基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，包括可將激光分束為本振光和泵浦光的第一激光單元、可將激光調(diào)制成可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二激光單元、非同軸多芯光纖及光纖傳感單元，非同軸多芯光纖一端接收第一激光單元的泵浦光，另一端接收正交頻分復(fù)用光信號(hào)，光纖傳感單元分別與第一激光單元和第二激光單元連接。上述基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，采用非同軸多芯光纖取代單模單芯光纖作為傳感光纖，可區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。采用正交頻分復(fù)用光信號(hào)取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測(cè)光，可增加掃描速度，一次性完成多個(gè)頻點(diǎn)的掃描，提高了檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間。還提供了一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法。
【專利說明】基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力系統(tǒng)中，電纜、風(fēng)電設(shè)備等長期暴露在空氣中，容易受到外力及外界環(huán)境變化的影響。如大風(fēng)、地震和冰災(zāi)等將使設(shè)備發(fā)生形變產(chǎn)生弧垂，從而導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，設(shè)備強(qiáng)度下降，造成線路中斷故障。而應(yīng)力對(duì)設(shè)備影響并不能直觀表現(xiàn)出來，一旦應(yīng)力積累到一定程度，造成設(shè)備工作中斷，會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)輸供電的安全。另一方面，在電力系統(tǒng)中，高溫、火災(zāi)也是影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的常見事故，所以溫度在線監(jiān)測(cè)的質(zhì)量同樣對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行舉足輕重。因此，及時(shí)監(jiān)測(cè)和掌握設(shè)備應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而采取有效地預(yù)防措施，對(duì)提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。
[0003]布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，布里淵散射與入射光之間具有一定的頻差，該頻差與溫度和應(yīng)變之間具有良好的線性關(guān)系，同時(shí)與功率與溫度呈正比關(guān)系。光纖作為傳感介質(zhì)，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾以及易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過測(cè)量光纖中的布里淵頻譜可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中溫度和應(yīng)變的分布式傳感，基于光纖布里淵散射的分布式傳感技術(shù)應(yīng)用而生。
[0004]但是，由于光纖中布里淵頻移同時(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，僅由單一的布里淵頻移無法分辨出該頻移是由應(yīng)變還是由溫度引起，使得這種傳感技術(shù)的實(shí)用場(chǎng)合受到了很大限制，這種現(xiàn)象，稱為布里淵散射光纖傳感器的“交叉敏感”問題。
[0005]為了解決這一問題，提出了多種解決方案。例如，通過研究大有效面積非零色散位移光纖的布里淵散射譜與應(yīng)變和溫度的關(guān)系，從而提出的解決布里淵散射光纖傳感器交叉敏感問題的方案。此外，還提出了采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q交叉敏感問題。但是，大有效面積非零散射光纖的使用，系統(tǒng)成本增加，且無法與已鋪設(shè)的光纜融合，且檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間長，測(cè)量精度不高。采用溫度補(bǔ)償法，測(cè)量精度不高，檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，有必要針對(duì)響應(yīng)時(shí)間長、測(cè)量精度不高的問題，提供一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0007]—種基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng),包括:
[0008]可將激光分束為本振光和泵浦光的第一激光單元；
[0009]可將激光調(diào)制成可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二激光單元；
[0010]非同軸多芯光纖，一端接收所述第一激光單元的泵浦光，另一端接收所述正交頻分復(fù)用光信號(hào)；
