CN108603773A - 基于布里渊散射的光电分布式测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于数字地处理由基于布里渊散射的光电分布式测量装置生成的信号的方法，所述装置包括：连续波光源(1)；耦合器(2)；声光调制器(3)；待测试的光纤(5)，使得光纤作为响应通过自发的布里渊反向散射发射频率νF等于νp‑νBz的信号，其中，νBz是在所述光纤(5)的每个点z处待测量的布里渊频率；本地振荡器(16)，发射旨在与由待测试的所述光纤(5)通过布里渊反向散射发射的所述响应信号混合的另一个光信号；检测模块(9)，能够检测所述光纤的每个点z处的所述布里渊频移νBz；以及处理模块，允许该布里渊频移νBz在所述光纤的每个点z处与温度值或变形值关联。本地振荡器(16)包括参考光纤(18)，该参考光纤具有与待测试的光纤(5)的布里渊频率相同或接近的布里渊频率，所述参考光纤(18)响应于由所述光源(1)发射的连续波光信号而通过自发的布里渊反向散射发射信号，所述布里渊反向散射信号以频率νOL＝νΟ‑νBRef发射，其中，νBRef是没有变形且处于参考温度的参考光纤的布里渊频率。根据本发明，通过应用矩形、或Hamming或Hann、或Blackman‑Harris、移动窗，将对应于由待测试的光纤(5)生成的反向散射信号与由参考光纤(18)生成的反向散射信号之间的差拍的信号数字化并且将数字化的信号切成多个片段，每个片段的宽度等于注入到待测试的光纤(5)中的脉冲信号的半脉冲的时间宽度，该宽度以对应于待测试的所述光纤(5)的坐标点z的时间t为中心。
Description
技术领域
本发明涉及基于光纤中的布里渊散射使用单个激光频率生成光脉冲的光电分布式测量装置。这种类型的装置还称为基于布里渊反向散射的分布式光纤传感器。
这种装置用于在土木工程或石油工业中永久控制***和结构的完整性和安全性。具体地，它们用于监测线性工件，诸如，桥梁、水坝、液压土堤或者用于运输流体(水、碳氢化合物、气体)的网络，以便控制地面运动(滑动、下沉)或者埋设管或非埋设管的应变。光纤沿着待监测的工件布置并且光信号注入到所述光纤中。然后通过光纤反向散射的光信号允许推断该工件的结构状态。
背景技术
更具体地，基于布里渊散射的这些光电分布式测量装置用于实时测量大型基础设施的温度或应变以便监测它们的结构健康并确保它们的维护。它们利用每次测量提供在连接至它们的光纤的每个点处的温度和应变信息。这些测量通常在几米至几十千米的范围以及米制甚至厘米制的分辨率执行。因此，例如，可以在长度为20千米的工件上每一米执行一次测量。
使用布里渊反向散射现象的这种装置是已知的并且该装置用于土木工程中的温度和应变测量应用。
布里渊频率νB线性地依赖于材料中的温度和应变。因此入射波与反向散射波之间的频移ΔνB根据等式：ΔνB＝CTΔT+Cεε随着温度变化ΔT和应变变化ε而变化，其中，CT和Cε分别是特定于所使用的光纤的温度和应变灵敏系数。在波长λ0＝1550nm并且针对如ITU-G652标准(诸如，-SMF-28TM光纤)定义的标准光纤，该系数处于约CT≈1MHz/℃和Cε≈0.05MHz/με。
为了能够利用米制空间分辨率分析数十千米内的强度变化，测量***通常使用光时域反射仪OTDR(“光时域反射仪”的英语缩写)。OTDR在于在待分析的光纤中传播光脉冲并且测量作为时间函数的返回强度。检测反向散射的光所需要的时间允许定位待测量的事件(沿着光纤的点z的坐标)。然后空间分辨率是光脉冲的宽度的函数：例如，宽度为10ns的脉冲导致约1m的分辨率。
由于布里渊反向散射现象与OTDR技术组合，因此在几十千米内沿着整个光纤以米制甚至厘米制的分辨率执行温度和应变测量。
