CN108955733A - 一种基于组合脉冲编码提高botda***信噪比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CCPONS和Walsh组合脉冲编码的提高BOTDA***信噪比的方法,属于分布式光纤传感领域。由激光器、耦合器、电光调制器、微波信号源、直流电源、掺饵光纤放大器、隔离器、电光调制器、掺饵光纤放大器、脉冲信号发生器、环形器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机组成。通过采用CCPONS编码和Walsh编码技术相结合的方式,在有限的编码长度下大幅提高***信噪比,从而提高测量精度。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感领域,具体涉及一种使用CCPONS和Walsh组合脉冲编码相结合的提高BOTDA***信噪比的方法。
背景技术
基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术的应变测量***因其接收信号强、测量精度高和动态范围大等优点,在石油管道、电力电缆等的温度和应变监测领域得到了广泛应用。在BOTDA***中,脉冲泵浦光从光纤的一端注入,连续探测光从光纤的另一端注入,两束相向传输的光信号在光纤中通过声波发生受激布里渊(SBS)作用,当一束光落在另一束光的布里渊散射谱范围内时,两束光之间发生能量的转移。能量转移最大时两束光的频差等于光纤的布里渊频移,此时连续探测光功率变化最大。通过在不同频差下检测连续光功率的变化即可得到布里渊谱,从而确定光纤的布里渊频移,然后利用布里渊频移与温度或应变的关系,实现沿光纤温度或应变的测量。但是空间分辨率、脉冲宽度、信噪比等衡量***性能的重要指标彼此之间相互制约,脉冲宽度决定分辨率,脉冲越窄,分辨率越高,但同时布里渊增益越弱,信噪比越低。
采用编码可在不改变光源脉冲宽度、强度及***叠加次数的前提下,提高***信噪比。但是单独使用一种脉冲编码技术对***信噪比的提高幅度有限,无法满足***对高信噪比的要求。因此,本发明提出一种将CCPONS和Walsh脉冲编码相结合的技术,并将其应用于BOTDA***,从而进一步提高***的信噪比。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用CCPONS和Walsh脉冲编码相结合的提高BOTDA***信噪比的方法。
本发明所使用的BOTDA应变测量***的结构如图1所示,由激光器、耦合器、电光调制器1、微波信号源、直流电源、掺饵光纤放大器1、隔离器、电光调制器2、掺饵光纤放大器2、脉冲信号发生器、环形器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机组成。
激光器发出的连续光经耦合器一分为二,一路光信号进入经微波信号源和直流电源驱动的电光调制器(Electro-optic Modulator,EOM)1产生移频光信号,此信号由掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)放大后作为探测光进入传感光纤;另一路光信号经编码脉冲驱动的电光调制器2产生泵浦光,由掺铒光纤放大器放大后进入环行器(Circulator)。携带SBS信息的探测光经环形器进入光电检测器,最后由数据采集卡采集,通过解码程序恢复***的单脉冲响应。为了防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路***产生的不良影响,在探测光路加入隔离器(Optical Isolator,OI)。
BOTDA***检测端连续探测光变化量ΔICW与时间t、光频差Δυ的关系为
该式也记作***的单脉冲响应r(t),ICWL为光纤末端(z=L)处入射的探测光强度,α是光纤损耗系数,L是光纤长度,υg为群速度,Δz为由脉冲宽度决定的空间分辨率,gB(ξ,Δυ)和IP(ξ,Δυ)分别为光纤位置处的布里渊增益和脉冲泵浦光强度。
对于BOTDA***来说,布里渊频移分辨率是由信噪比(Signal to NoiseRatio,SNR)决定的,可表示为式中,ΔυB是布里渊线宽。
布里渊频移分辨率直接影响到BOTDA***的温度和应变分辨率,并可表示为
式中,δT、δε分别表示温度和应变分辨率,CυT、Cυs分别表示布里渊频移的温度和应变系数。
可以看出,连续探测光的变化量ΔICW主要与空间分辨率和脉冲泵浦光强度有关。当提高***空间分辨率时,ΔICW减小,SNR减小,从而会降低布里渊频移分辨率。脉冲编码BOTDA***通过向光纤注入脉冲序列,在接收端用数据处理程序恢复单脉冲响应,可以克服空间分辨率和信噪比之间的矛盾,在空间分辨率不变的情况下增加***信噪比,提高温度与应变分辨率。但是单独使用一种脉冲编码技术对***信噪比的提高幅度有限,无法满足***对高信噪比的要求。因此,本发明提出一种将CCPONS和Walsh脉冲编码相结合的技术,并将其应用于BOTDA***,从而进一步提高***的信噪比。
CCPONS码是由一对互补序列组成的两行两列矩阵开始,经过行列附加得到的2m×2m阶(m为正整数)矩阵。矩阵的每一行都存在另一行与之形成一对互补序列。由正交矩阵产生的互补相关正交序列为:
cm(K)=Ak,Bk,Ck,Dk
={a(m-1)K,b(m-1)K},{a(m-1)K,-b(m-1)K},{b(M-1)K,a(m-1)K},{-b(m-1)K,a(m-1)K}
式中,K的值为1,2,3,…,2m-2。
设标准正交相关序列Ak,Bk,Ck,Dk的长度为n,则它们的互相关函数之和为式中,“★”表示相关运算。
由于CCPONS码是一种双极性码,需将原来四组双极性CCPONS码通过偏置分成八组单极性脉冲序列。通过以下方法得到四组单极性码:
式中,A0、B0、C0、D0表示“+1”。
其相应的四组互补码采用以下方式获得:
八组单极性CCPONS码用于BOTDA***中,产生相同码型的光脉冲进入传感光纤,然后分别检测与之相应的八组响应信号
对其进行解码,得到***最终的响应:
式中,“”表示卷积运算,Ci(t)为已调制的泵浦信号,n为码长。