[0011]可得到所述非同軸多芯光纖纖芯布里淵頻移的光纖傳感單元，分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述本振光和探測(cè)光均輸入所述光纖傳感單元。[0012]在其中一實(shí)施例中，所述第一激光單元包括泵浦激光器、將激光分束的第一光耦合器、進(jìn)行脈沖或隨機(jī)序列調(diào)制的第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器、光環(huán)形器，所述泵浦激光器與所述第一耦合器連接，所述泵浦激光器輸出的激光一束輸入光纖傳感單元，另一束依次通過第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器和光環(huán)形器輸入所述非同軸多芯光纖，所述光環(huán)形器與所述光纖傳感單元連接。
[0013]在其中一實(shí)施例中，所述光環(huán)形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光纖放大器通過第一端口與所述光環(huán)形器連接，所述非同軸多芯光纖一端與所述第二端口連接，所述光纖傳感單元通過第三端口與所述光環(huán)形器連接。
[0014]在其中一實(shí)施例中，所述第一激光單元還包括光濾波器，所述光濾波器的一端與所述光環(huán)形器連接，另一端與所述光纖傳感單元連接。
[0015]在其中一實(shí)施例中，所述第二激光單元包括探測(cè)光激光器、可將激光調(diào)制成正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器，所述探測(cè)光激光器輸出的激光依次通過第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器輸入非同軸多芯光纖。
[0016]在其中一實(shí)施例中，所述第二電光調(diào)制器包括正交頻分復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器和電光調(diào)制裝置，所述正交頻分復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器和電光調(diào)制裝置依次連接，所述探測(cè)光激光器與所述電光調(diào)制裝置連接，所述第二光纖放大器與所述電光調(diào)制裝置連接。
[0017]在其中一實(shí)施例中，所述光纖傳感單元包括光電接收檢測(cè)裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信道估計(jì)裝置和主控顯示設(shè)備，所述光電接收檢測(cè)裝置分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電接收檢測(cè)裝置連接，所述信道估計(jì)裝置與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述主控顯示設(shè)備與所述信道估計(jì)裝置連接和第一激光單元連接。
[0018]在其中一實(shí)施例中，所述光電接收檢測(cè)裝置包括第二光耦合器和光電檢測(cè)器，所述第二光耦合器分別與第一激光單元和第二激光單元連接，所述光電檢測(cè)器與所述第二光耦合器連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電檢測(cè)器連接。
[0019]一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0020]鋪設(shè)非同軸多芯光纖；
[0021]產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，調(diào)制泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，分別輸入泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)于所述非同軸多芯光纖兩端；
[0022]接收并檢測(cè)所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖發(fā)生布里淵散射光信號(hào)的正交頻分復(fù)用光信號(hào)；
[0023]對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移；
[0024]通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
[0025]在其中一實(shí)施例中，所述對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移的步驟，具體包括以下步驟:
[0026]對(duì)檢測(cè)出的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0027]對(duì)正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；[0028]對(duì)串并轉(zhuǎn)換的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行去循環(huán)前綴；
[0029]對(duì)去循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行快速傅氏變換；
[0030]對(duì)快速傅氏變化的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，并得出纖芯的布里淵頻移。
[0031]上述基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)及方法，米用非同軸多芯光纖作為傳感光纖，接收并檢測(cè)光信號(hào)，光信號(hào)包括本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖發(fā)生布里淵散射的光信號(hào)的正交頻分復(fù)用探測(cè)光，然后對(duì)檢測(cè)出的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移，通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