沿着光纤的测量利用如图1中示意性地示出的装置来执行。来自光源1的光(例如，激光)分布到两个臂中。其中称为“泵”的一个臂允许将光信号以脉冲形式通过声光调制器3发送到待测试的光纤5中。信号根据布里渊现象由光纤5反向散射。根据布里渊现象，由构成光纤的材料(通常，二氧化硅)反向散射的光的谱分量具有与入射光波的频率ν0偏移的频率νBz。对于波长λ0＝1550nm的入射波，布里渊频移通常约为11GHz。这样的频率非常高。为了能够对反向散射信号执行处理，可以将频率转置为较低频率以便减小待使用的检测器的带宽并且因此消除大部分噪声。至为此，例如如在文献US 7,283,216中所描述的，进行外差检测。外差检测在于将待分析的反向散射信号与来自被称为“本地振荡器”6的另一臂的波重新组合。例如，这个本地振荡器6可以是布里渊环形激光器的形式。在这种情况下，频率为ν0的连续光信号被引导至循环器7，循环器作为回报将其引导至参考光纤。这个参考光纤通过放大自发散射而在相反方向上发射频率为ν0-νBref的辐射，循环器将该辐射发送至耦合器13。后者将一部分能量发送至输出信号，同时将另一部分重新引导至参考光纤，在参考光纤处，该辐射通过受激布里渊散射以增益因子G放大，然而被重新引导至循环器7，该循环器将放大的辐射发送回耦合器13并输出。本地振荡器6然后形成受激布里渊散射放大环。光电检测器9允许恢复两个信号的差拍(beat)。恢复的差拍然后被放大，并然后被传输到电频谱分析仪10。
在文献US 7,283,216中更具体地描述了这种基于光纤中的布里渊散射使用单个激光频率生成光脉冲的光电分布式测量装置。根据这个文献的装置允许实时执行同时的温度和应力测量。外差检测器允许恢复来自本地振荡器的信号与由待分析的光纤反向散射的信号之间的差拍，该差拍在模拟接收器可使用的频带中。在这个文献中使用的本地振荡器由布里渊环形激光器形成并且需要电路是相干的，就是说回波与入射波同相。因此必须控制和调节参考光纤的长度以及激光频率使得本地振荡器的腔提供正确的频率ν0，以便允许通过待测试的光纤反向散射的信号的频率转置为较低频率。因此在这个文献中描述的装置实现起来是复杂的，因为它需要预先检查以便避免对返回信号产生干扰。此外，该检测是模拟外差检测，需要使用相对大量且消耗能量的模拟电子部件。
文献CA 2,274,505描述了用于准确且同时地测量沿着整个光纤的温度和应力变化的装置和方法，光纤本身沿着工件布置，该工件的结构被监测。然而，所描述的装置实现起来是复杂的。实际上，分析检测到的信号是复杂的，这是因为不仅需要考虑布里渊反向散射现象而且需要考虑另一个瑞利反向散射现象。包括扫描滤光器的光学检测器允许解析瑞利峰和布里渊峰并且将光信号转换为电信号，然后由模拟处理装置处理电信号。沿着光纤的每个点处测量温度和应力变为确定比光脉冲重复率更慢的滤光器的扫描速率，作为时间函数测量布里渊线相对于瑞利线的振幅和频率，并且然后与参考光纤进行比较。此外，这个文献中描述的装置执行直接光学检测而不是外差检测。此外，这种装置提供通过使用扫描滤光器引起的低频分辨率。
通常情况下，其结构待分析的土木工程工件与所有人类活动隔离并且因此与所有电气网络隔离。在这种情况下，为了监测所有或部分工件，能量自主测量***是必需的。基于布里渊散射的现有的分布式测量装置不允许自主的和低能耗的操作。因此，它们必须放置在通常互相远离数百千米的技术场所附近。由于这个距离大于这些装置的最大范围，因此部分土木工程工件不能由基于布里渊散射的现有的分布式测量装置连续监测。
此外，现有***的另一个缺点是测量的持续时间，因为这个持续时间很长。实际上，对于10km的光纤，测量持续时间通常大于1分钟。
文献JP 2010 217029 A(D1)被认为是最接近的现有技术的状态。然而，这个文献描述了与本发明中提供的方法不同的处理方法。本发明中提供的方法基于不同的原理，该原理允许相对于最佳可能的空间分辨率优化计算时间。
技术问题
因此，本发明旨在克服现有技术的缺点。具体地，本发明的目的是提供基于布里渊散射的简单且紧凑的光电分布式测量装置，该装置的光电配置允许相对于现有装置来说消耗的电能显著减少，使得可以例如从电池以通常12或24伏特的低电压供电。
根据本发明提供的装置包括比以上描述的现有***更少的元件，并且其在能量方面是自主的，从而允许具有适合于由脚踏操作员进行干预或者不定期测量的便携式装置。此外，该装置从光电检测器的输出实现数字信号处理。接下来的信号处理在光谱级数字化地进行而不是直接对信号进行。因此，与现有技术的***的测量持续时间相比，测量的持续时间相对短。通常，对于10km的光纤，测量的持续时间从1秒至几秒。
