CN107063433B - 基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪,该反射仪包括输入光产生单元(1)、保偏分束器(2)、编码序列调制单元(3)、环形器(4)、待测光纤(5)、零差移频器(6)、偏振控制单元(7)、探测单元(8)及信号解调单元(9)；同时还公开了基于Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的方法。本发明探测单元使用了I/Q解调***，可以用精炼的结构实时有效地还原真实后向瑞利散射光的全部光场信息尤其是绝对相位信息；其本振光增益使得解调光纤尾端的极弱信号成为了可能，所以此***有助于延长***的传感距离。

Description

基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪及其实现 方法

技术领域

本发明涉及相位敏感型光时域反射仪，属于光纤测量与传感领域，更具体地说，本发明涉及一种新的基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪，以及基于Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的方法。

背景技术

分布式光纤传感(DFOS)在现代社会中有着极为广泛的运用，尤其在石油传输、电力监测、大型结构安全以及国境安防等领域占有非常重要的地位。分布式光纤传感的基本原理为外界环境因素的改变，诸如温度、振动等，导致光纤本身的特性如折射率发生改变，进而影响到光纤中传输光场，并且改变光纤中的散射光场。因此，通过检测散射光(瑞利散射光、布里渊散射光或者拉曼散射光)的特性，可以得到光纤受影响的位置，甚至于可以还原外界温度场或振动场。

相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)是分布式光纤传感领域发展最为迅猛的分支之一，不仅仅因其具备分布式光纤传感器都具备的高精度、高空间分辨率、鲁棒性以及对外界电磁环境不敏感等特点，还因其结构精炼、可单端测量，以及具备还原外界振动场的能力而广受关注。Φ-OTDR最为重要的运用之一为分布式声波传感(DAS)***，即根据Φ-OTDR可以还原外界振动场的能力进行分布式监听，其在地震监测、高铁测速等领域具有极为巨大的应用前景。

Φ-OTDR的原理如下：当相干光源输出的窄脉冲进入待测光纤后，其沿光纤后向瑞利散射光(瑞利光)不断返回输入端(0点)；在某一个特定时刻光纤上长度为半个脉冲宽度的瑞利光在0点发生相干，最终输出***；若外界振动场发生改变，其频率和幅值与瑞利光两点(一点位于扰动影响之前，另一点需经过扰动位置)之间的相位差成正比；因此可以通过解调传感***的相位来还原外界振动场。从Φ-OTDR的原理可以看出，此***的空间分辨率为半个脉冲宽度；且***具有高度实时性，可以通过不断打入脉冲实现动态测量。

但是，现有的Φ-OTDR具有一定的局限性。更高的输入脉冲峰值功率一般会带来更高的传感信号信噪比，但是，高的脉冲峰值功率会造成光纤非线性现象的产生会使导致信号损伤，因此输入脉冲的峰值功率需受到限制；而***要实现高空间分辨率则不可以使得脉冲宽度过大。上述两点缺陷是实现长距离Φ-OTDR实时测量需解决的关键问题。增加平均次数可以在一定程度上使得传感信号的信噪比提高，从而延长传感距离；但是，平均次数过多会牺牲实时性，使得最大可探测频率下降，这就突出了光脉冲编码技术在长距离Φ-OTDR***中应用的必要性。

Golay(戈利)互补序列是相关码的一种，在通信领域与传感领域均用重要运用。该码的特点在于运用码字之间的相关性求出单脉冲的响应。Golay互补序列是双极性码，即由“+1”与“-1”组成；Golay互补序列包含两行，每一行的码字长度N需为2的正幂次方。设两行Golay互补序列为A和B。Golay互补序列符合如式(1)所示的相关特性。

式(1)中的“⊕”表示自相关运算，N为单行码字长度；k表示进行相关运算时的移位位数，且|k|≤N。δ(y)表示单位冲击函数，其表达式如式(2)所述。

由式(1)可以看出，Golay互补序列的两行码字做相关运算之后会得到单位冲击函数的倍数；又因为δ函数与任何函数卷积都等于函数自身，若某一***可以写为卷积形式，即线性***，则此***可以使用Golay互补序列进行编码。