[0032]如此，采用非同軸多芯光纖取代單模單芯光纖作為傳感光纖，可以區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。采用正交頻分復(fù)用光信號(hào)取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測(cè)光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個(gè)頻點(diǎn)的掃描，提高了檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間。采用經(jīng)過調(diào)制的正交頻分復(fù)用光信號(hào)作為探測(cè)光，經(jīng)過正交頻分復(fù)用解調(diào)，得出非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵頻移，降低了系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度，簡化傳統(tǒng)方式中的平均過程，減少了檢測(cè)時(shí)間。此外，正交頻分復(fù)用光信號(hào)傳輸可長距離傳輸，傳送精度高，提高了測(cè)量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為一實(shí)施方式的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為另一實(shí)施方式的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3為一實(shí)施方式的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)的第二電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為一實(shí)施方式的基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法的流程示意圖；
[0037]圖5為一實(shí)施方式的基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法正交頻分復(fù)用電信號(hào)調(diào)制解調(diào)流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
[0039]需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”另一個(gè)元件，它可以直接在另一個(gè)元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個(gè)元件被認(rèn)為是“連接”另一個(gè)元件，它可以是直接連接到另一個(gè)元件或者可能同時(shí)存在居中元件。本文所使用的術(shù)語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。
[0040]除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[0041]如圖1所示，一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，包括可將激光分為兩束的第一激光單元110、可將激光調(diào)制成可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二激光單元120、非同軸多芯光纖130和可得到非同軸多芯光纖130纖芯布里淵頻移的光纖傳感單兀140。第一激光單兀110可將激光分為兩束,一束為本振光,另一束為泵浦光，非同軸多芯光纖130 —端接收第一激光單元110的泵浦光，另一端接收可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)。第一激光單元110和第二激光單元120均與光纖傳感單元140連接，本振光和探測(cè)光均輸入光纖傳感單兀140。
[0042]在本實(shí)施例中，米用非同軸多芯光纖130作為傳感光纖,非同軸多芯光纖130是一種共用外包層，內(nèi)含有多根纖芯，每根纖芯又有自己的內(nèi)包層的光纖。非同軸多芯光纖130可提高成纜的集成密度，同時(shí)也可降低施工成本。
[0043]由于非同軸多芯光纖130纖芯間隔大，互相不發(fā)生光耦合現(xiàn)象，受溫度影響時(shí)，每個(gè)纖芯的布里淵頻移變化相同，而每個(gè)纖芯位置不同，受到應(yīng)力影響時(shí)的布里淵頻移變化不同。因此，可以分辨出布里淵頻移是由溫度還是由于應(yīng)力變化引起，從而解決了布里淵散射傳感的交叉敏感問題。
[0044]第一激光單元110可將激光分為兩束，一束可作為本振光，另一束可作為泵浦光。在其中一個(gè)實(shí)施例中，第一激光單元110可包括泵浦激光器112、第一光耦合器114、第一電光調(diào)制器116、第一光纖放大器118和光環(huán)形器119。泵浦激光器112發(fā)射的激光可作為泵浦光源，第一光耦合器114可將激光分為兩束，第一電光調(diào)制器116可對(duì)泵浦光進(jìn)行脈沖或隨機(jī)序列調(diào)制，第一光纖放大器118對(duì)泵浦光進(jìn)行放大，光環(huán)形器119 一端口與非同軸多芯光纖130連接，另一端口與光纖傳感單元140連接。
[0045]其中，泵浦激光器112輸出的激光經(jīng)過第一耦合器114分為兩束，一束作為泵浦光經(jīng)過第一電光調(diào)制器116脈沖或隨機(jī)序列調(diào)制后輸入第一光纖放大器118放大，再進(jìn)入光環(huán)形器119從而輸入到非同軸多芯光纖130產(chǎn)生布里淵散射,另一束激光作為本振光輸入光纖傳感單元140。
[0046]光環(huán)形器119是一種多端口非互易光學(xué)器件,具有N個(gè)端口，其中N大于等于3, N個(gè)端口形成一個(gè)連續(xù)的通道，可以完成正反向傳輸光的分離。在本實(shí)施例中，光環(huán)形器119包括3個(gè)端口，第一光纖放大器118通過第一端口 1192與光環(huán)形器119連接,非同軸多芯光纖130的一端與第二端口 1194連接，光纖傳感單元140與第三端口 1196連接。如此，當(dāng)泵浦光從第一光纖放大器118進(jìn)入光環(huán)形器119的第一端口 1192，可毫無損失的由第二端口 1194進(jìn)入非同軸多芯光纖130，由于光環(huán)形器119的非互易特性，第三端口 1196沒有光輸出。