因此，根据本发明，数字处理方法允许处理来自基于布里渊散射的所述光电分布式测量装置的信号并且包括计算相对于沿着待测试的光纤的位置的温度或应变值所需的步骤。这个处理从由光电装置的光电检测器检测的信号来执行并且具体地包括执行将数字化信号切成多个片段，片段的宽度等于注入到待测试的光纤中的脉冲信号的半脉冲的时间宽度。
发明内容
本发明的主题是用于数字处理来自基于布里渊散射的光电分布式测量装置的信号的方法，该装置包括：发射第一频率ν0的连续光信号的连续光源(1)，能够将连续光信号分为分布到两个臂中的两个相同的信号的耦合器(2)，第一臂包括用于生成频移脉冲的包括至少一个声光调制器(3)的装置(30)，该声光调制器能够将所述连续信号变换为频率为νp的脉冲信号，该脉冲信号旨在注入到待测试的光纤(5)中使得光纤作为回报通过自发的布里渊反向散射发射频率νF等于νp-νBz的信号，其中，νBz是在所述光纤(5)的每个点z处待测量的布里渊频率，并且第二臂形成本地振荡器(16)，该本地振荡器发射旨在与由待测试的所述光纤(5)通过布里渊反向散射发射的所述返回信号混合的另一个光信号，以允许降低所述返回信号的频率，使得检测模块(9)能够检测所述光纤的每个点z处的所述布里渊移频νBz，并且使得处理模块(12)能够将所述光纤的每个点z处的该布里渊移频νBz与温度值和应变值关联，其中，本地振荡器(16)包括参考光纤(18)，该参考光纤具有与待测试的光纤(5)的布里渊频率相同或接近的布里渊频率，所述参考光纤(18)响应于在所述第二臂中由所述光源(1)发射的所述连续光信号而通过自发的布里渊反向散射发射信号，布里渊反向散射的信号以频率νOL＝ν0-νBRef发射，其中，νBRef是没有应变且处于参考温度的所述参考光纤的所述布里渊频率；其特征在于，该过程包括以下步骤：
a)将对应于来自待测试的光纤(5)的反向散射信号与来自参考光纤(18)的反向散射信号之间的差拍并由光电检测器(9)检测的信号进行数字化，
b)通过应用矩形、或Hamming、或Hann、或Blackman-Harris窗类型的滑动时间窗将所述数字化信号切成多个片段(T1...Ti...TN)，每个片段的宽度等于注入到待测试的光纤(5)中的脉冲信号的半脉冲的时间宽度，每个片段的宽度进一步以对应于待测试的所述光纤(5)的坐标点z的日期t为中心，
c)通过使用快速傅里叶变换FFT算法，计算所述数字化信号的每个片段(T1...Ti...TN)的频谱；
d)重复步骤a)、b)和c)并且对针对待测试的所述光纤的每个点z获得的谱求平均；
e)使用在先前步骤中获得的结果，绘制测量的作为反向散射往返时间tz的函数的分布式频率变化的曲线，
f)对获得的所述测量的分布式频率变化曲线一方面应用温度灵敏系数，并且另一方面应用应变灵敏系数，以便分别获得在温度分布式测量方面的结果或者在应变分布式测量方面的结果。
根据该方法的其他特征：
-有利地，由GPU(图形处理单元)类型的图形处理器执行数字处理，因为这个算法是可高度并行化的，即对不同的信号部分多次执行相同的计算。
-所使用的参考光纤具有与待测试的光纤的布里渊频率相同的布里渊频率或其频率接近于待测试的光纤的频率，即具有小于50MHz的频率偏差，并且优选地是小于20MHz的偏差。
-差拍的带宽被限制为小于1GHz，优选地小于500MHz，并且优选地在以200MHz为中心的频带中，通过光电检测器能够检测来自待测试的光纤的反向散射信号与来自参考光纤(18)的反向散射信号之间的所述差拍，
-数字化信号是通过所述光电检测器检测到的差拍信号，该数字化由模数转换器执行
-由参考光纤中的布里渊散射提供的光强噪声通过布置在耦合器与光电检测器之间的低频电滤波器消除。
-脉冲在频率上以由声光调制器执行的大于100MHz的频移偏移，并且优选地是200MHz至300MHz的偏移。
-基于布里渊散射的光电分布式测量装置在板上，它的电源是来自电池的低压电源，通常为12或24伏特。
-该装置在本地振荡器的输出处执行10GHz或小于10GHz的带通光学滤波，以仅让频率ν0-νBRef通过。
-该装置允许在本地振荡器的输出处进行偏振扰频，随后是用于设置本地振荡器的信号电平的可变衰减。
