提高分布式光纖布里淵傳感器信號信噪比的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及光纖傳感器，特別是一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方 法。
【背景技術】
[0002] 分布式光纖傳感器由于具有抗電磁干擾能力強、電絕緣性好、可分布傳感等諸多 優(yōu)點，在國防、工業(yè)等領域具有廣闊應用前景?；趥鞲泄饫w中自發(fā)布里淵散射的分布式光 纖傳感器傳感距離長，能夠同時進行溫度和應變的傳感。該分布式光纖傳感器在大型結構 如堤巧、隧道、電纜等領域具有廣泛的應用基礎。傳感光纖中后向布里淵散射光的信噪比是 該傳感器的一個重要參數(shù)，從根本上影響傳感器的各項技術指標，包括傳感范圍、空間分辨 率、分辨精度等【參見：Tsuneo Horiguchijaoru aiimizu,Toshio Kurashima,Mitsuhi;ro Tateda and Yahei Koyamada.Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering.Journal of Lightwave Technology,1995,13(7),1296- 1302.】。因此，提高傳感系統(tǒng)的信噪比是至關重要的。
[0003] 目前提高光纖中后向自發(fā)布里淵散射信號信噪比的方法主要有W下幾種：
[0004] 在先方案之一是對布里淵散射信號多次平均【參見:孫安，基于高頻微波技術的分 布式光纖傳感器布里淵散射信號的探測[J].中國激光，2007,43(4) ,503-506.】。該方案中 對后向散射的布里淵信號進行了28次平均。和單次探測的布里淵散射信號相比，雖然平均 后得到的信號信噪比增加，但是計算過程耗時太長。
[000日]在先方案之二是應用非矩形脈沖技術【參見：Yunqi Hao，Qing Ye，Zhengqing Pan,Haiwen Cai,Ronghui Qu.Effect of modulated pulse format on spontaneous Brillouin scattering spectrum and BOTDR sensing system.Optics&Laser Technology,2013,46:37-41.】【參見：Yunqi Hao,Qing Ye,Zhengqing 化n,Haiwen Cai, Ronghui Qu. Analysis of spontaneous Brillouin scattering spectrum for different modulated pulse shape.OpUk.2013,2417-2420.】。該方案中采用洛倫茲形狀 的脈沖注入傳感光纖，和矩形脈沖所產(chǎn)生的自發(fā)布里淵散射信號的信噪比相比，對于l(K)ns 的脈沖寬度而言，信噪比提高大約5地。該技術的本質是非矩形脈沖的譜分布具有較小的旁 瓣，能量較為集中。但是相鄰脈沖之間具有一定的重疊，該重疊部分對應的自發(fā)布里淵散射 信號的疊加對自發(fā)布里淵散射傳感系統(tǒng)的傳感事件分辨能力有一定的影響。
[0006] 在先方案之Ξ是采用相關編碼技術【參見:李永倩，程效偉.格雷互補序列在B0TDR 中的應用研究及性能分析[J].華北電力大學學報（自然科學版），2008,35(01):93-97.】。該 技術采用格雷補碼脈沖編碼方式，該補碼序列具有理想的自相關和互相關特性。文中進行 了 256位格雷碼對應的布里淵散射信號研究，實驗效果和理論一致。但是該編碼方式的解碼 過程需要進行相關運算，解碼過程比較復雜。
[0007] 在先方案之四是采用Simplex編碼方式【參見：Yunqi Hao,Qing Ye,Zhengqing Pan,Haiwen Cai,Ronghui Qu..Digital coherent detection research on Brillouin optical time domain reflectometry with Simplex pulse code. Chinese Physics B. 2014,23(11): 1107031-5.】。按照Simplex矩陣的格式，采用Simplex編碼技術產(chǎn)生脈沖序 列，注入到傳感光纖中。和單個脈沖注入相比，布里淵散射信號的信噪比增加，編碼信噪比 增加和編碼位數(shù)有關。但是編碼過程和后繼的解碼過程比較復雜，且測量過程耗時較長。

【發(fā)明內容】

[0008] 針對上述現(xiàn)有技術中描述的不足，本發(fā)明為了簡便實施過程，提出了一種提高分 布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法和裝置，該方法增加了自發(fā)布里淵散射信號的信噪 比，可W用于分布式光纖布里淵傳感器中傳感范圍的增加、頻率分辨精度的提高等。
[0009] 為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：
[0010] -種提高分布式光纖布里淵傳感器信號信噪比的方法，信號發(fā)生模塊產(chǎn)生雙正交 碼的電脈沖信號驅動聲光調制器的驅動模塊，驅動模塊將接收到的雙正交碼的電脈沖信號 進行編碼得到雙正交碼編碼的電脈沖序列，控制聲光調制器將輸入的連續(xù)光調制成與雙正 交碼編碼的電脈沖序列寬度對應的雙正交碼編碼的光脈沖，將雙正交碼編碼的光脈沖注入 到長距離的分布式光纖布里淵傳感器的傳感光纖中，實現(xiàn)后向自發(fā)布里淵散射信號信噪比 的增加。