[0047]第一光耦合器114為普通光纖耦合器，可以理解的是，在其他實(shí)施例中，第一光耦合器114的耦合比可根據(jù)實(shí)際激光條件和輸出功率的需要進(jìn)行選擇，只要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的目的即可。泵浦激光器112可為端面泵浦固體激光器，也可以為側(cè)面泵浦固體激光器，只要實(shí)現(xiàn)低功耗、性能可靠、壽命長、輸出光質(zhì)量好的目的即可。在本實(shí)施例中，泵浦激光器112采用分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)。第一光纖放大器118為可為慘耳放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)。
[0048]第二激光單元120可將激光調(diào)制成可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)。
[0049]在其中一個(gè)實(shí)施例中，第二激光單元120包括探測(cè)光激光器122、第二電光調(diào)制器124、第二光纖放大器126,探測(cè)光信號(hào)由探測(cè)激光器122輸出后通過第二電光調(diào)制器124、第二光纖放大器126輸入非同軸多芯光纖130另一端。
[0050]探測(cè)光激光器122與第一激光單元110的泵浦激光器112相比有一定的頻差，作為相干光源，普通石英非同軸多芯光纖在常溫?zé)o應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的布里淵頻移約為11GHz，故在本實(shí)施例中，頻差為11GHz，在溫度和應(yīng)變變化時(shí)，根據(jù)布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系即可得出溫度和應(yīng)變的變化信息。
[0051]第二電光調(diào)制器124可將產(chǎn)生正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, OFDM)模擬信號(hào)，并與探測(cè)光激光器122輸出的激光進(jìn)行OFDM調(diào)制，將激光調(diào)制為OFDM光信號(hào)，并經(jīng)過第二光纖放大器126輸入非同軸多芯光纖130的另一端,經(jīng)歷布里淵增益。第二光纖放大器126可為摻耳放大器。需要說明的是，OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其在多個(gè)正交的子載波上傳遞不同的信息符號(hào)，如4一QAM符號(hào)，頻率分辨率為子載波間隔。
[0052]在本實(shí)施例中，第二電光調(diào)制器124可采用馬赫一曾德爾調(diào)制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)，MZM調(diào)制器將輸入光分成兩路相等的信號(hào)分別進(jìn)入調(diào)制器的兩個(gè)支路，這兩個(gè)光支路采用的材料是電光性材料，其折射率隨外部施加的電信號(hào)大小而變化。由于光支路的折射率變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位的變化，當(dāng)兩個(gè)支路信號(hào)調(diào)制器輸出端再次結(jié)合在一起時(shí)，合作的光信號(hào)將是一個(gè)強(qiáng)度大小變化的干涉信號(hào)，相當(dāng)于把電信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成了光信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度的調(diào)制。
[0053]如此，將OFDM模擬信號(hào)與探測(cè)光調(diào)制為OFDM光信號(hào),并最后輸入非同軸多芯光纖130經(jīng)歷布里淵增益。采用OFDM光信號(hào)作為系統(tǒng)中的探測(cè)光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個(gè)頻點(diǎn)的掃描，減少檢測(cè)時(shí)間。此外，采用OFDM技術(shù)可有效對(duì)抗信號(hào)波形的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，通過各子載波的聯(lián)合編碼具有很強(qiáng)的抗衰落能力，可適用于長距離分布式光纖傳感。
[0054]可以理解的是，第二電光調(diào)制器124也可采用其他電光調(diào)制器，只要實(shí)現(xiàn)OFDM光信號(hào)調(diào)制的目的即可。第二光纖放大器126也可采用其他的光纖放大器，只要實(shí)現(xiàn)對(duì)OFDM光信號(hào)放大即可。
[0055]光纖傳感單元140可得到非同軸多芯光纖130纖芯的布里淵頻移，分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，本振光和探測(cè)光均輸入光纖傳感單元140。
[0056]在其中一個(gè)實(shí)施例中，光纖傳感單元140可包括光電接收檢測(cè)裝置142、模數(shù)轉(zhuǎn)換器144、信道估計(jì)裝置146和主控顯示裝置148，光電接收檢測(cè)裝置142分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器144與光電檢測(cè)裝置連接，信道估計(jì)裝置146與模數(shù)轉(zhuǎn)換器144連接，主控顯示裝置148與信道估計(jì)裝置146連接，還與第一激光單元110連接。