为此，基于布里渊散射使用的光电分布式测量装置包括：发射第一频率ν0的连续光信号的连续光源，能够将所述连续光信号分为分布到两个臂中的两个相同的信号的耦合器，第一臂包括用于生成频移脉冲的包括至少一个声光调制器的装置，该声光调制器能够将所述连续信号变换为频率为νp的旨在注入到待测试的光纤中的脉冲信号，使得光纤作为回报通过自发的布里渊反向散射发射频率νF等于νp-νBz的信号，其中，νBz是在所述光纤的每个点z处待测量的布里渊频率，并且第二臂形成本地振荡器，该本地振荡器发射旨在与由待测试的所述光纤通过布里渊反向散射发射的所述返回信号混合的另一个光信号，以允许降低所述返回信号的频率，使得检测模块能够检测所述光纤的每个点z处的所述布里渊移频νBz，并且使得处理模块能够将所述光纤的每个点z处的该布里渊移频νBz与温度值和应变值关联。所述装置的本地振荡器包括参考光纤，该参考光纤具有与待测试的光纤的布里渊频率相同或接近的布里渊频率，所述参考光纤响应于在所述第二臂中由所述光源发射的所述连续光信号而通过自发的布里渊反向散射发射信号，所述布里渊反向散射的信号以频率νOL＝ν0-νBRef发射，其中，νBRef是没有应变且处于参考温度的参考光纤的布里渊频率。
因此，当使用具有布里渊环形激光器配置的本地振荡器时，所使用的装置允许消除所有必需的预先检查。实际上，在根据本发明的配置中，由参考光纤发射的返回信号是放大的自发散射信号，而不是激光类型腔中的谐振的产物(其将大大依赖于腔的精确长度，难以根据诸如温度的影响参数进行控制)。
根据该装置的其他可选特征：
-参考光纤具有与待测试的光纤相同的布里渊频率或者其频率接近待测试的光纤的频率，即具有小于50MHz的频率偏差，并且优选地小于20MHz的偏差。
-根据本发明的装置进一步包括：
·耦合器，具有用于接收循环器的输出处的反向散射信号和来自本地振荡器的信号并且将它们混合的至少两个入口，
·布置在耦合器的入口的上游的偏振扰频器，在一方面，检测模块包括光电检测器和模数转换器，光电检测器将带宽限制为小于1GHz、优选地小于500MHz、并且优选地在以200MHz为中心的频带中，光电检测器能够检测来自待测试的光纤的反向散射信号与来自参考光纤的反向散射信号之间的差拍，并且模数转换器能够将由所述光电检测器检测到的所述差拍数字化。
-该装置还包括布置在光电检测器之后的低频电滤波器。这个滤波器允许减小低频噪声并且因此改善信噪比，
-声光调制器，具有大于100MHz的频移，并且优选地200MHz至300MHz的偏移。
-处理模块，是能够使用快速傅里叶变换(FFT)算法计算待测试的所述光纤的每个点z处的布里渊频率、并然后对针对所述光纤的每个点z的频域中获得的谱求平均以便确定沿着所述光纤的频率变化的分布式测量的数字处理模块。
-该装置有利地在板上并且从电池以通常12或24伏特的低电压供电。因此，该装置是易于便携的并且可以用于由脚踏操作员执行的操作或不定期测量。
附图说明
在参考附图阅读以说明性和非限制性实例的方式给出的以下描述时，本发明的其他优点和特征将显现出来，在附图中：
图1已经描述了根据现有技术的基于布里渊反向散射的光电分布式测量装置的示图，
图2是根据本发明的基于布里渊反向散射的光电分布式测量装置的示图，
图3A至图3E是在用于数字地处理数字化信号的方法的每个步骤中获得的、在将由测试中的光纤和由参考光纤反向散射的信号重新组合之后获得的时间或谱轨迹。
图4A至图4C示出了由本发明的装置执行的实际测量，
图5示出了在长度约250m的光纤上的一组布里渊散射谱。
图6示出了分布式测量结果，也就是图5的谱的一组最大值。
图7示出了待测试的光纤5的反向散射谱。
图8示出了本地振荡器(OL)16的反向散射谱，其中示出了用频带小于10GHz的滤光器进行的滤波。
图9示出了来自本地振荡器16的反向散射信号与待测试的光纤5的反向散射信号之间的差拍谱。
具体实施方式
下文中的待测试(或测试中)的光纤指的是沿着待监测的工件布置并允许执行分布式测量的光纤。
参考光纤指的是具有与测试光纤的布里渊频率相同或接近的布里渊频率的光纤。术语具有接近的布里渊频率的光纤指的是其布里渊频率相对于测试光纤的布里渊频率的频率偏差小于50MHz、并且优选地偏差小于20MHz的光纤。
测量的持续时间指的是***以标称精度(就应变或温度而言)显示测量所需要的时间。这个持续时间包括以下两点：
·获取时间，
·***的计算时间(傅里叶变换，求平均...)
