 快速布里渊光时域分析型应变测量装置及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于受激布里渊增益谱线宽窄化处理、脉冲编码和小波变换技术相结合的高性能快速BOTDA(布里渊光时域分析型)应变测量装置及数据处理方法，属于分布式光纤传感技术领域。由激光器1、第一光耦合器2、第一调制器3、第一微波信号源20、第一光滤波器4、第二调制器5、第二微波信号源21，直流电源22、光放大器6、第二光耦合器7、光隔离器8、第二调制器9、频率综合器14、第二光滤波器10、第四调制器11、脉冲信号发生器15、扰偏器12、光环形器13、传感光纤19、光电探测器16、数据采集卡17和计算机18组成，本发明通过采用三个泵浦信号实现光纤受激布里渊散射增益谱线宽窄化处理，提高BOTDA应变测量***的精度；采用脉冲编码和小波变换技术相结合提高信噪比，进而提高测量精度、缩短测量时间。

Description

快速布里渊光时域分析型应变测量装置及数据处理方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊增益谱线宽窄化处理、脉冲编码和小波变换技术相结合的高性能快速BOTDA(布里渊光时域分析型)应变测量装置及数据处理方法。

背景技术

光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、耐高压、耐腐蚀、电绝缘性好、抗电磁干扰等优点，在通信光缆、河堤、混凝土、管道、隧道、桥梁等结构检测中有广泛应用。基于受激布里渊散射效应的分布式光纤传感器是利用受激布里渊频移量与应变之间的线性关系，通过测量光纤各处的布里渊频移量得到该位置处相应的应变变化，从而实现应变的分布式测量。

受激布里渊分布式光纤传感器主要有三种类型：布里渊光时域分析(BOTDA)型、布里渊光频域分析(BOFDA)型和布里渊散射光时域反射(BOTDR)型。BOTDA***由于利用光纤受激布里渊散射效应测量应变，布里渊增益线宽直接影响到应变的测量精度，布里渊增益线宽越宽，应变的测量精度越低。BOTDA***的测量时间也是一个很关键的因素，目前采用的降低时间的方法是采用编码技术提高信噪比进而减少测量次数，缩短测量时间，但是编码的阶数过高时，***的测量时间也不利于减少。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于受激布里渊增益谱线宽窄化处理、脉冲编码和小波变换技术相结合的高性能的BOTDA应变测量装置。

本发明所述的高性能的BOTDA应变测量***的结构如图1所示，由激光器1、第一光耦合器2、第一调制器3、第一微波信号源20、第一光滤波器4、第二调制器5、第二微波信号源21，直流电源22、光放大器6、第二光耦合器7、光隔离器8、第二调制器9、频率综合器14、第二光滤波器10、第四调制器11、脉冲信号发生器15、扰偏器12、光环形器13、传感光纤19、光电探测器16、数据采集卡17和计算机18组成，第一调制器3、第二调制器5、第三调制器9、第四调制器11均为强度调制器。