[0057]請(qǐng)參閱圖2，在其中一實(shí)施例中，光電接收檢測(cè)裝置142包括第二光耦合器1422和光電檢測(cè)器1424，第二光耦合器1422分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，光電檢測(cè)器1424與第二光稱合器1422連接。第一激光單兀110激光分為兩束,作為本振光的一束輸入第二光稱合器1422,第二激光單兀120通過光環(huán)形器119與第二光稱合器1422連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器144與光電檢測(cè)器1424連接。
[0058]第一激光單元110泵浦光輸入非同軸多芯光纖130，產(chǎn)生布里淵散射，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時(shí)，該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，即布里淵增益，泵浦光與探測(cè)光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。OFDM光信號(hào)作為探測(cè)光輸入非同軸多芯光纖130經(jīng)歷布里淵增益，由于布里淵散射信號(hào)與泵浦光方向相反，OFDM光信號(hào)攜帶布里淵散射信號(hào)經(jīng)過光環(huán)形器119與本振光在第二光稱合器1422稱合進(jìn)入光電檢測(cè)器1424。
[0059]其中，信道估計(jì)裝置146對(duì)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的OFDM光信號(hào)進(jìn)行了 OFDM解調(diào)，以便布里淵散射信號(hào)的數(shù)據(jù)處理。需要說明的是，解調(diào)是從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息的過程，發(fā)送端用所欲傳送的消息對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生攜帶這一消息的信號(hào)，接收端恢復(fù)所傳送的消息才可加以利用。上述檢測(cè)方法采用直接檢測(cè)法，通過OFDM光信號(hào)攜帶布里淵散射信號(hào)，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解調(diào)電路檢出信息，直接檢測(cè)算法使得成本大大降低。
[0060]可以理解的是，光電接收檢測(cè)裝置142也可以是相干接收機(jī)1426，第一激光單元110的本振光輸入相干接收機(jī)1426,第二激光單兀120的OFDM光信號(hào)攜帶布里淵散射信號(hào)經(jīng)過光環(huán)形器119輸入相干接收機(jī)1426。如此，只要實(shí)現(xiàn)接收并檢測(cè)出本振光和攜帶布里淵散射信號(hào)的OFDM光信號(hào)，以及對(duì)OFDM光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的目的即可。上述檢測(cè)方案采用相干檢測(cè)方案，利用光的相干性對(duì)光載波所攜帶的信息信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理，與直接檢測(cè)相比，相干檢測(cè)更容易獲得大的信噪比，可恢復(fù)的信號(hào)種類多，并且頻率選擇性較好，更適合密集波分復(fù)用系統(tǒng)，因此，傳輸過程中誤差小，提高了精確度。此外，相干接收機(jī)1426的靈敏度高，增加了光信號(hào)的無中繼傳輸距離，從而增加了測(cè)量距離。
[0061]模數(shù)轉(zhuǎn)換器144與光電檢測(cè)裝置142連接，信道估計(jì)裝置146與模數(shù)轉(zhuǎn)換器144連接，主控顯示裝置148與信道估計(jì)裝置146連接，還與第一激光單元110連接。如此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器144可將OFDM光信號(hào)轉(zhuǎn)換為OFDM電信號(hào)，信道估計(jì)裝置146通過信道估計(jì)技術(shù)從而得到每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，主控顯示裝置148從而經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出每個(gè)纖芯的布里淵頻移，得出溫度和應(yīng)力值。其中，主控顯示裝置148還與第一電光調(diào)制器116連接，從而控制第一電光調(diào)制器116的脈沖或隨機(jī)序列調(diào)制。
[0062]上述基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，包括可將激光分束成本振光和泵浦光的第一激光單元110，可將激光調(diào)制成可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二激光單元120，一端接收第一激光單元110泵浦光，另一端接收正交頻分復(fù)用光信號(hào)的非同軸多芯光纖130，以及可得到非同軸多芯光纖130纖芯布里淵頻移的光纖傳感單元140。光纖傳感單元140分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，本振光與探測(cè)光均輸入光纖傳感單元140。
[0063]如此,第一激光單兀110將激光分束為本振光和泵浦光,第二激光單兀120將激光調(diào)制成正交頻分復(fù)用光信號(hào)，第一激光單兀110分束出的泵浦光輸入非同軸多芯光纖130的一端，產(chǎn)生布里淵散射，第二激光單元120將正交頻分復(fù)用光信號(hào)輸入非同軸多芯光纖130的另一端，并經(jīng)歷布里淵增益。由于布里淵散射信號(hào)的方向與泵浦光的方向相反，正交頻分復(fù)用光信號(hào)攜帶布里淵散射信號(hào)輸入光纖傳感單元140。第一激光單元110分束的本振光也輸入光纖傳感單元140，通過光纖傳感單元140的探測(cè)檢測(cè)、OFDM解調(diào)、信道估計(jì)等，最終得到每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，找到峰值后得到每個(gè)纖芯的布里淵頻移。根據(jù)溫度變化引起的布里淵頻移在每個(gè)纖芯中是相同的，而應(yīng)力變化引起的布里淵頻移在每個(gè)纖芯中是不同的來區(qū)分溫度和應(yīng)力值，從而解決了交叉敏感問題。此外，采用分布式測(cè)量系統(tǒng)可適用于長距離的測(cè)量。
