一种基于FFT和编码的BOTDR传感方法和系统与流程

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于FFT和编码的BOTDR传感方法和系统。

背景技术：

光纤传感技术是从20世纪70年代发展而来的一门崭新的技术，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以多元化的姿态迅猛发展。当光在光纤中传输时，由于光纤受外界扰动、温度、应变、位移等环境因素的影响，光信号的偏振态、功率、波长、相位等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。

当一束短脉冲光入射到光纤时，它沿着光纤传播并被散射到各个方向，一部分散射光沿着光纤传输并返回到入射端，在这部分散射光中，有一种被称为背向布里渊散射光，背向布里渊散射光携带有传感光纤沿线的温度和应变等信息。基于布里渊散射的光时域传感技术就是通过监测光纤中背向布里渊散射光的特性来实现分布式传感的一种传感技术。

布里渊光时域反射技术(BOTDR)就是通过检测背向布里渊散射光的布里渊频移来实现传感的一种光时域反射技术。传统的BOTDR系统由于采用了扫频技术，测量时间相对较长。基于快速傅里叶变换的BOTDR系统的发明克服了这一不足，基于快速傅里叶变换的BOTDR系统将高频布里渊散射信号相干到几百兆赫兹的频率范围内，利用宽带探测器一次性获得整个布里渊散射谱测量时间。但是，基于快速傅里叶变换的BOTDR系统无法同时满足高分辨率和长距离传感的要求。研究发现，采用通信中某些码型对光纤传感器的探测脉冲光进行调制，并依据一定解码规则进行处理，可以提高传感器的测量效果。采用编码序列脉冲光与单脉冲光在传感系统中所获得的空间分辨率相同，并可以大幅提高信号的信噪比，不改变信号随时间的变化趋势。可见，采用编码序列脉冲光可以在不降低空间分辨率的前提下提高光纤传感系统的信噪比，使系统获得大的动态范围，但测量时间相对较长。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于FFT和编码的BOTDR传感方法和系统，克服传统BOTDR传感技术测量时间长、分辨率与传感距离要求不能同时满足的缺陷。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于FFT和编码的BOTDR传感方法，包括以下步骤：

(1)向光纤中注入N组光编码脉冲序列，每组光编码脉冲序列采集n次，得到N组n条后向散射的BOTDR时域信号；

(2)在步骤(1)得到的每条后向散射的BOTDR时域信号中均取长度为T的信号进行快速傅里叶变换，分别得到各条信号对应的光纤初始位置的频域信号，并以ΔT为步进，以T为取样长度依次对光纤沿线各个位置的时域信号进行快速傅里叶变换，得到N组n条BOTDR频域信号；

(3)分别将步骤(2)得到的相同编码脉冲序列对应的n条BOTDR频域信号作累加平均，得到N组平均后的BOTDR频域信号；

(4)将步骤(3)得到的平均后的BOTDR频域信号按照对应的光编码脉冲序列进入光纤的顺序排列，并按位置信息对齐，根据N组编码对应的解码规则，对每个频率点沿光纤长度的N组BOTDR频域信号进行解码，得到沿光纤分布的具有高信噪比的单脉冲响应BOTDR频域信号；

(5)对步骤(4)得到的沿光纤分布的单脉冲响应BOTDR频域信号在每个距离点上求解中心频率，得到光纤沿线的布里渊频移，进而得到光纤沿线的温度信息或者应变信息。

基于上述BOTDR传感方法的传感系统，包括脉冲信号发生器、微波源、激光器、第一耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一电光调制器、第二电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、扰偏器、环形器、第二耦合器、光电探测器、示波器和PC机；激光器的输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的第一输出端连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振器的输出端连接第一电光调制器的输入端，脉冲信号发生器的输出端连接第一电光调制器的输入端，第一电光调制器的输出端连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接第一掺饵光纤放大器的输入端，第一掺饵光纤放大器的输出端连接环形器的输入端，环形器的输出端连接待测光纤，环形器的返回端连接第二耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端连接第二偏振控制器的输入端，第二偏振控制器的输出端连接第二电光调制器的输入端，微波源的输出端连接第二电光调制器的输入端，第二电光调制器的输出端连接第二掺饵光纤放大器的输入端，第二掺饵光纤放大器的输出端连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端接入PC机，脉冲信号发生器向第一电光调制器输入编码脉冲；激光器发出激光，经第一耦合器分为两路光信号，其中一路光信号经第一偏振控制器的偏振处理后输入第一电光调制器，第一电光调制器根据脉冲信号发生器输入的编码脉冲生成编码脉冲光，该编码脉冲光依次经过扰偏器、第一掺铒光纤放大器、环形器输入光纤，环形器返回背向布里渊散射信号至第二耦合器，第一耦合器输出的另一路光信号经第二偏振控制器的偏振处理后输入第二电光调制器，第二电光调制器产生移频信号，经第二掺铒光纤放大器输入第二耦合器，背向布里渊散射信号与移频信号耦合相干后，被光电探测器接收并传送给示波器，得到后向散射的BOTDR时域信号，PC机根据BOTDR时域信号进行数据处理，得到光纤沿线信息。