Golay互补序列在长距离Φ-OTDR应用的优势，对比单脉冲来说Golay首先具有高的编码增益，N位Golay编码相比单脉冲平均N次的解调的信号信噪比要提升由于单极性Golay互补序列始终为4行，所以Golay需要的测量时间只与单脉冲平均4次的测量时间相同。例如128位Golay互补序列(N为128)，编码解调的信号比单脉冲平均128次得到的信号信噪比提升约5.6dB测量时间却是128次平均所用时间的1/32。所以相对比单脉冲平均来说Golay互补序列既可以节约测量时间又可以提升测量信号的信噪比。对比其他的编码方式来说，Golay最大的优势在于它的测量时间不会随着编码位数的增加而增加，它需要的测量时间始终为单脉冲4次平均所需的时间。例如对比另一种在分布式光纤传感***应用较广的Simplex编码方式，N位Simplex编码需要测量时间为单脉冲平均N次所需时间。所以对比其他一些编码方式Golay互补序列所需的测量时间并不会随编码长度的增加而增加这在长距离Φ-OTDR***中将会保证***的响应速度。

相比较相位上的编码强度上的编码可实现归零码字，从而可以防止码间串扰。具体来说，相邻码字之间要相隔至少一个脉宽的距离才不会造成在某一位置两个码字的信号响应发生重叠，而强度调制的归零码只要设置得当就可以满足该条件。相位编码由于不能实现归零码，则会存在码间串扰这一问题。所以本套发明***采用了强度编码的方式。

发明内容

为克服现有技术相位敏感型光时域反射仪关于峰值功率与空间分辨率受限的技术问题，本发明提供了一种基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪，该光时域反射仪能够快速高效地还原外界振动场的频率与振幅信息，突破相位敏感型光时域反射仪中峰值功率与空间分辨率的限制；同时，本发明还公开了一种基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪的实现方法。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪，该相位敏感型光时域反射仪包括输入光产生单元、保偏分束器、编码序列调制单元、环形器、待测光纤、零差移频器、偏振控制单元、探测单元及信号解调单元；

其中，

所述输入光产生单元、保偏分束器、零差移频器、偏振控制单元、探测单元及信号解调单元顺次信号连接；

所述保偏分束器还顺次连接所述编码序列调制单元、环形器及待测光纤，所述环形器和探测单元相互信号连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明探测单元使用了I/Q解调***，可以用精炼的结构实时有效地还原真实后向瑞利散射光的全部光场信息，尤其是绝对相位信息；同时，其本振光增益使得解调光纤尾端的极弱信号成为了可能，所以此***有助于延长***的传感距离。

同时，基于上述基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪，本发明还公开了基于Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的实现方法，该方法包括以下步骤：

1)将进行强度调制的适用于单极性***的4行Golay互补序列打入待测光纤，用于接收其后向瑞利散射光信号；

2)采集待测光纤后向瑞利散射光信号作为每行的***相应，将上述4行Golay互补序列的***响应进行自相关运算解码，恢复得到单脉冲相位响应；

3)将得到的单脉冲相位响应通过解卷绕运算得到相位信息，得到单脉冲两个采样点之间的相位差；周期性打入Golay互补序列，得到两个采样点之间相位差随时间的变化量，根据相位差与外界振动的频率和幅度成正比关系，则可以恢复外界振动的频率和幅度。

在上述方法的步骤2)中，单脉冲相位响应的恢复方法如下：

设打入待测光纤的4行用于单极性***的Golay互补序列为A₁、A₂和B₁、B₂，相应得到的4行序列***响应分别为R_A1(t)、R_A2(t)和R_B1(t)、R_B2(t)；

基于4行序列的瑞利散射光信号响应将恢复单个码字(单脉冲)***响应，恢复公式如表达式(3)所示。

式中，

⊕表示互相关运算；

W(t)表示相位敏感型光时域反射仪的单脉冲响应。

作为优选的，所述Golay互补序列采用强度归零编码。

作为优选的，强度归零的Golay互补序列在实际设定时，码字与码字之间归零的长度需大于一个码字的长度。

基于以上方法，本发明仅仅使用单脉冲测量的4倍时间，就完成了比平均N(N为戈利互补序列单行码字长度)次更好的效果，保证了Φ-OTDR***的实时性；其对应的空间分辨率为单个码字宽度的一半，因此此法在保证空间分辨率的情况下提高了输入信号的平均功率，进而可以使得信号传输得更远，有利于长距离传感的进行；相比于其他编码方式，Golay互补序列的测量时间不会随着编码位数的增加而增加，这样就保证了整套***的响应速度和***的快速动态测量。