[0064]米用非同軸多芯光纖130取代單模單芯光纖作為傳感光纖,可以區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。非同軸多芯光纖130還可提高成纜的集成密度，同時(shí)也可降低施工成本。采用OFDM光信號(hào)取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測(cè)光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個(gè)頻點(diǎn)的掃描，提高了檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，也提高了測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。此外，采用OFDM技術(shù)可有效對(duì)抗信號(hào)波形的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，通過各子載波的聯(lián)合編碼具有很強(qiáng)的抗衰落能力，可適用于長距離分布式光纖傳感，大大增長了測(cè)量距離，也提高了測(cè)量精度。
[0065]請(qǐng)參閱圖1，在其中一實(shí)施例中，第一激光單元110還包括光濾波器115，光濾波器115的一端與光環(huán)形器119連接，另一端與光纖傳感單元140連接。信號(hào)在產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸過程中由于環(huán)境和干擾的存在而畸形，以至于信號(hào)及其所攜帶的信息被噪聲干擾，從而形成OFDM子載波間干擾(inter-carrier interference, ICI),所以，濾波器可大大提高OFDM的傳輸精度，從而保證了檢測(cè)精度。此外，濾波器還將信號(hào)中的瑞麗散射和系統(tǒng)中的端面反射光濾除，提聞了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。
[0066]請(qǐng)參閱圖3，在其中一實(shí)施例中，第二電光調(diào)制器124包括正交頻分復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器1242、數(shù)模轉(zhuǎn)換器1244、驅(qū)動(dòng)器1246和電光調(diào)制裝置1248，正交頻分復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器1242、數(shù)模轉(zhuǎn)換器1244、驅(qū)動(dòng)器1246和電光調(diào)制裝置1248依次連接，探測(cè)光激光器122與電光調(diào)制裝置1248連接，第二光纖放大器126與電光調(diào)制裝置1248連接。正交復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器輸出OFDM信號(hào),數(shù)模轉(zhuǎn)換器1244將OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),驅(qū)動(dòng)器1246驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制裝置1248將OFDM模擬信號(hào)和探測(cè)光激光器122輸出的激光調(diào)制成OFDM光信號(hào)，再輸入第二光纖放大器126放大后進(jìn)入非同軸多芯光纖130。如此，以實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行傳輸，提高了掃描速度，減少了檢測(cè)時(shí)間。
[0067]如圖4所示，一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0068]步驟S110，鋪設(shè)非同軸多芯光纖130 ;
[0069]步驟S120，產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，調(diào)制泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，分別輸入泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)于所述非同軸多芯光纖130兩端；
[0070]步驟S130，接收并檢測(cè)所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖130發(fā)生布里淵散射光信號(hào)的正交頻分復(fù)用光信號(hào)；
[0071]步驟S140，對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖130每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移；
[0072]步驟S150，通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移計(jì)算出溫度和應(yīng)力值。