通过计算得CCPONS码BOTDA***的编码增益即信噪比改善量为:
Walsh码可由Hadamard矩阵的行或列映射构成,码的种类等于码的长度。
一阶Hadamard矩阵为:
H1=(1)
二阶Hadamard矩阵为:
N阶Hadamard矩阵可以由以下递推公式构成:
其中,N=2m,m=1,2,3,…
用W(0)表示Walsh序列0,即Hadamard矩阵的第一行,W(k)表示Walsh序列k即Hadamard矩阵的第k+1行。N阶Walsh函数(N=2n,n=0,1,2……)对应于Walsh序列W(0),W(1),...,W(N-1),每个Walsh序列的长度均为N。
Walsh码具有理想的正交性,即自相关函数Ra(0)=1,互相关函数Rc(0)=1。
由于Walsh码是一种双极性码,与CCPONS码类似,需将原来四组双极性Walsh码通过偏置分成八组单极性脉冲序列。八组单极性Walsh码用于BOTDA***中,产生相同码型的光脉冲进入传感光纤,然后分别检测与之相应的八组响应信号,对其进行与CCPONS码类似的解码操作。
Walsh码BOTDA***的编码增益即信噪比改善量为
用CCPONS和Walsh组合脉冲编码调制泵浦光的示例如图2所示。将4位Walsh码的每个元素与4位CCPONS码的每个元素相乘,该乘法产生由两编码组合的16位编码。
组合编码在BOTDA***中的解码过程如图3所示。将探测到的16路信号分成4组,每4路回波信号为1组。先分别对每组信号进行CCPONS解码,得到1组输出响应,再将解码得到的4组响应信号通过Walsh解码后获得最终的输出响应R(t)。
设每路光信号注入被测光纤中受到的噪声干扰均方值为σ2,信号经CCPONS解码后***噪声减小为σ2/GC 2,再经Walsh解码后***噪声减小为σ2/(GCGW)2。通过计算得CCPONS码和Walsh码结合后BOTDA***的编码增益即信噪比改善量为:
本发明的有益效果是:将CCPONS和Walsh组合脉冲编码引入到BOTDA***中,能在有限的编码长度下大幅提高***信噪比,从而提高传感距离。
附图说明
图1是BOTDA应变测量***示意图;
图2是用CCPONS和Walsh组合脉冲编码调制泵浦光的示例;
图3是CCPONS和Walsh组合脉冲解码过程示意图;
图4是单脉冲工作方式下的***响应曲线;
图5是单独采用4阶CCPONS编码时对应的***响应曲线;
图6是单独采用4阶Walsh编码时对应的***响应曲线;
图7是采用4阶CCPONS和4阶Walsh组合编码时对应的***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,激光器的波长范围为1510nm-1630nm,设定波长为1550nm;调制器1、调制器2均为Photline公司的MXAN-LN-40,带宽为32GHz;直流偏压为9V;放大器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;微波信号源为安捷伦公司的8257D;安捷伦公司的脉冲码型信号发生器,型号为81134A,频率范围为15MHz~3.35GHz;光电探测器为泰克公司的SD-48,带宽为35GHz;传感光纤为长飞光纤光缆有限公司的光纤,受激布里渊增益线宽为40MHz,布里渊频移量,长度为300米;光隔离器的隔离度大于40dB;数据采集卡为NI公司的PCI-5114数据采集卡,采样频率为100MSPS。
Claims (7)
1.一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于:由激光器、耦合器、电光调制器(1)、微波信号源、直流电源、掺饵光纤放大器(1)、隔离器、电光调制器(2)、掺饵光纤放大器(2)、脉冲信号发生器、环形器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机组成;激光器发出的连续光经耦合器一分为二,一路光信号进入经微波信号源和直流电源驱动的电光调制器(1)产生移频光信号,此信号由掺铒光纤放大器放大后作为探测光进入传感光纤;另一路光信号经编码脉冲驱动的电光调制器(2)产生泵浦光,由掺铒光纤放大器放大后进入环行器;携带SBS信息的探测光经环形器进入光电检测器,最后由数据采集卡采集,通过解码程序恢复***的单脉冲响应,在探测光路加入隔离器。
2.如权利要求1所述的一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于激光器的波长范围为1510nm-1630nm。
3.如权利要求1所述的一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于调制器(1)、调制器(2)的带宽为32GHz。
4.如权利要求1所述的一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于:通过采用CCPONS编码和Walsh编码技术相结合来提高BOTDA***的性噪比,进而提高测量精度。
5.如权利要求1所述的一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于:CCPONS码是由一对互补序列组成的两行两列矩阵开始,经过行列附加得到的2m×2m阶矩阵,m为正整数,矩阵的每一行都存在另一行与之形成一对互补序列。
6.如权利要求1所述的一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于:Walsh码可由Hadamard矩阵的行或列映射构成,码的种类等于码的长度。
7.如权利要求1、5或6任一一项所述的一种基于组合脉冲编码提高BOTDA***信噪比的方法,其特征在于:通过采用适当码长的CCPONS码和Walsh码结合后对泵浦光进行脉冲编码,然后对在数据处理端采集到的数据进行组合解码,从而提高***的性噪比进而提高测量精度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181207 |
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