本发明总体上涉及基于光纤中的布里渊散射的光电分布式测量装置。更准确地，本发明涉及允许其功率消耗及其体积减小的装置的光电配置。
使用由这个装置返回的测量致力于优化土木工程工件的维护。沿着光纤的连续测量保证了检测到使用隔离的和局部化测量的另一个方法不能检测到的事件。土木工程工件中的结构无序的早期检测允许在进一步劣化之前进行干预。相反地，缺乏检测可以允许延迟例行维护操作，如果该操作不是必需的话。在这两种情况下，基于布里渊反向散射的这种光电分布式测量装置允许操作员实现对于土木工程工件的维护的显著节约。
更具体地，图2示意性地示出了根据本发明的基于光纤中的布里渊反向散射的这种光电分布式测量装置的配置。图1中的相同参考标号用于指代相同的元件。根据本发明的装置还包括发射连续光信号的光源1。这个光源1有利地由使用布拉格光栅的激光器、优选地DFB(“分布式反馈”的英语缩写)激光器来体现。在对应频率ν0处，发射波长λ0优选地等于1550nm。所发射的光波的线路以发射波长λ0为中心并且它的宽度最多为1MHz。激光器1在将其连接至耦合器2的光纤中发射通常约为20mW的中等功率的连续光信号。耦合器2允许将通过激光器1发射的入射光信号分为分布到装置的两个臂中的两个相同的信号。
还称为“泵”的第一臂包括用于生成频移脉冲的装置30。这个装置30包括至少一个声光调制器3。如有必要，它还可以包括提供增益的一个或多个放大器。声光调制器3将频率为ν0的连续信号变换为频率为νp＝ν0+νA的脉冲信号，其中，νA是特定于调制器3的频率，并且通常大于或等于100MHz并且小于或等于500MHz，优选地约为200MHz。因此生成的脉冲的时间宽度在10ns与50ns之间，优选地为20ns。脉冲信号然后被引导至循环器4，循环器4然后将脉冲信号注入到待测试的光纤5中，在该光纤5上必须执行分布式测量。当脉冲信号通过时，光纤5在相反方向上发射频率为νF＝ν0+νA+νBz；以及ν0+νA-νBz的自发的布里渊反向散射信号，其中，νBz为在沿着光纤5的每个坐标点z处待测量的布里渊频率。图7的示图示出了待测试的光纤5的反向散射谱。这个反向散射信号由循环器4朝向耦合器8引导，在耦合器处该反向散射信号与来自形成装置的第二臂的本地振荡器的信号重新组合。
本地振荡器16有利地包括将频率为ν0的入射的连续光信号从激光器1引导到参考光纤18中的循环器17。这个参考光纤18有利地与测试中的光纤5相同。参考光纤18没有遭受任何应变。它被放置在参考温度下，通常在18与25℃之间，优选地在约为20℃的温度下。这个参考光纤18还允许响应于从光源1发出的连续信号而发射布里渊反向散射信号，使得本地振荡器16允许将入射频率ν0变换为频率νOL＝ν0-νBref，其中，νBref表示参考光纤18的布里渊频率，并且该布里渊频率与来自测试中的光纤5反向散射的信号的频率νBz处于相同的频率范围中。图8中的示图示出了本地振荡器(OL)16的反向散射谱，其中示出了用频带小于10GHz的滤光器进行的滤波。图2中示意性地示出的连接器40的ν0处的噪声谱也可以在这个图8中看到。参考光纤18的布里渊频率因此处于11GHz附近的频率范围中，通常在10.5与11.5GHz之间。本地振荡器16的循环器17然后将反向散射信号发送至耦合器8以便将其与来自测试中的光纤5的反向散射信号进行混合。有利地，在循环器的输出处进一步提供了10GHz或小于10GHz的通带滤光器20，其仅允许频率ν0-νBref通过并且切断频率ν0，以便避免测试中的光纤中在ν0+νA处的瑞利散射与图2中的参考标号40代表的连接上的频率ν0处的低反射之间、参考光纤18与装置之间的差拍。这因此允许消除噪声源。这个滤光器20是可选的。实际上，用于形成连接的光学接头使连接点40也可以减小这个噪声，但是实际上消除了改变参考光纤并且因此改变频率νBref的可能性。
