基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪的制造方法与工艺

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。

背景技术：
分布式光纤传感系统是一种用于连续测量光纤沿线任意位置温度、应变等物理量的传感系统，系统中的光纤既是光的传输介质同时也是传感载体，可实现长距离、大范围传感，是光纤传感的一个重要分支。在众多的分布式光纤传感系统中，基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(BOTDA)，由于其具有传感距离长、测量精度高以及空间分辨率高等优势，在通信光缆、油气管道及大型建筑物等的结构监测中有着广阔的应用前景。在BOTDA系统中，脉冲泵浦光和连续探测光分别从光纤两端注入，当这两者的频差处于布里渊增益范围内时，它们之间通过受激布里渊散射效应发生能量转移，在脉冲光注入端探测随时间变化的布里渊散射信号以获取温度、应变等信息。由于BOTDA系统采用脉冲时域定位技术，减小泵浦脉冲的宽度可提高系统空间分辨率，但当光脉冲宽度小于声子寿命时(～10ns)，光纤中不能建立起稳定的感应声场，这将导致布里渊增益减弱，系统的信噪比大大降低；而且随着泵浦脉冲变窄，布里渊增益谱会不断展宽，这将使得系统信噪比和测量精度下降。由上述分析可知，传统的BOTDA系统中，空间分辨率和传感距离这两者之间相互制约，通过减小泵浦脉冲脉宽提高空间分辨率，会严重限制系统的传感距离。在保持空间分辨率不降低的前提下，为了增加系统的传感距离，通常需要提高泵浦脉冲的峰值功率以保持较高信噪比，但由于调制不稳定性、自相位调制等非线性效应的存在，脉冲光所允许的最大注入功率受到限制，传感距离的提升仍然十分有限。此外，在BOTDA系统中，光纤的固有损耗及泵浦消耗效应也会严重影响光纤末端的信噪比，进一步限制了传感距离的延伸。研究者们提出了多种方法以增加BOTDA系统的传感距离。常见的技术包括脉冲编码(公开号：CN102564481A，公开日：2012.07.11)、Raman远程分布式放大技术(专利号：201110340681.2)、随机激光法(公开号：CN103376124A，公开日：2013.10.30)等。其中，Raman远程分布式放大技术可以在传感光纤中为布里渊泵浦光和探测光建立一个近似无损信道，实现100km以上的超长距离无中继传感，但该技术需在BOTDA的终端添加高功率Raman泵源，其相对强度噪声RIN通常较大，会导致BOTDA系统的强度噪声增大，对系统信噪比产生影响；随机激光法是近年来新提出的一种方法，具有结构简单、成本低等优势，适合用于长距离分布式光纤传感系统，实现真正意义上的低噪声分布式光放大，但其技术不够成熟，较少见于实际应用；脉冲编码技术不需要在原有系统中增加其他器件，不会增加系统的复杂度，技术成熟，且可以明显改善系统信噪比，因此近年来脉冲编码技术在长距离布里渊分布式传感领域得到了广泛应用。然而采用脉冲编码技术时，布里渊增益谱仍会随着泵浦脉宽变窄而不断展宽，导致系统的测量精度下降，这限制了脉冲编码对系统传感距离的提升效果。