进一步地，当激光器为保偏输出、第一耦合器为保偏耦合器、第一电光调制器为保偏输入且第二电光调制器为保偏输入时，省略第一偏振控制器和第二偏振控制器，第一耦合器的输出端直接连接第一电光调制器的输入端和第二电光调制器的输入端。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明采用通信中某些码型对光纤传感器的探测脉冲光进行调制，并依据一定解码规则进行处理，提高传感器的测量效果。采用编码序列脉冲光与单脉冲光在传感系统中所获得的空间分辨率相同，并可以大幅提高信号的信噪比，不改变信号随时间的变化趋势。因此，采用编码序列脉冲光可以在不降低空间分辨率的前提下提高光纤传感系统的信噪比，使系统获得大的动态范围；

(2)本发明采用快速傅里叶变换处理数据，大大缩短了测量时间。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图。

图2是本发明中快速傅里叶变换过程的示意图。

图3是步骤四中按每个频率点沿光纤长度的信号进行解码的示意图。

图4是步骤四得到的信噪比较高的单脉冲响应的三维图。

图5是步骤五中经过洛伦兹拟合之后得到的布里渊频移随光纤距离变化的结果图。

图6是传统单脉冲BOTDR系统的测量结果图。

图7是采用本发明得到的传感数据的空间分辨率示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

步骤一：采用如图1所示的系统，由1550nm激光器发出的光分为两路，一路受电光调制器调制后变为编码脉冲光，经掺铒光纤放大器放大到一定功率后由环形器入射到待测光纤，传输过程中的背向布里渊散射光由环形器返回，另一路光经电光调制器后产生约10.4GHz的移频，两路光相干后被光电平衡探测器接收，由高速示波器采集数据，采样率为2GSa/s。编码采用的是64位Golay互补序列。Golay互补序列构造方式如下：

A₀＝[1] B₀＝[-1]

其中为B的补码，即表示将B序列添加到A序列后面，生成一个新的序列。Golay互补序列通常由一对两组双极性编码组成，但是由于只有单极性编码能用于光脉冲调制，因此需要将每组双极性Golay互补序列转化成一对单极性序列，得到两对四组单极性Golay互补序列。产生方式如下：

其中A(t)和B(t)为初始的两组双极性序列，A₊(t),A_-(t),B₊(t)和B_-(t)为产生的四组单极性序列。

实验采用归零码形式，脉宽20ns，占空比10％，每组采集1024次，得到4组，每组1024条后向散射的BOTDR时域信号，待测光纤由两段布里渊频移不同的光纤组成，长度分别约为8.64km和1.54km，第二段光纤约1055m至1255m部分在恒温箱中加热至45℃，其余部分与第一段光纤处于室温中，室温约25℃。在电脑(PC)中进行如下步处理。

步骤二、将步骤一得到的每条后向散射的BOTDR时域信号中均取长度为16ns的信号进行快速傅里叶变换，分别得到各条信号对应的光纤初始位置的频域信号。并以5ns为步进，以16ns为取样长度依次对光纤沿线各个位置的时域信号进行快速傅里叶变换，如图2所示，得到4组，每组1024条BOTDR频域信号。

步骤三、将步骤二得到的相同编码脉冲序列对应的1024条BOTDR频域信号作累加平均，得到4组平均后的BOTDR频域信号。

步骤四、将步骤三得到的平均后的BOTDR频域信号按照对应的光编码脉冲序列进入光纤的顺序排列，并按位置信息对齐，根据Golay互补序列对应的解码规则，对每个频率点沿光纤长度的4组BOTDR频域信号进行解码，解码方式如下：

其中S_A+(t)，S_A-(t)，S_B+(t)和S_B-(t)分别代表脉冲序列A₊(t),A_-(t),B₊(t)和B_-(t)的响应。解码过程如图3所示。得到沿光纤分布的具有高信噪比的单脉冲响应BOTDR频域信号，结果如图4所示。

步骤五、将步骤四得到的沿光纤分布的单脉冲响应BOTDR频域信号在每个距离点上求解中心频率，得到光纤沿线的布里渊频移，进而得到光纤沿线的温度信息或者应变信息。

图6为传统单脉冲BOTDR系统的测量结果，对比图5和图6，可发现本发明大大提高了信噪比，能获得更长的传感距离。图7表明了本发明的空间分辨率仍为2m，与脉宽20ns对应，并未降低空间分辨率。同时若采用FPGA进行数据处理，本系统的测量时间理论上可达到6s，与传统BOTDR系统一般需要的数分钟测量时间相比，缩短了数十倍。

需要特别指出的是，本发明并不限定编码方式，各种编码均适用于此方法，不同的编码方式带来的信噪比提升不同，且测量时间也不同。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。