因此在耦合器8中将来自测试中的光纤5的信号与来自参考光纤18的信号重新组合。在耦合器8的输出处获得包含来自测试中的光纤5与来自本地振荡器16的参考光纤18的信号之间的差拍的信号。图9示出了来自本地振荡器16的反向散射信号与来自待测试的光纤5的反向散射信号之间的差拍谱。较低频率的这个差拍由于使用带宽小于1GHz、优选地为500MHz的光电检测器9而可被电子检测。因此，在光电检测器9的输出处获得与以频率νBatt＝νA+(±νBz+νBref)检测到的差拍对应的电信号。该差拍具有低于入射信号的频率，因为来自光源1的频率ν0被消除。通常，该差拍具有低于500MHz的频率，并且优选地在200MHz附近，对应于特定于声光调制器3的频率的数量级。因此，νA+(+νBz+νBref)为20GHz附近并且因此在频带外，较低频率νA+(νBref-νBz)的差拍在200MHz频带中并且在进一步处理中使用。
有利地，该装置还包括布置在光电检测器(光电二极管)之后的低频电滤波器21。这个滤波器允许减少低频噪声并且因此改善信噪比。
然后通过模数转换器模块11对所获得的差拍信号进行数字化。然后通过数字处理模块12对其进行处理。
根据本发明的本地振荡器16的有利配置允许当使用布里渊环形激光器时消除所有必要的预先检查，以便避免信号干扰(由激光腔不稳定性导致的)。还允许将由光电检测器待检测的频率减小至小于500MHz，并且更具体地，在以200MHz为中心的频带中。因此该光学配置允许通过将带宽限制为小于1GHz而不是11GHz，优选地限制为500MHz，来增加光电检测器9的效率。
对于数字处理模块12，有利地，例如通过已知英语缩写为FPGA(“现场可编程门阵列”)的逻辑集成电路使用快速傅里叶变换FFT算法。因此允许直接计算测试中的光纤5的坐标z的每个点处的布里渊频率。数字处理模块12进一步允许一旦完成快速傅里叶变换FFT算法的应用就对针对所述光纤的每个点z在频域中获得的谱求平均，以便确定沿着测试中的所述光纤5的频率变化的分布式测量。
在可替换的实施方式中，可以在本地振荡器16的输出处提供偏振扰频器，后面是用于消除装置对偏振的灵敏度并且设置本地振荡器的信号电平以便更好地适合于光电二极管的灵敏度的可变衰减器。偏振扰频器和衰减器由虚线示出的框50表示。
通过图3A至图3E的实验和说明更具体地示出了对数字化信号执行的数字处理的各种步骤，图3A至图3E表示在用于数字处理数字化信号的方法的每个步骤中获得的、在将由测试中的光纤和由参考光纤反向散射的信号的重新组合之后获得的时间和谱轨迹。
图3A示出了模数转换器11的输出处的数字化信号。
由数字处理模块12执行的数字处理的第一步骤在于将数字化信号切为片段。通过在信号上应用滑动时间窗来执行切为片段。优选地，通过矩形、或Hamming、或Hann、或Blackman-Harris窗执行窗口化。图3B中示出了数字化信号的切割，由参考标号T1标识待处理的第一片段，并且由参考标号TN标识片段N，待测量的事件的区域位于该片段N中。每个片段的宽度等于注入到待测试的光纤5中的脉冲信号的半脉冲的时间宽度。每个片段T1...Ti...TN进一步以对应于待测试的所述光纤的坐标点z的日期t1...ti...tN为中心。因此，对于光纤5上的坐标位置z，z＝ν.tz，其中，ν＝c/(2.n)，其中，n是光纤的折射率，c是光速，ν是光波的频率，并且时间tz然后对应于从脉冲的起点计数到测量点z的脉冲的往返时间(z)。
两个测量点之间的偏差可以小到1个采样单元(间隔的滑动)。然而，2个独立测量之间的偏差(空间分辨率)被认为等于脉冲的半宽度。因此，2个独立测量点z(t1)、z(t2)之间的偏差等于半脉冲的宽度。
然后，数字处理的第二步骤在于通过使用快速傅里叶变换FFT算法计算所述数字化信号的每个片段T1...Ti...TN的谱。因此，针对数字化信号的每个片段T1...Ti...TN获得频谱。图3C中示出了针对图3B中切割的信号的片段T1和TN的这种频谱。这些频谱允许获得差拍νBatt＝νA+(νBref-νBz)的频率并且确定对应于每个片段T1...Ti...TN的差拍的最大频率。第三步骤在于重复头两个切割步骤并且使用快速傅里叶变换算法，并且对结果求平均以便获得可解释的谱，就是说可以确定谱的最大值。这是关于FFT曲线求平均以尽可能准确地确定最大值。例如，使用高斯或洛伦兹调节算法。这个步骤可以看作是可选的，但是由于处理过的信号是有噪声的，因此在实践中是必要的。
