基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调系统及方法与流程

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调系统及方法。

技术背景

随着光纤光栅传感技术的不断成熟，光纤光栅以其独特的优势广泛应用于大型土木工程、电力工程、石化工程、桥梁、隧道、大坝、矿业等安全健康监控和灾害的预报与监测。由于工程应用需求不断增加，光纤光栅传感网络正朝着长距离、大容量、准分布式等大规模组网方式发展。

对于大规模组网方式，目前通常采用多次采样取平均的方式来对信号进行降噪，但对于大规模光纤光栅传感网络来说，完成一组数据采样耗时长，而工程应用对传感网络的检测速度有要求，若采用大量取平均方式来提高信噪比，则会降低系统的检测速度，因而在短时间实时监测的工程应用中不适合大量采样取平均的方式来降噪，为了能达到一定的解调精度与解调速度，工程应用中的解调系统一般采用较少次的平均。

在大规模全同光纤光栅传感网络中，目前还没有引入编码技术来做调制与解调，而在长距离光纤传感网络中，编码技术的运用目前已较为成熟，如格雷码、s码、ccpon序列以及各种码型间混合编码等均已在光纤散射效应解调中得到较好的应用。如1989年，国外学者moshenazarathy、s.a.newton等人在《real-timelongrangcomplementcorrelationopticaltimedomainreflectometer》中将格雷码编码技术引入otdr系统，利用格雷码互补特性来提高系统动态范围及对信号降噪；梁浩在论文《基于序列编码探测脉冲的布里渊光纤传感器的研究》中引用格雷码来提高系统信噪比；刘劲军等人在《基于c_s复合码的otdr系统信噪比提高方法》提出c-s复合码编码方式来提高系统信噪比。对于大规模全同阵列光栅来说，由于光栅阵列中光栅反射光波长相同，若在光纤光栅传感网络中直接引用格雷码的脉冲编码与解码方式，则在按连续编码方式产生的光脉冲中，存在脉冲宽度过大使相邻光栅反射光不可分辨的光脉冲，从而相邻光栅反射光会在一个宽光脉冲下产生重叠串扰现象，进而无法进行正确解调。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调系统及方法。为了避免上述串扰现象的产生及将编码技术引入全同光栅阵列解调中，本发明将引用格雷码编码原理，并结合光纤光栅传感网络特点提出针对光纤光栅传感网络所特有的脉冲编码与解码方式。

为实现此目的，本发明所设计的基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调系统，其特征在于，它包括格雷码脉冲发生模块、光路模块、信号处理模块，所述光路模块包括可调窄带光源、光耦合器、光栅传感网络、光电转换器和信号采集模块，所述格雷码脉冲发生模块的信号输出端连接可调窄带光源的控制信号输入端，可调窄带光源的信号输出端连接光耦合器的第一接口，光耦合器的第二接口接入光栅传感网络，光耦合器的第三接口连接光电转换器输入端，光电转换器输出端连接信号采集模块的信号输入端，信号采集模块的信号输出端连接信号处理模块的信号输入端；

所述格雷码脉冲发生模块用于按照格雷码产生原理生成原始格雷码序列互补序列a和b；

所述格雷码脉冲发生模块用于根据原始格雷码序列互补序列a和b生成第一格雷码偏置序列对a1和a2、以及第二格雷码偏置序列对b1和b2，所述a1＝(1+a)/2、a2＝(1-a)/2、b1＝(1+b)/2、b2＝(1-b)/2；

所述格雷码脉冲发生模块用于对第一格雷码偏置序列对a1和a2和第二格雷码偏置序列对b1和b2分别进行偏置序列扩展补零操作；

所述格雷码脉冲发生模块用于设计序列对a1和a2、b1和b2中1与0表示的高电平与低电平的宽度，若光纤光栅阵列的光栅间距为l，则设计驱动信号高低电平的宽度w为w＝nl/c，式中n为光纤折射率，c为光速；

所述格雷码脉冲发生模块还用于将偏置序列扩展补零操作后的第一格雷码偏置序列对a'1和a'2以及偏置序列扩展补零操作后的第二格雷码偏置序列对b'1和b'2生成对应的四组光脉冲驱动信号。