附图说明

图1为线性***的相位敏感型光时域反射仪的示意图；

图2为说明码字之间归零长度不可小于一个码字长度的示意图；

图3为利用Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的***结构框图；

图4为打入4行Golay互补序列得到的瑞利散射光强度响应交流分量的实验效果图；

图5为在待测光纤中加入一个特定频率的扰动之后相位差随着时间的变化实验效果图；

图6为在待测光纤中加入一个特定频率的扰动之后解调外界扰动信号的频域图；

图中标记：1、输入光产生单元；2、保偏分束器；3、编码序列调制单元；4、环形器；5、待测光纤；6、零差移频器；7、偏振控制单元；8、探测单元；9、信号解调单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

首先说明相位解调的相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)为线性***。线性***是可以实施编码的基础与前提。设码字重复周期(比特率)与采样时间间隔(采样率)相同；设一个幅值为1，初始相位为0的脉冲的φ-OTDR***响应为r(t)；设长度为S+1的任意编码序列为设在光纤上采样的总点数为H+1，则单脉冲***响应为r(t)＝[r₀exp(jρ₀)，...，r_Hexp(jρ_H)]^T。图1简要说明了当S＝2，H＝1时***的响应情况。图1中的码字为[1，1，1]^T，标号为①、②和③的曲线分别对应第1、2和3个码字的***响应。从图1可以看出，***对于编码的响应R(t)的长度应该为S+H+1，即

R(t)＝[R(t₀)，...，R(t_S+H)]^T。由图1可以推及一般的情况。φ-OTDR***对于任意编码序列的响应可用式(4)来表示。

由卷积的定义可以得知，式(4)的矩阵表示可以等价于卷积运算，如式(5)所示。

R＝A*r (5)

式(5)中*表示卷积运算。由于φ-OTDR***对于编码的响应可以表达为卷积运算，因此相位解调的φ-OTDR***为线性***。

之后说明码字与码字之间归零的长度需大于一个码字长度。若有两个相邻码字打入光纤，在0点的接收器接收到的瑞利散射光可如图2所示：第一(二)个码字完全进入光纤的时间设为αΔt(βΔt)；标号为①(②)的区域表示第一(二)个码字在接收端接收到的信号来源于待测光纤的位置与采样时长的关系。由图2可以看出，若要区域①与区域②不重合，α与β需满足如式(6)所示的关系。

β≥α+1 (6)

从图2与式(6)可以看出，两个相邻码字之间的归零长度需大于一个码字长度Δt，否则对某个位置而言，两个码字的信号会产生混叠，从而使得***失去线性性。

基于以上内容，下面结合图3对基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪进行说明：

基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪,该相位敏感型光时域反射仪包括输入光产生单元1、保偏分束器2、编码序列调制单元3、环形器4、待测光纤5、零差移频器6、偏振控制单元7、探测单元8及信号解调单元9；其中，所述输入光产生单元1、保偏分束器2、零差移频器6、偏振控制单元7、探测单元8及信号解调单元9顺次信号连接；所述保偏分束器2还顺次连接所述编码序列调制单元3、环形器4及待测光纤5，所述环形器4和探测单元8相互信号连接。

在上述相位敏感型光时域反射仪中，保偏分束器2包括一路输入端a和两路输出端b、输出端c，环形器4包括一路输入端a’和两路输出端b’、输出端c’。

输入光产生单元1产生光信号作为输入光；保偏分束器2在不改变输入光信号偏振态的情况下把输入端a输入的光产生单元输出光信号分为两路，输出端b输出的一路作为输入待测光纤的信号光，输出端c输出的一路作为相干解调所需的本振光；编码序列调制单元3把保偏分束器2端口b输出的信号光调制为Golay互补序列；环形器4把调制好的序列从输入端a’输入到输出端b’连接的待测光纤；待测光纤5的后向瑞利散射光从环形器4的输出端b’输出至输出端c’；零差移频器6把保偏分束器2输出端c输出的用作本振光的光信号做移频处理，使得其频率与后向瑞利散射光的频率相同；偏振控制单元7调整从零差移频器输出的连续光偏振态，使得探测单元拥有最优化的本振光增益；探测单元8运用I/Q解调技术，把环形器4输出端c’输出的后向瑞利散射光(即待测信号)与偏振控制单元输出的本征光进行混频，最后输出拥有本振光增益的Golay互补序列后向瑞利散射光光场；信号解调单元9把探测单元输出的拥有本振光增益的后向瑞利散射光光场的进行解调，得到单脉冲响应；之后通过计算后向瑞利散射光的相位，得到采样点之间的相位差，从而还原出外界振动场的幅度与频率。