然后，数字处理的第四步骤在于根据光纤5的不同点的z坐标确定对应于调节算法的结果的最大值的频率位置，并且绘制沿着整个光纤5的频率变化分布式测量的曲线。图3D中示出了这种曲线，在图3D中示出了对应于图3B的片段TN的事件区域的持续时间t＝500ns的频率变化。
最后，数字处理的最后一个步骤在于分别应用特定于光纤5的温度CT和应力Cε的灵敏系数，以便分别获得在温度和应变分布式测量方面的结果。图3E示出了在为了获得沿着整个光纤的应变ε分布式测量而应用应变灵敏系数Cε之后获得的曲线。因此，在这个曲线中，可以看出所分析的光纤在对应于500ns的持续时间t的点z处变形了680μm/m。应变灵敏系数Cε通常是0.05MHz/(μm/m))并且温度灵敏系数CT通常是1MHz/℃。
图4A至图4C示出了使用本发明执行的实际测量。
图4A示出了在光电检测器的输出处直接获取的时间轨迹。图4A具有随机调制(与图3A的说明相反)，但是如图4B所示，包含对应于布里渊散射的准正弦分量。图4C示出了在图4B中示出的时间部分的平均谱，如说明性图2C中描述的。图5示出了在长度约250m的光纤上的一组布里渊散射谱。图6示出了分布式测量结果，也就是图5的谱的一组最大值。
所使用的光纤是单模光纤，通常为G652SMF-28TM类型的光纤，具有通常为1.45的指数、9μm的核心直径、125μm的光学护套、250μm的机械护套。长度可以从小于1km上至大于50km。
本发明允许删除除了光电检测器9之外的所有的模拟电子部件，并且允许它们被数字化器11和数字处理模块12替代。因此，例如，消除由诸如放大器或振荡器的有源模拟部件提供的噪声电平。此外，因为信号处理是完全数字的，因此处理能耗更少并且装置体积更小，使得装置可以在板上。因此可以有利地从电池以通常为12或24伏特的低电压供电。这个电池还可以是例如通过隔热太阳板而可再充电的，其功率要求是约连续的100瓦特。
此外，该装置允许使用数字计算模块12用于针对每个片段执行并行处理，这减少了测量到获取的持续时间，例如针对10km的光纤，将可能具有每秒10,000次的获取，处理器时钟频率为10KHz，并且因此获得10,000个平均值。数字计算模块有利地包括GPU(图形处理单元)类型的图形处理器，以便推断其上可高度并行化的计算。因此，计算与获取并行执行并且测量的持续时间对应于获取时间。与现有技术的装置的获取时间相比，这个获取时间是低的。针对10km的示例性光纤，处理器时钟频率为10KHz，在一秒内执行10,000次获取，允许具有10,000个平均值，然而在现有技术下，针对10km的测量的持续时间大于一分钟。
Claims (9)
1.一种用于数字处理来自基于布里渊散射的光电分布式测量装置的信号的方法，所述光电分布式测量装置包括发射第一频率ν0的连续光信号的连续光源(1)、能够将所述连续光信号分为分布到两个臂中的两个相同的信号的耦合器(2)，第一臂包括用于生成频移脉冲的包括至少一个声光调制器(3)的装置(30)，所述声光调制器能够将所述连续信号变换为频率为νp的脉冲信号，所述脉冲信号旨在注入到待测试的光纤(5)中使得所述光纤作为回报通过自发的布里渊反向散射发射频率νF等于νp-νBz的信号，其中，νBz是在所述光纤(5)的每个点z处待测量的布里渊频率，并且第二臂形成本地振荡器(16)，所述本地振荡器发射旨在与由待测试的所述光纤(5)通过布里渊反向散射发射的所述返回信号混合的另一个光信号，以允许降低所述返回信号的频率，使得检测模块(9)能够检测所述光纤的每个点z处的所述布里渊移频νBz，并且使得处理模块(12)能够将所述光纤的每个点z处的该布里渊移频νBz与温度值和应变值关联，其中，所述本地振荡器(16)包括参考光纤(18)，所述参考光纤具有与待测试的所述光纤(5)的布里渊频率相同或接近的布里渊频率，所述参考光纤(18)响应于在所述第二臂中由所述光源(1)发射的所述连续光信号而通过自发的布里渊反向散射发射信号，所述布里渊反向散射的信号以频率νOL＝ν0-νBRef发射，其中，νBRef是没有应变且处于参考温度的所述参考光纤的所述布里渊频率；其特征在于，过程包括以下步骤：