一种基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：所述格雷码脉冲发生模块按照格雷码产生原理生成原始格雷码序列互补序列a和b；格雷码脉冲发生模块根据原始格雷码序列互补序列a和b生成第一格雷码偏置序列对a1和a2、以及第二格雷码偏置序列对b1和b2，所述a1＝(1+a)/2、a2＝(1-a)/2、b1＝(1+b)/2、b2＝(1-b)/2；格雷码脉冲发生模块设计第一格雷码偏置序列对a1和a2、以及第二格雷码偏置序列对b1和b2所表示高低电平的宽度；格雷码脉冲发生模块对第一格雷码偏置序列对a1和a2和第二格雷码偏置序列对b1和b2分别进行偏置序列扩展补零操作；格雷码脉冲发生模块将偏置序列扩展补零操作后的第一格雷码偏置序列对a'1和a'2以及第二格雷码偏置序列对b'1和b'2生成对应的四组光脉冲驱动信号；

步骤2：所述格雷码脉冲发生模块依次将所述四组光脉冲驱动信号发送给可调窄带光源，可调窄带光源用于根据接收的上述四组光脉冲驱动信号及生成对应中心波长为λi的序列脉冲光pa'1、pa'2、pb'1、pb'2；

步骤3：中心波长为λi的序列脉冲光pa'1、pa'2、pb'1、pb'2经过光耦合器进入光栅传感网络，在光栅传感网络中得到反射光，信号采集模块通过光电转换器采集到上述反射光得到对应的中心波长λi下光栅阵列的时域电信号

步骤4：所述信号处理模块根据中心波长λi下光栅阵列的时域电信号进行解调得到中心波长λi下光栅阵列的时域响应结果y。

所述中心波长λi下光栅阵列的时域响应结果y由下列公式计算得到；

式中，*表示自相关运算，表示卷积运算，h表示光栅阵列响应函数，l表示原始格雷码序列互补序列a或b的长度，a′、b′为原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列，原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列a′、b′的序列扩展位数m由光脉冲脉宽w、脉冲信号扩展位数n、数据采样模块的采样率s三部分决定，即

m＝w×s×(n+1)-1

所述原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列a′为在原始格雷码序列互补序列a中的各个相邻码之间补充m位0；所述原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列b′为在原始格雷码序列互补序列b中的各个相邻码之间补充m位0。

本发明的有益效果为：

相比于大规模光纤光栅传感网络传统的解调方法，本发明基于格雷码编码方式实现的光纤光栅传感网络解调，可有效解决编码技术引入光栅阵列时脉冲过宽产生的叠加串扰与光脉冲脉宽不一致产生响应强度不同的现象，在该方法下由四组采样信号可等效完成大量采样取平均方法，因而可解决otdr解调中大量采样耗时长对解调速度的限制，能通过较少次采样有效提高传感网络的信噪比与动态范围，进而增加光纤光栅传感网络的距离。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为扩展补零后格雷码编码脉冲示意图；

图3为不同脉冲间隔下解调得到的光栅光谱图；

图4为本发明方法与多次采样方法在10km光纤光栅传感末端处时域结果对比图；

图中，1—格雷码脉冲发生模块、2—光路模块、2.1—可调窄带光源、2.2—光耦合器、2.3—光栅传感网络、2.4—光电转换器、2.5—信号采集模块、3—信号处理模块。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明的基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调系统，如图1所示，它包括格雷码脉冲发生模块1、光路模块2、信号处理模块3，所述光路模块2包括可调窄带光源2.1、光耦合器2.2、光栅传感网络2.3、光电转换器2.4和信号采集模块2.5，所述格雷码脉冲发生模块1的信号输出端连接可调窄带光源2.1的控制信号输入端，可调窄带光源2.1的信号输出端连接光耦合器2.2的第一接口，光耦合器2.2的第二接口接入光栅传感网络2.3，光耦合器2.2的第三接口连接光电转换器2.4输入端，光电转换器2.4输出端连接信号采集模块2.5的信号输入端，信号采集模块2.5的信号输出端连接信号处理模块3的信号输入端；

上述技术方案中，所述格雷码脉冲发生模块1用于按照格雷码产生原理生成原始格雷码序列互补序列a和b；

上述原始格雷码序列互补序列a和b可以为：

a[111-111-11111...-1111-111...-1-1111-11...]

b[111-111-11111...-1-1-1-11-1-1...11-1-1-11-1...]