激光器1输出频率为f_c的光信号(图2(1))经第一光耦合器2一分为三，分别记为第一支路101、第二支路201和第三支路301，第一支路101、第二支路201、第三支路301的分光比为3：3：4，其中，第一支路的光信号作为光载波被送到第一调制器3中，然后被第一微波信号源20输出的频率为2f_B(f_B为传感光纤19的受激布里渊散射频移量)的微波信号调制，由于是小幅度微波信号调制，仅考虑载波和一阶边带(f_c、f_c+2f_B、f_c-2f_B)，第一调制器3输出的信号输入到第一光滤波器4中，滤掉载波和一阶上边带，仅剩频率为f_c-2f_B的一阶下边带信号(图2(2))，将第一光滤波器4输出的频率为f_c-2f_B信号再送入第二调制器5中，被第二微波信号源21输出的频率为f_L的信号调制，调整直流电源22输出的直流电压改变第二调制器5的直流偏置电压，使其工作在载波抑制的双边带输出状态，其输出频率为f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L的两个信号(图2(3))，第二调制器5输出信号(f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L)的强度可以通过光放大器6放大；第二支路201中频率为f_c的光信号与第一支路101中经光放大器6放大的光信号经第二光耦合器7后再经光隔离器8送入到传感光纤19中，作为传感光纤19中受激布里渊散射效应的泵浦信号，三个泵浦信号的频率分别为f_c、f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L(强度可以通过光放大器6控制)，泵浦信号f_c产生的增益谱的中心频率为f_c-f_B，泵浦信号f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L产生损耗谱的中心频率为f_c-f_B+f_L和f_c-f_B-f_L(图2(4))，改变光放大器6的放大倍数可以改变泵浦信号f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L强度，从而改变损耗谱f_c-f_B+f_L和f_c-f_B-f_L的强度，中心频率为f_c-f_B的增益谱和中心频率为f_c-f_B+f_L和f_c-f_B-f_L损耗谱相互作用，实现受激布里渊增益谱线宽的窄化处理(图2(5))，从而提高测量精度。第三支路301中的光信号输入到第三调制器9中，被频率综合器14输出的频率为f_T(f_T的频率是以f_B为中心在300M的范围内按一定频率间隔变化)的小幅信号调制，第二光滤波器10滤掉调制信号中的载波和一阶上边带信号(由于是小信号调制，只有载波和一阶边带)，只保留频率为f_c-f_T的一阶下边带信号，频率为f_c-f_T的信号输入到第四调制器11中，被脉冲信号发生器15输出的脉冲信号调制(脉冲信号的高电平宽度为10ns～100ns，脉冲频率为10kHz～100kHz)，第四调制器11输出的信号输入到扰偏器12中，扰偏器12是为了将光的偏振态随机化，以消除偏振态对受激布里渊散射效应的影响，经扰偏器12处理的光信号作为传感光纤19中受激布里渊散射效应的脉冲光从光环形器13的Ⅰ端口输入，Ⅱ端口输出后进入到传感光纤19中。从光隔离器8输出的窄化处理的三个泵浦信号和从环形器的Ⅱ端口输出的脉冲光在传感光纤19中相互作用，当两路光的频率差之间满足受激布里渊散射条件时会发生受激布里渊散射现象，携带受激布里渊散射信息的泵浦光信号经光环行器的端口Ⅱ输入，从光环形器13的端口Ⅲ输出后被光电探测器16探测，然后通过数据采集卡17将采集到的数据送入计算机18处理，计算机18还需要控制频率综合器14输出的频率值和脉冲信号发生器15输出脉冲的起始时刻，最后通过光谱拟合可以得到受激布里渊增益谱峰值频率，进而确定应变的大小，通过脉冲发出的时间和增益谱峰值出现的时间差可以判断应变发生的位置。

BOTDA测量***的应变测量精度公式为其中，Δν_B布里渊增益谱线宽，SNR为***信噪比，可见，减小布里渊增益线宽Δν_B和增加信噪比均可以提高***的测量精度。

本发明通过采用S-codes(Simplex codes)编码和小波变换技术相结合来提高***的性噪比(SNR)进而提高测量精度并且缩短***的测量时间。采用S-codes编码技术是通过对S矩阵(S-matrix)进行哈达码(hadmard)变换，然后通过叠加来减小噪声，提高信噪比，S-matrix是一个单极性矩阵，由1和0组成，对于S-codes编码，当S矩阵的阶数增加时，解码时间变长，使***的测量时间增加，采用适当的S矩阵的阶数，在数据处理端解码采集到的数据之后再利用小波变换技术进行去噪处理，提高***的性噪比进而提高测量精度并且缩短***的测量时间。该编码技术的关键是构建S-matrix矩阵，以同时测量光纤沿线不同位置的布里渊散射强度。以一个三阶S-matrix矩阵为例来说明采用该编码技术提高SNR，假设对于一个单脉冲P₁(t)被发射到被测量光纤中，得到的响应为ψ₁(t)。同时定义新的脉冲P₂(t)＝P₁(t-τ)，P₃(t)＝P₁(t-2τ)，它们的响应分别为：ψ₂(t)＝ψ₁(t-τ)，ψ₃(t)＝ψ₁(t-2τ)；通过发射S-codes序列可以得到：

于是可以采用S-matrix写成hadamard变换的形式：

式中e(t)为测量的噪声。由上式可知，码长即为S-matrix的阶数。为了恢复出ψ₁(t)需要进行Hadmard反变换，得到如下表达式：

则

于是可以得到处理后的结果为：

最后的平均平方误差为：

而对于通常的单脉冲情况，三次迭代的平均平方误差为σ²/3，对于码长为3时得到的码型增益为因此对于长度为L的S-codes，可以推导出它的码型增益为

从而，可以使***的信噪比相应的提升为原来的倍。

对于S-codes编码，当S矩阵的阶数增加时，解码时间变长，使***的测量时间增加，本发明采用适当的S矩阵的阶数，在数据处理端解码采集到的数据之后再利用小波变换技术进行去噪处理，可以大大节省一次测量的时间。