[0011] -種提高分布式光纖布里淵傳感器信號信噪比的裝置，包括激光器，激光器的輸 出端與光纖禪合器的輸入端連接，光纖禪合器的第一輸出端與聲光調制器的輸入端連接， 聲光調制器的輸出端與Ξ端口環(huán)形器的第一端口連接，Ξ端口環(huán)形器的第二端口與長距離 傳感光纖相連;聲光調制器的控制端與聲光調制器的驅動模塊的輸出端連接，聲光調制器 的驅動模塊的輸入端與信號發(fā)生模塊的輸出端連接;光纖禪合器的第二輸出端與本地振蕩 器的輸入端連接，本地振蕩器的輸出端與禪合器的第一輸入端，禪合器的第二輸入端與Ξ 端口環(huán)形器的第Ξ端口連接，禪合器的第一輸出端和第二輸出端分別與平衡探測器的第一 輸入端口和第二輸入端口連接，平衡探測器的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接。
[0012] 在禪合器中進行本地光與傳感光纖的后向散射的自發(fā)布里淵散射光進行干設，平 衡探測器從干設光中探測出布里淵散射光，數(shù)據(jù)采集卡從平衡探測器中采集自發(fā)布里淵散 射信號，并將自發(fā)布里淵散射信號進行解碼分析。
[0013] 所述后向散射的自發(fā)布里淵散射光的軌跡為ri(t)，
[0014] 即
[001引其中，Bm為高階雙正交碼矩陣；Wi(t)、C02(t)、……、ω 2m(t)為傳感光纖散射后得 到的理想的不包含噪聲的布里淵散射信號軌跡;ei(t)、e2(t)、……、e2m(t)表示布里淵散射 信號中包含的噪聲；
[0016] 對ri(t)進行解碼分析，具體如下：1)、構造雙正交碼矩陣Bm的廣義逆矩陣Bm+，Bm+ = (BmTBmrlBmT，其中T表示轉置/'-Γ代表逆矩陣；
[0017] 2)、將ri(t)對應的矩陣與廣義逆矩陣Bm+相乘。
[0018] 3)、對步驟2)相乘得到的矩陣的每行進行移位疊加平均，具體如下:①移位，第1行 不動，第2行向前移動一位，第3行向前移動兩位，第2m行向前移動(2m-l)位，得到新矩陣；
[0019] ②疊加平均，將新矩陣第一行中每一位所對應的列的數(shù)據(jù)進行數(shù)學疊加并求平 均，得到最終的自發(fā)布里淵散射信號軌跡(t)。
[0020] 4)、信噪比分析。m位雙正交碼編碼的自發(fā)布里淵散射信號對應有2m個散射軌跡， 為了進行公平的比較，我們和2m次單脈沖平均的信噪比進行了比較。假設采用單脈沖時的 系統(tǒng)均方差為σ2,那么進行2m次單脈沖平均時系統(tǒng)的均方差為〇V2m，雙正交碼編碼后的系 統(tǒng)均方差天
[0021] 那么，和單脈沖相比，m位雙正交碼所對應的碼增益為：
[0022]
[0023] 其中，m代表編碼位數(shù)或者碼長。
[0024] 本發(fā)明通過信號發(fā)生模塊和聲光調制器的驅動模塊產(chǎn)生雙正交碼編碼的電脈沖 信號，聲光調制器在驅動模塊的作用下將輸入的連續(xù)光調制成與雙正交碼編碼的電脈沖序 列寬度對應的雙正交碼編碼的光脈沖，然后將雙正交碼編碼的光脈沖注入到長距離的分布 式光纖布里淵傳感器的傳感光纖中，后向散射的自發(fā)布里淵散射光反向經(jīng)Ξ端口環(huán)形器的 第Ξ端口輸出至禪合器內，光纖禪合器的第二輸出端輸出的連續(xù)光經(jīng)本地振蕩器后進入禪 合器內與后向散射的自發(fā)布里淵散射光進行干設，W放大微弱的自發(fā)布里淵散射信號，同 時消除后向信號中的端面反射、瑞利散射等，干設后平衡探測器探測自發(fā)布里淵散射光信 號，并由數(shù)據(jù)采集卡采集自發(fā)布里淵散射信號，并對自發(fā)布里淵散射信號進行解碼分析。本 發(fā)明的方法只需要改變信號發(fā)生模塊輸出的電信號，將單脈沖改變?yōu)殡p正交編碼脈沖序 列，即可提高分布式光纖布里淵傳感器的信噪比，實施簡單。
【附圖說明】
[0025] 圖1為雙正交碼編碼方法和多脈沖平均方法關于信噪比的對比圖。
[0026] 圖2為32位雙正交碼編碼的自發(fā)布里淵散射信號軌跡和64次單脈沖平均自發(fā)布里 淵散射信號軌跡對比圖。
[0027] 圖3為32位雙正交碼解碼的自發(fā)布里淵散射信號功率譜和64次單脈沖平均自發(fā)布 里淵散射信號功率譜對比圖，（a)為32位雙正交碼解碼的自發(fā)布里淵散射信號功率譜，（b) 為64次單脈沖平均自發(fā)布里淵散射信號功率譜。
[0028] 圖4為32位雙正交碼解碼的自發(fā)布里淵散射信號和64次單脈沖平均自發(fā)布里淵散 射信號的信噪比對比圖。
[0029] 圖5為64位雙正交碼編碼的自發(fā)布里淵散射信號軌跡和128次單脈沖平均自發(fā)布 里淵散射信號軌跡對比圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明裝置的結構原理圖。
【具體實施方式】
[0031] -種提高分布式光纖布里淵傳感器信號信噪比的裝置，如圖6所示，包括激光器1， 激光器1的輸出端與光纖禪合器2的輸入端21連接，光纖禪合器2的第一輸出端22與聲光調 制器3的輸入端連接，聲光調制器3的輸出端與Ξ端口環(huán)形器4的第一端口 41連接，Ξ端口環(huán) 形器4的第二端口 42與傳感光纖5相連;聲光調制器3的控制端與聲光調制器的驅動模塊11 的輸出端連接，聲光調制器的驅動模塊11的輸入端與信號發(fā)生模塊10的輸出端連接。
[0032] 光纖禪合器2的第二輸出端23與本地振蕩器6的輸入端連接，本地振蕩器6的輸出 端與禪合器7的第一輸入端7