上述技术方案中，光路系统中只能存在单极性正向的光脉冲，需对a、b进行偏置，所述格雷码脉冲发生模块1用于根据原始格雷码序列互补序列a和b生成第一格雷码偏置序列对a1和a2、以及第二格雷码偏置序列对b1和b2，所述a1＝(1+a)/2、a2＝(1-a)/2、b1＝(1+b)/2、b2＝(1-b)/2；

光路系统中只能存在单极性正向的光脉冲，需对a、b进行偏置，

上述技术方案中，所述格雷码脉冲发生模块1用于对第一格雷码偏置序列对a1和a2和第二格雷码偏置序列对b1和b2分别进行偏置序列扩展补零操作；

所述格雷码脉冲发生模块用于设计序列对a1和a2、b1和b2中1与0表示的高电平与低电平的宽度，若光纤光栅阵列的光栅间距为l，则设计光脉冲的宽度w为

式中n为光纤折射率，c为光速；

若按照原始码型偏置后的序列与脉冲宽度产生光脉冲，则光脉冲序列中存在连续1表示的宽光脉冲，这种宽光脉冲的对于光栅间距来说宽度过大，即光脉冲经过相邻两个光栅后，相邻两个光栅的反射光会产生重叠串扰，且原始序列中连续1个数不同表示光脉冲的宽度也不同，则在同一个光栅处一组序列光脉冲得到的反射光脉冲的强度也不相同，这将无法正确解调光栅。为了避免上述两种情况的产生，需按上述方案对偏置序列a1、a2、b1、b2扩展补零。使序列中连续1扩展补零后变为独立的1，即每个1独立表示一个光脉冲且光脉冲之间间距增大，这样一个光脉冲作用于两个光栅时两个反射光不重叠串扰，也可使每个脉冲得到的响应强度一致。

上述技术方案中，所述格雷码脉冲发生模块1还用于将偏置序列扩展补零操作后的第一格雷码偏置序列对a'1和a'2以及偏置序列扩展补零操作后的第二格雷码偏置序列对b'1和b'2生成对应的四组光脉冲驱动信号。a'1、a'2、b'1、b'2序列中每一位符号均代表一个光脉冲(脉冲宽度为w)，1表示产生脉冲，0表示不产生脉冲。

上述技术方案中，所述格雷码脉冲发生模块1依次将所述四组光脉冲驱动信号发送给可调窄带光源2.1，可调窄带光源2.1用于根据接收的上述四组光脉冲驱动信号及生成对应中心波长为λi的序列脉冲光pa'1、pa'2、pb'1、pb'2。

上述技术方案中，所述中心波长为λi的序列脉冲光pa'1、pa'2、pb'1、pb'2经过光耦合器2.2进入光栅传感网络2.3，在光栅传感网络2.3中得到反射光，反射光再次通过耦合器2.2耦合到达光电转换器2.4，在光电转换器2.4转换为电信号，信号采集模块2.5采集电信号得到上述反射光得到对应的中心波长λi下光栅阵列的时域电信号

上述技术方案中，所述信号处理模块3根据中心波长λi下光栅阵列的时域电信号进行解调得到中心波长λi下光栅阵列的时域响应结果y。

上述技术方案中，所述对第一格雷码偏置序列对a1和a2和第二格雷码偏置序列对b1和b2分别进行偏置序列扩展补零操作的具体方法为在原始格雷码序列互补序列a中的各个相邻码之间补充n位0，3≤n≤6，原始格雷码序列互补序列b中的各个相邻码之间补充n位0，3≤n≤6。扩展补零方式不改变格雷码互补特性。

实验中在各序列间扩展补3个零，即为：

a:[100010001000-100010001000-10001000]

b:[100010001000-1000-1000-10001000-1000]

如图2所示，序列中的每一位1或-1即代表一个驱动脉冲信号，但由于光系统中只能使用单向正极性码表示一个光脉冲，因而需对a、b做偏置，图a为连续型a码的做偏置后的a1、a2码中的a1码([11101101])对应的连续型编码脉冲驱动信号示意图，图b为补零后的a1码([10001000100000001000100000001000])对应的编码脉冲信号示意图，其中的1代表脉冲驱动模块产生脉冲信号，0表示不产生脉冲信号。