上述相位敏感型光时域反射仪使用时，先调整输入光产生单元1的输入功率，即之后输入码字的峰值功率，然后通过保偏分束器2的输出端b输入到编码序列调制单元产生Golay互补序列，然后通过环形器4输出端b’输入到待测光纤。其后向瑞利散射光通过环形器4的输出端c’，与经过零差频移器6与偏振控制单元7优化过的本振光一起输入到探测单元8进行I/Q调制，使得信号光与本征光进行混频，并输入瑞利散射光光场。探测信号最后进入信号解调单元9，解调出单脉冲响应，之后通过解卷绕算法解调出信号相位，并根据相位差还原出外界振动场的频率与振幅。

下面，结合具体的实施例来说明本相位敏感型光时域反射仪的用法。

设待测光纤的长度为2km；单个码字(单脉冲)的时长为80ns，对应的空间分辨率约为8m；码字的重复周期为40μs；Golay互补序列的单行长度为32位。

运用90度光学混频器与两个带宽为10M的探测器构成探测单元8进行I/Q解调。在光纤的尾端加入一个缠绕10m光纤的压电陶瓷(PZT)用于模拟外界振动场，其外加施加振动频率为355Hz。

图4为打入适用于单极性***的Golay互补序列之后，从探测单元输出的4行码字的后向瑞利散射光光强(革除直流响应)。图4(a)、(b)、(c)和(d)分别表示Golay互补序列的第1行、第2行、第3行与第4行码字打入传感***后在0点探测到的后向瑞利散射光光强。从图4可以看出，每一行码字的响应均有如下的趋势：中部的强度较大而两端的强度较低。造成此现象的原因在于前端码字还未完全“进入”而后端已有部分码字“走出”光纤。由于越大的强度会带来越好的解调信噪比，而从图4可以看出，Golay互补序列对于信号的强度增强有显著的帮助。

图5与图6分别表示信号解调单元解调出的外界振动场的时域与频域信号。图5表示时间与相位差之间的关系；图5中的解调曲线呈现正弦形式，与施加在尾端PZT上的信号遥相呼应。图6表示的为图5所示的解调时域信号所对应的频域信号，从图6可以看出，解调信号在355Hz附近取得峰值，并且呈现较高的信噪比。图5与图6证明了此***可以较高程度地还原外界振动场。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的方法，该相位敏感型光时域反射仪包括输入光产生单元(1)、保偏分束器(2)、编码序列调制单元(3)、环形器(4)、待测光纤(5)、零差移频器(6)、偏振控制单元(7)、探测单元(8)及信号解调单元(9)；所述输入光产生单元(1)、保偏分束器(2)、零差移频器(6)、偏振控制单元(7)、探测单元(8)及信号解调单元(9)顺次信号连接；所述保偏分束器(2)还顺次连接所述编码序列调制单元(3)、环形器(4)及待测光纤(5)，所述环形器(4)和探测单元(8)相互信号连接；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将进行强度调制的适用于单极性***的4行Golay互补序列打入待测光纤(5)，用于接收其后向瑞利散射光信号；

2)采集待测光纤(5)后向瑞利散射光信号作为每行的***相应，将上述4行Golay互补序列的***响应进行自相关运算解码，恢复得到单脉冲相位响应；

单脉冲相位响应的恢复方法如下：

设打入待测光纤(5)的4行用于单极性***的强度调制Golay互补序列为A₁、A₂和B₁、B₂，相应得到的4行序列***响应分别为R_A1(t)、R_A2(t)和R_B1(t)、R_B2(t)；

基于4行序列的瑞利散射光信号响应将恢复单个码字，即单脉冲的***响应，恢复公式如下：

式中，表示互相关运算；

W(t)表示相位敏感型光时域反射仪的单脉冲响应；

3)将得到的单脉冲相位响应通过解卷绕运算得到相位信息，得到单脉冲两个采样点之间的相位差；周期性打入Golay互补序列，得到两个采样点之间相位差随时间的变化量，根据相位差与外界振动的频率和幅度成正比关系，则可以恢复外界振动的频率和幅度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Golay互补序列采用强度归零编码。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，强度归零的Golay互补序列在实际设定时，码字与码字之间归零的长度需大于一个码字的长度。