小波阈值收缩法去噪分以下三步：

1)计算含噪信号的正交小波变换。对于长度为N的含噪信号X,，不妨设N＝2^J，利用正交小波变换的快速算法获得低分辨率L(0≤L＜J)下的尺度系数{v_L,k,k＝1,...,2^J}，及各分辨率下的小波系数{w_j,k,j＝L,L+1,...,J-1,k＝1,...,2^j}，其中尺度系数和小波系数共N。在处理边界时，常采用周期延拓方法。

2)对小波系数进行非线性阈值处理。为保持信号的整体形状不变，保留所有的低频系数v_L,k,k＝1,...,2^L。取阈值对每个小波系数，采用硬阈值方法进行处理：

硬阈值：

即，把含噪信号的小波系数的绝对值与所选定的阈值λ进行比较，小于等于阈值的点变为零，大于阈值的点保持不变。

3)进行逆小波变换。由所有低频尺度系数，以及经由阈值处理后的小波系数做逆小波变换进行重构，得到恢复的原始信号的估计值。

最后，由此获得被测量场出现的突变峰来判断损伤出现的位置。

测量开始时，激光器1的输出频率设置为f_c＝193.41THz(对应波长为1550nm)，计算机发出指令启动频率综合器14开始扫频，同时启动脉冲信号发生器15输出脉冲宽度为10～100ns，频率为10kHz～100kHz按S矩阵编码的脉冲信号，编码的阶数可以取3～255阶，以3阶编码为例，首先输入第一组序列的脉冲光信号其形式如图3(a)所示，计算机18记录脉冲信号发生器15发出脉冲信号的时间，此时间为测量开始时间，传感光纤19的受激布里渊频移量f_B为9～11GHz，频率综合器14的中心频率设为f_B，扫频范围为100～300MHz，频率步进为0.1～0.3MHz，设定频率综合器14的初始频率，该微波信号经第三调制器9之后再经过第二光滤波器10滤波，保留下边带信号，然后被图3(a)所示的脉冲信号通过第四调制器11调制后作为脉冲光依次进入到传感光纤19中，传感光纤19另一端输入能使受激布里渊线宽窄化的三个泵浦信号，编码的脉冲光信号依次沿着传感光纤19传播，第一组序列的脉冲光信号在传感光纤19中传播时，在光电探测器16的接收端会接收到携带受激布里渊散射信息的光信号，经数据采集卡17送入到计算机18中，保持频率综合器14的频率值，依次输入3阶S矩阵编码剩余的脉冲光信号见图3(b)和3(c)，将探测到的这些信号在计算机18中解码得到沿光纤长度上各点的光强，然后在计算机18中对解码得到的响应进行小波变换处理，便完成一次扫频测量。接着按频率综合器14设置的频率步进值依次按照上述编码和小波变换处理的过程完成各个频率点的扫频测量，最后得到传感光纤19沿长度方向上各点的光强随频率值的变化曲线，通过洛伦兹拟合可以得到布里渊增益达到最大值时的频率，最大频率值就是光纤受激布里渊频移量，由于应变和频移量呈线性关系，进而确定应变的大小，同时，计算机18通过脉冲信号发生器15发出脉冲的时间和增益谱峰值出现的时间差可以判断应变发生的位置，便可以实现对应变的定位。

本发明通过采用三个泵浦信号实现光纤受激布里渊散射增益谱线宽窄化处理，提高BOTDA应变测量***的精度；采用脉冲编码和小波变换技术相结合提高信噪比，进而提高测量精度、缩短测量时间。