[0073]上述基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法，鋪設(shè)非同軸多芯光纖130,產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，分別輸入泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)于所述非同軸多芯光纖130兩端。接收并檢測(cè)所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖130發(fā)生布里淵散射光信號(hào)的正交頻分復(fù)用光信號(hào)。對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖130每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移；，再根據(jù)溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
[0074]如此，采用非同軸多芯光纖130取代單模單芯光纖作為傳感光纖，可以區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。非同軸多芯光纖130還可提高成纜的集成密度，同時(shí)也可降低施工成本。采用OFDM光信號(hào)取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測(cè)光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個(gè)頻點(diǎn)的掃描，提高了檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間。
[0075]采用經(jīng)過調(diào)制的OFDM作為探測(cè)光，經(jīng)過OFDM解調(diào)，得出非同軸多芯光纖130每個(gè)纖芯的布里淵頻移，可降低系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度，避免需要經(jīng)過電光調(diào)制、偏振控制、信號(hào)平均等過程，簡化傳統(tǒng)方式中的平均過程，減少了檢測(cè)時(shí)間。OFDM光信號(hào)傳輸可長距離傳輸，傳送精度聞，提聞了測(cè)量精度。
[0076]請(qǐng)參閱圖5，在其中一實(shí)施例中，步驟S140對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移的步驟，具體包括以下步驟:
[0077]步驟S141，對(duì)檢測(cè)出的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0078]步驟S142，對(duì)正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；
[0079]步驟S144，對(duì)串并轉(zhuǎn)換的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行去循環(huán)前綴；
[0080]步驟S146，對(duì)去循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行快速傅氏變換；
[0081]步驟S148，對(duì)快速傅氏變化的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，并得出纖芯的布里淵頻移。
[0082]如此，可對(duì)OFDM電信號(hào)調(diào)制解調(diào)，快速和準(zhǔn)確計(jì)算出每個(gè)纖芯的布里淵頻移，經(jīng)過OFDM解調(diào)、模數(shù)變換和信道估計(jì)等步驟可降低系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度，簡化傳統(tǒng)方式中的平均過程，減少了檢測(cè)時(shí)間。
[0083]在其中一實(shí)施例中，步驟S148對(duì)快速傅氏變化的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)具體為:
[0084]設(shè)OFDM探測(cè)光信號(hào)上第k個(gè)子載波上的符號(hào)為Xk，在光電接收檢測(cè)裝置142中處理OFDM信號(hào)時(shí)接收到的該子載波上的`符號(hào)為Yk，則該子載波的信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度為
Y 2
[0085]Hk =子
Xk
[0086]根據(jù)相對(duì)強(qiáng)度Hk，求得其最大值的子載波的頻率即為布里淵頻移Ub(T)或υΒ( ε )。然后利用公式:
[0087]T = Tr+ [ υ B (T) / υ B (Tr) -1 ] /Crl
[0088]ε = ε r+[ υΒ( ε ) / υΒ( ε r)-l]/CrE
[0089]可以得出溫度值T或應(yīng)力值ε。其中式中Tr、為參考溫度和參考應(yīng)力，
為溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)力靈敏度系數(shù)，uB(ig為參考溫度?;下的布里淵頻移，Ub(l)為參考應(yīng)力L下的布里淵頻移。
[0090]如此，通過計(jì)算可得出每個(gè)纖芯的布里淵頻移，從而確定溫度和應(yīng)力的分布，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
[0091]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 可將激光分束為本振光和泵浦光的第一激光單元； 可將激光調(diào)制成可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二激光單元； 非同軸多芯光纖，一端接收所述第一激光單元的泵浦光，另一端接收所述正交頻分復(fù)用光信號(hào)； 