技术实现要素：
本发明针对现有BOTDA系统采用窄泵浦脉冲导致的布里渊增益减弱、系统信噪比恶化、传感距离受限以及布里渊增益谱展宽带来的系统测量精度下降的问题，提出了一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。本发明基于以下原理：本发明将脉冲预泵浦技术和基于Golay码的脉冲编码技术相结合，利用一个高消光比的电光强度调制器(EOIM)产生所需的预泵浦脉冲序列，经过扰偏器、光放大器之后注入传感光纤，在脉冲光注入端探测布里渊散射信号，并采用基于相关运算的解码算法以获得原始的单脉冲响应信号。本发明中，脉冲预泵浦技术保证了窄脉冲条件下布里渊增益谱不展宽，而基于Golay码的脉冲编码技术则有效提高了系统的信噪比。本发明的技术目的是在保持BOTDA系统高空间分辨率的前提下，同时保证系统的传感距离和测量精度，提升BOTDA系统的传感性能。本发明采用的技术方案为：一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)，包括：窄线宽半导体激光器1、耦合器2、第一掺铒光纤放大器3、第一偏振控制器4、单边带调制器5、微波源6、光隔离器7、传感光纤8、光环形器9、第二掺铒光纤放大器10、扰偏器11、电光强度调制器12、第二偏振控制器13、任意波形发生器14、光滤波器15、光电探测器16、信号采集及处理系统17；所述窄线宽半导体激光器1发出的连续光经耦合器2后分成两路，其中：由耦合器2的端口21输出的连续光，经第一掺铒光纤放大器3进行光放大和第一偏振控制器4调整偏振态之后，注入由微波源6驱动的单边带调制器5，所述微波源输出信号的频率为fm，所述单边带调制器5受微波源6驱动后产生移频量为fm的单边带信号作为探测光信号，所述探测光信号经光隔离器7之后输入传感光纤8；由耦合器2的端口22输出的连续光，经第二偏振控制器13调整偏振态之后，通过任意波形发生器14控制的电光强度调制器12被调制成编码泵浦脉冲光，所述编码泵浦脉冲光经扰偏器11和第二掺铒光纤放大器10后由光环形器9的端口91注入，然后由光环形器9的端口92输出至传感光纤8的另一端；上述探测光信号和泵浦脉冲光信号在传感光纤8中相向传输并发生受激布里渊散射作用，携带布里渊散射信息的探测光信号经光环形器9的端口93进入光滤波器15，滤除自发辐射噪声(ASE)之后进入光电探测器16进行光电转换，信号采集及处理系统17采集光电探测器16输出的编码布里渊时域散射信号。由于本发明所述方案所采用的Golay码，相比于传统的Golay码引入了预泵浦部分，其自相关函数和的结果不再是单位冲击函数的整数倍，为保证解码运算得到的单脉冲响应布里渊散射信号不畸变，任意波形发生器14依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码，调制电光强度调制器12产生编码泵浦脉冲光，依次获取两组编码布里渊时域散射信号，在后续信号处理过程中对两组布里渊散射信号做差分运算，以满足自相关函数和为单位冲击函数整数倍的要求，并对差分运算得到的信号进行解码、归一化处理得到布里渊增益谱，再通过洛伦兹拟合即可得到传感光纤8沿线的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度或应变的对应关系，实现光纤分布式温度或应变传感。进一步地，所述窄线宽半导体激光器1的线宽约为10kHz，远小于布里渊增益谱谱宽，工作波长约为1550nm，输出功率为5dBm。进一步地，所述第一掺铒光纤放大器3为连续光放大器，用于补偿后续单边带调制器5、光隔离器7的插入损耗，通过调节第一掺铒光纤放大器3的增益可以调整探测光的最终入纤功率，以避免发生严重的泵浦消耗现象。进一步地，所述微波源6输出微波信号的频率fm从10GHz～12GHz之间连续可调，通过连续改变微波信号的调制频率fm，即可实现布里渊频谱的扫频测量。进一步地，所述传感光纤8为普通单模石英光纤，在1550nm波长处的损耗约为0.2dB/km。进一步地，所述第二掺铒光纤放大器10为高功率光脉冲放大器，用于放大电光强度调制器12产生的编码脉冲序列以获得较高的脉冲峰值功率，保证系统末端的信噪比，同时第二掺铒光纤放大器10的增益不能过大，以避免出现增益饱和及泵浦消耗现象。进一步地，所述电光强度调制器12的消光比约为35dB，工作在线性工作点，根据任意波形发生器14输入的编码电脉冲信号，依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码和只包含预泵浦部分的Golay码编码的光脉冲信号。进一步地，所述光电探测器16是带宽为350MHz的高速光电探测器，可满足窄泵浦脉冲条件下探测布里渊时域散射信号的要求。进一步地，所述信号采集及处理系统17由一台高速数字示波器及一台计算机组成，高速数字示波器用于数据采集及平均，计算机对采集所得的数据进行处理及显示。本发明的技术效果在于：1.本发明同时采用了脉冲预泵浦技术和基于Golay码的脉冲编码技术，在获得高空间分辨率的前提下，增加了BOTDA系统的传感距离，同时保持布里渊增益谱不展宽，提高了系统的频率测量精度；2.采用Golay码的编码泵浦脉冲光，利用其编码增益，有效提高了系统尾端的信噪比，增加了传感距离；同时由于采用了脉冲预泵浦技术，可通过减小编码脉冲的码元脉冲宽度来提高系统的空间分辨率，而不会展宽布里渊增益谱，脉宽甚至可以小于光纤声子寿命(～10ns)，对应的空间分辨率可高于1m；3.本发明可以有效克服传统BOTDA系统中空间分辨率和传感距离之间的制约关系，实现长距离的温度或应变传感，同时具有空间分辨率高、测量精度高的优点，且不需要在传统的BOTDA系统中增加其他器件，只需改变任意波形发生器输出的脉冲形式，操作简单，易于实现。附图说明图1是本发明基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)结构组成图。图中：1为窄线宽半导体激光器，2为耦合器，3为第一掺铒光纤放大器，4为第一偏振控制器，5为单边带调制器，6为微波源，7为光隔离器，8为传感光纤，9为光环形器，10为第二掺铒光纤放大器，11为扰偏器，12为电光强度调制器，13为第二偏振控制器，14为任意波形发生器，15为光滤波器，16为光电探测器，17为信号采集及处理系统。图2是本发明中采用的预泵浦Golay码编码示意图，其中，(a)为传统的单脉冲和预泵浦单脉冲的对比图，预泵浦单脉冲相比于传统单脉冲，在主脉冲之前加入了预泵浦部分，ER1表示主脉冲和脉冲基底的比值，由电光强度调制器的消光比决定，ER2表示主脉冲部分和预泵浦部分的比值，DP和DPre分别表示主脉冲部分和预泵浦部分的宽度；(b)为采用传统Golay码和预泵浦Golay码编码的时域脉冲序列的对比图，由图可知，在码元为“1”的位置，将传统Golay码的脉冲替换为预泵浦脉冲，即可得到同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的预泵浦Golay码，其中bitslot表示单个码元的周期，编码序列的占空比可用(DP+DPre)/tbitslot表示。图3(a)为差分运算的示意图，其中，图3(a)(1)表示各码元同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码的时域脉冲序列；图3(a)(2)表示各码元只包含预泵浦部分的Golay码编码的时域脉冲序列；图3(a)(3)表示经过差分运算，各码元只包含主脉冲部分的Golay码编码的时域脉冲序列。图3(b)为预泵浦Golay码编码的时域脉冲序列，差分前后的自相关函数和的对比图，由图可知，差分之前的编码时域脉冲序列的自相关函数和并不是理想的单位冲击函数，而差分之后的编码时域脉...