附图说明

图1：高性能BOTDA应变测量***示意图；

图2：受激布里渊散射谱窄化处理过程示意图；

图3：三阶编码的脉冲光信号；

图4：单独采用S编码时不同编码阶次对应的响应曲线；

图5：S编码和小波变换相结合时不同编码阶次对应的响应曲线。

具体实施方式

实施例1：

选用Santec公司的TSL-510可调激光器作载波光源，激光器1的波长范围为1510nm～1630nm波长，设定波长为1550nm(对应频率为f_c＝193.41THz)；第一调制器3、第二调制器5、第三调制器9和第四调制器11均为Photline公司的MXAN-LN-40，带宽为32GHz；第一光滤波器4和第二光滤波器10为Santec公司的可调谐光滤波器，型号为OTF-950，波长调谐范围为1548nm到1552nm，线宽小于10GHz；光放大器6为中兴通讯有限公司的掺铒光纤放大器，波长范围为1530～1565nm，放大倍数大于35倍；第一微波信号源20和第二微波信号源21为安捷伦公司的8257D；频率综合器14为成都仁健微波技术有限公司的RJUFS020180-1K，输出频率范围为2-18GHz；脉冲信号发生器15为安捷伦公司81131A，频率范围为1Hz-400MHz；光电探测器16为泰克公司的SD-48，带宽为35GHz；传感光纤19为长飞光纤光缆有限公司的光纤，受激布里渊增益线宽为Γ_B＝40MHz，布里渊频移量f_B＝10GHz，长度为500米，增益和损耗峰值系数为5；光隔离器8的隔离度大于40dB；扰偏器12为高光科技有限公司的PCD-104；数据采集卡17为NI公司的PCI-5112数据采集卡，采样频率为100MSPS。

按图1连接好相应的仪器设备，开启仪器电源，激光器1的波长设定为1550nm，第一微波信号源20的输出频率为20GHz，第二微波信号源21的频率设置为20MHz，光放大器6的放大倍数设置为25倍，通过图1的101支路和201支路的作用，可以使受激布里渊谱的线宽变窄到4.14MHz。

测量开始时，激光器1的输出频率设置为f_c＝193.41THz(对应波长为1550nm)，计算机发出指令启动频率综合器14开始扫频，同时启动脉冲信号发生器15输出脉冲宽度为10ns，频率为10kHz按S矩阵编码的脉冲信号，编码的阶数分别设置为3、7、15、61、63、127、255阶，计算机18记录脉冲信号发生器发出脉冲信号的时间，此时间为测量开始时间，光纤的受激布里渊频移量为10GHz，设定频率综合器14的初始频率为9.9GHz，扫频范围为200MHz，频率步进为0.1MHz，这个9.9GHz的微波信号经第三调制器9之后再经过第二光滤波器10滤波，保留下边带信号f_c-9.9GHz，然后被脉冲信号发生器15输出的按S矩阵编码的脉冲信号通过第四调制器11调制后作为脉冲光依次进入到传感光纤19中，传感光纤19另一端输入能使受激布里渊线宽窄化的三个泵浦信号，被S矩阵编码的脉冲光信号依次沿着传感光纤19传播，第一组序列的脉冲光信号在传感光纤19中传播时，在光电探测器16的接收端会接收到携带受激布里渊散射信息的光信号，经数据采集卡17送入到计算机18中，保持频率综合器14的频率值9.9GHz，按S矩阵编码的阶数依次输入剩余的脉冲光信号，将探测到的这些信号在计算机18中解码得到频率为9.9GHz时，沿光纤长度方向上各点的光强，然后在计算机18中对解码得到的响应进行小波变换处理，便完成一次扫频测量。接着按频率综合器14设置的频率步进值依次按照上述编码和小波变换处理的过程完成200MHz范围内的扫频测量，最后得到传感光纤19长度上各点的光强随频率值的变化曲线，通过洛伦兹拟合可以得到布里渊增益达到最大值时的频率，最大频率值就是光纤受激布里渊频移量，由于应变和频移量呈线性关系，进而确定应变的大小，同时，计算机18通过脉冲信号发生器15发出脉冲的时间和增益谱峰值出现的时间差可以判断应变发生的位置，便可以实现对应变的定位。

在传感光纤19的470m处加应变，单独采用3、7、15、31、63、127、255阶S编码时，解码后得到响应曲线如图4(b)—4(h)所示，分别对应3、7、15、31、63、127、255阶编码时的响应，图4(a)为不采用编码时的解码的响应曲线，从图4(a)—4(h)中可以看出，编码的阶次为255阶时，解码后能分辨出在470米处的应变，此时的处理时间为4439.7244s。

图5为3、7、15、31阶S编码和小波变换结合处理解码之后的响应，图5(a)-图5(d)分别为3、7、15、31阶S编码和小波变换时的响应，从图5中可以看出，当编码阶数增加至31阶解码后结合小波变换能分辨出在470m处的应变，此时，31阶编码结合小波分析共计处理时间为45.1673s。采用S编码和小波变换相结合可以明显缩短信号处理时间，增加***的快速性。

Claims (3)