对于实验中扩展补零的个数n的取值是由实验验证得到的，实验结果如图3所示，其为扩展零取不同值时10km光纤光栅传感网络中5km附近4个光栅的光谱图：图a、b、c、d、e分别为n取0、1、2、3、4时上述4个光栅的光谱图，图f为非编码方式单脉冲下上述4个光栅的光谱图。通过对比谱形与波长解调结果可得：n≥3时可正确解调出光谱信息，且此处n的取值在后续的解调算法中将会参与序列扩展补零位数的计算。

上述技术方案中，所述中心波长λi下光栅阵列的时域响应结果y由下列公式计算得到；

式中，*表示自相关运算，表示卷积运算，h表示光栅阵列响应函数，l表示原始格雷码序列互补序列a或b的长度，a′、b′为原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列，原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列a′、b′的序列扩展位数m由光脉冲脉宽w、脉冲信号扩展位数n、数据采样模块的采样率s三部分决定，即

m＝w×s×(n+1)-1

所述原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列a′为在原始格雷码序列互补序列a中的各个相邻码之间补充m位0；所述原始格雷码序列互补序列的补零扩展序列b′为在原始格雷码序列互补序列b中的各个相邻码之间补充m位0。

如光脉冲脉宽度w为16ns、光脉冲序列扩展位数n为3、采样系统的采样率s为250mhz，则a/b码的补零位数m为：

m＝w×s×(n+1)-1

＝16×250×10^6/10^9×(3+1)-1

＝15

式中16×250×10^6/10^9表示单个脉冲在250mhz采样率下得到的点数；3+1表示两个相邻编码脉冲中心间隔之间宽度等效有多少个脉冲宽度。最后计算出的结果15则表示在做解调时需在[1110101...11010010...]原始序列各元素之间扩展15个0(该扩展的位数m也可通过时域采样信号中相邻脉冲间隔点数观察得到，且与上述理论得出的结果完全吻合)，扩展后的序列再与采样信号做相关运算，至此完成中心波长λi下光纤光栅传感网络的解调；

一种基于格雷码的大规模光纤光栅传感网络解调方法，它包括如下步骤：

步骤1：所述格雷码脉冲发生模块1按照格雷码产生原理生成原始格雷码序列互补序列a和b；格雷码脉冲发生模块1根据原始格雷码序列互补序列a和b生成第一格雷码偏置序列对a1和a2、以及第二格雷码偏置序列对b1和b2，所述a1＝(1+a)/2、a2＝(1-a)/2、b1＝(1+b)/2、b2＝(1-b)/2；格雷码脉冲发生模块1设计第一格雷码偏置序列对a1和a2、以及第二格雷码偏置序列对b1和b2所表示高低电平的宽度；格雷码脉冲发生模块1对第一格雷码偏置序列对a1和a2和第二格雷码偏置序列对b1和b2分别进行偏置序列扩展补零操作；格雷码脉冲发生模块1将偏置序列扩展补零操作后的第一格雷码偏置序列对a'1和a'2以及第二格雷码偏置序列对b'1和b'2生成对应的四组光脉冲驱动信号；

步骤2：所述格雷码脉冲发生模块1依次将所述四组光脉冲驱动信号发送给可调窄带光源2.1，可调窄带光源2.1用于根据接收的上述四组光脉冲驱动信号及生成对应中心波长为λi的序列脉冲光pa'1、pa'2、pb'1、pb'2；

步骤3：中心波长为λi的序列脉冲光pa'1、pa'2、pb'1、pb'2经过光耦合器2.2进入光栅传感网络2.3，在光栅传感网络2.3中得到反射光，反射光再次通过耦合器2.2耦合到达光电转换器2.4，在光电转换器2.4转换为电信号，信号采集模块2.5采集电信号得到上述反射光得到对应的中心波长λi下光栅阵列的时域电信号

步骤4：所述信号处理模块3根据中心波长λi下光栅阵列的时域电信号进行解调得到中心波长λi下光栅阵列的时域响应结果y。

本发明结合光纤光栅传感网络特点提出特有光脉冲格雷码编码方式与相应的互相关运算算法，即可在两组编码序列的四次采样与互相关运算算法下等效完成大量平均，在保证解调速度的同时可有效提高解调精度与系统的动态范围，同时也可扩大光纤光栅测量传感网络测量距离。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。