g)将对应于来自待测试的光纤(5)的反向散射信号与来自所述参考光纤(18)的反向散射信号之间的差拍并被光电检测器(9)检测的信号进行数字化，
h)通过应用矩形、或Hamming、或Hann、或Blackman-Harris窗类型的滑动时间窗将所述数字化的信号切成多个片段(T1...Ti...TN)，每个片段的宽度等于注入到待测试的所述光纤(5)中的所述脉冲信号的半脉冲的时间宽度，每个片段的宽度进一步以对应于待测试的所述光纤(5)的坐标点z的日期t为中心，
i)通过使用快速傅里叶变换FFT算法，计算所述数字化的信号的每个片段(T1...Ti...TN)的频谱；
j)重复步骤a)、b)和c)并且对针对待测试的所述光纤的每个点z获得的谱求平均；
k)使用在先前步骤中获得的结果，绘制测量的作为反向散射往返时间tz的函数的分布式频率变化的曲线，
l)对获得的所述测量的分布式频率变化曲线一方面应用温度灵敏系数，并且另一方面应用应变灵敏系数，以便分别获得在温度分布式测量方面的结果或者在应变分布式测量方面的结果。
2.根据权利要求1所述的数字处理方法，其特征在于，所述数字处理与获取并行地由GPU(图形处理单元)类型的图形处理器执行。
3.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中，所述参考光纤(18)具有与待测试的所述光纤(5)的布里渊频率相同或接近的布里渊频率，即具有小于50MHz的频率偏差，并且优选地是小于20MHz的偏差。
4.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中：
-所述差拍的带宽被光电检测器(9)限制为小于1GHz，优选地小于500MHz，并且优选地在以200MHz为中心的频带中，所述光电检测器(9)能够检测来自待测试的所述光纤(5)的所述反向散射信号与来自所述参考光纤(18)的所述反向散射信号之间的所述差拍，
-所述数字化的信号是由所述光电检测器(9)检测到的差拍信号，所述数字化由模数转换器(11)执行。
5.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中：
--由所述参考光纤中的布里渊散射提供的光强噪声通过布置在耦合器(8)与所述光电检测器(9)之间的低频电滤波器消除。
6.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中：
-脉冲在频率上以由所述声光调制器(3)执行的大于100MHz的频移偏移，并且优选地是200MHz至300MHz的偏移。
7.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中：
-基于布里渊散射的所述光电分布式测量装置在板上，它的电源是来自电池的通常为12或24伏特的低压电源。
8.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中：
-所述装置在所述本地振荡器(16)的输出处执行10GHz或小于10GHz的带通光学滤波，以仅让频率ν0-νBRef通过。
9.根据权利要求1所述的数字处理方法，其中：
-所述装置允许在所述本地振荡器(16)的输出处进行偏振扰频，随后是用于设置所述本地振荡器(50)的信号电平的可变衰减。
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