1.一种快速布里渊光时域分析型应变测量装置，其特征在于：由激光器(1)、第一光耦合器(2)、第一调制器(3)、第一微波信号源(20)、第一光滤波器(4)、第二调制器(5)、第二微波信号源(21)、直流电源(22)、光放大器(6)、第二光耦合器(7)、光隔离器(8)、第二调制器(9)、频率综合器(14)、第二光滤波器(10)、第四调制器(11)、脉冲信号发生器(15)、扰偏器(12)、光环形器(13)、传感光纤(19)、光电探测器(16)、数据采集卡(17)和计算机(18)组成；

激光器(1)输出频率为f_c的光信号经第一光耦合器(2)一分为三，分别记为第一支路(101)、第二支路(201)和第三支路(301)，其中，第一支路(101)的光信号作为光载波被送到第一调制器(3)中，然后被第一微波信号源(20)输出的频率为2f_B的微波信号调制，由于是小幅度微波信号调制，仅考虑载波和一阶边带，第一调制器(3)输出的信号输入到第一光滤波器(4)中，滤掉载波和一阶上边带，仅剩频率为f_c-2f_B的一阶下边带信号，将第一光滤波器(4)输出的频率为f_c-2f_B信号再送入第二调制器(5)中，被第二微波信号源(21)输出的频率为f_L的信号调制，调整直流电源(22)输出的直流电压改变第二调制器(5)的直流偏置电压，使其工作在载波抑制的双边带输出状态，其输出频率为f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L的两个信号，第二调制器(5)输出信号的强度可以通过光放大器(6)放大；

第二支路(201)中频率为f_c的光信号与第一支路(101)中经光放大器(6)放大的光信号经第二光耦合器(7)后再经光隔离器(8)送入到传感光纤(19)中，作为传感光纤(19)中受激布里渊散射效应的泵浦信号，三个泵浦信号的频率分别为f_c、f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L，泵浦信号f_c产生的增益谱的中心频率为f_c-f_B，泵浦信号f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L产生损耗谱的中心频率为f_c-f_B+f_L和f_c-f_B-f_L，改变光放大器(6)的放大倍数可以改变泵浦信号f_c-2f_B+f_L和f_c-2f_B-f_L强度，从而改变损耗谱f_c-f_B+f_L和f_c-f_B-f_L的强度，中心频率为f_c-f_B的增益谱和中心频率为f_c-f_B+f_L和f_c-f_B-f_L损耗谱相互作用，实现受激布里渊增益谱线宽的窄化处理，从而提高测量精度；

第三支路(301)中的光信号输入到第三调制器(9)中，被频率综合器(14)输出的频率为f_T的小幅信号调制，第二光滤波器(10)滤掉调制信号中的载波和一阶上边带信号，只保留频率为f_c-f_T的一阶下边带信号，频率为f_c-f_T的信号输入到第四调制器(11)中，被脉冲信号发生器(15)输出的脉冲信号调制，第四调制器(11)输出的信号输入到扰偏器(12)中，扰偏器(12)是为了将光的偏振态随机化，以消除偏振态对受激布里渊散射效应的影响，经扰偏器(12)处理的光信号作为传感光纤(19)中受激布里渊散射效应的脉冲光从光环形器(13)的Ⅰ端口输入，Ⅱ端口输出后进入到传感光纤(19)中；从光隔离器(8)输出的窄化处理的三个泵浦信号和从环形器的Ⅱ端口输出的脉冲光在传感光纤(19)中相互作用，当两路光的频率差之间满足受激布里渊散射条件时会发生受激布里渊散射现象，携带受激布里渊散射信息的泵浦光信号经光环行器的端口Ⅱ输入，从光环形器(13)的端口Ⅲ输出后被光电探测器(16)探测，然后通过数据采集卡(17)将采集到的数据送入计算机(18)处理，计算机(18)还需要控制频率综合器(14)输出的频率值和脉冲信号发生器(15)输出脉冲的起始时刻，最后通过光谱拟合可以得到受激布里渊增益谱峰值频率，进而确定应变的大小，通过脉冲发出的时间和增益谱峰值出现的时间差可以判断应变发生的位置。

2.如权利要求1所述的一种快速布里渊光时域分析型应变测量装置，其特征在于：第一调制器(3)、第二调制器(5)、第三调制器(9)和第四调制器(11)均为强度调制器。

3.如权利要求1所述的一种快速布里渊光时域分析型应变测量装置，其特征在于：第一支路(101)、第二支路(201)和第三支路(301)的分光比为3：3：4。