可得到所述非同軸多芯光纖纖芯布里淵頻移的光纖傳感單元，分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述本振光和探測(cè)光均輸入所述光纖傳感單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一激光單元包括泵浦激光器、將激光分束的第一光耦合器、進(jìn)行脈沖或隨機(jī)序列調(diào)制的第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器、光環(huán)形器，所述泵浦激光器與所述第一耦合器連接，所述泵浦激光器輸出的激光一束輸入光纖傳感單元，另一束依次通過第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器和光環(huán)形器輸入所述非同軸多芯光纖，所述光環(huán)形器與所述光纖傳感單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光環(huán)形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光纖放大器通過第一端口與所述光環(huán)形器連接，所述非同軸多芯光纖一端與所述第二端口連接，所述光纖傳感單元通過第三端口與所述光環(huán)形器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一激光單元還包括光濾波器，所述光濾波器的一端與所述光環(huán)形器連接，另一端與所述光纖傳感單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二激光單元包括探測(cè)光激光器、 可將激光調(diào)制成正交頻分復(fù)用光信號(hào)的第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器，所述探測(cè)光激光器輸出的激光依次通過第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器輸入非同軸多芯光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電光調(diào)制器包括正交頻分復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器和電光調(diào)制裝置，所述正交頻分復(fù)用光信號(hào)發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器和電光調(diào)制裝置依次連接，所述探測(cè)光激光器與所述電光調(diào)制裝置連接，所述第二光纖放大器與所述電光調(diào)制裝置連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖傳感單元包括光電接收檢測(cè)裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信道估計(jì)裝置和主控顯示設(shè)備，所述光電接收檢測(cè)裝置分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電接收檢測(cè)裝置連接，所述信道估計(jì)裝置與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述主控顯示設(shè)備與所述信道估計(jì)裝置連接和第一激光單元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光電接收檢測(cè)裝置包括第二光耦合器和光電檢測(cè)器，所述第二光耦合器分別與第一激光單元和第二激光單元連接，所述光電檢測(cè)器與所述第二光耦合器連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電檢測(cè)器連接。
9.一種基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟: 鋪設(shè)非同軸多芯光纖； 產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，調(diào)制泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)，分別輸入泵浦光和可作為探測(cè)光的正交頻分復(fù)用光信號(hào)于所述非同軸多芯光纖兩端； 接收并檢測(cè)所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖發(fā)生布里淵散射光信號(hào)的正交頻分復(fù)用光信號(hào)； 對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移； 通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于布里淵散射的分布式測(cè)量方法，其特征在于，所述對(duì)檢測(cè)到的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個(gè)纖芯的布里淵增益譜，并確定每個(gè)纖芯的布里淵頻移的步驟，具體包括以下步驟: 對(duì)檢測(cè)出的正交頻分復(fù)用光信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換； 對(duì)正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換； 對(duì)串并轉(zhuǎn)換的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行去循環(huán)前綴； 對(duì)去循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行快速傅氏變換； 對(duì)快速傅氏變 化的正交頻分復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，并得出纖芯的布里淵頻移。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK103698049SQ201310699063
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】黃琦, 程小蓉, 吳鐘博, 吳勁松, 張斌, 蔣康明, 吳贊紅 申請(qǐng)人:中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院, 廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心