一种基于组合脉冲编码提高BOTDA系统信噪比的方法与流程

本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种使用ccpons和walsh组合脉冲编码相结合的提高botda系统信噪比的方法。

背景技术

基于布里渊光时域分析(botda)技术的应变测量系统因其接收信号强、测量精度高和动态范围大等优点，在石油管道、电力电缆等的温度和应变监测领域得到了广泛应用。在botda系统中，脉冲泵浦光从光纤的一端注入，连续探测光从光纤的另一端注入，两束相向传输的光信号在光纤中通过声波发生受激布里渊(sbs)作用，当一束光落在另一束光的布里渊散射谱范围内时，两束光之间发生能量的转移。能量转移最大时两束光的频差等于光纤的布里渊频移，此时连续探测光功率变化最大。通过在不同频差下检测连续光功率的变化即可得到布里渊谱，从而确定光纤的布里渊频移，然后利用布里渊频移与温度或应变的关系，实现沿光纤温度或应变的测量。但是空间分辨率、脉冲宽度、信噪比等衡量系统性能的重要指标彼此之间相互制约，脉冲宽度决定分辨率，脉冲越窄，分辨率越高，但同时布里渊增益越弱，信噪比越低。

采用编码可在不改变光源脉冲宽度、强度及系统叠加次数的前提下，提高系统信噪比。但是单独使用一种脉冲编码技术对系统信噪比的提高幅度有限，无法满足系统对高信噪比的要求。因此，本发明提出一种将ccpons和walsh脉冲编码相结合的技术，并将其应用于botda系统，从而进一步提高系统的信噪比。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使用ccpons和walsh脉冲编码相结合的提高botda系统信噪比的方法。

本发明所使用的botda应变测量系统的结构如图1所示，由激光器、耦合器、电光调制器1、微波信号源、直流电源、掺饵光纤放大器1、隔离器、电光调制器2、掺饵光纤放大器2、脉冲信号发生器、环形器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机组成。

激光器发出的连续光经耦合器一分为二，一路光信号进入经微波信号源和直流电源驱动的电光调制器(electro-opticmodulator,eom)1产生移频光信号，此信号由掺铒光纤放大器(erbiumdopedfiberamplifier,edfa)放大后作为探测光进入传感光纤；另一路光信号经编码脉冲驱动的电光调制器2产生泵浦光，由掺铒光纤放大器放大后进入环行器(circulator)。携带sbs信息的探测光经环形器进入光电检测器，最后由数据采集卡采集，通过解码程序恢复系统的单脉冲响应。为了防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响，在探测光路加入隔离器(opticalisolator,oi)。

botda系统检测端连续探测光变化量δicw与时间t、光频差δυ的关系为

该式也记作系统的单脉冲响应r(t)，icwl为光纤末端(z＝l)处入射的探测光强度，α是光纤损耗系数，l是光纤长度，υg为群速度，δz为由脉冲宽度决定的空间分辨率，gb(ξ，δυ)和ip(ξ，δυ)分别为光纤位置处的布里渊增益和脉冲泵浦光强度。

对于botda系统来说，布里渊频移分辨率是由信噪比(signaltonoiseratio，snr)决定的，可表示为式中，δυb是布里渊线宽。

布里渊频移分辨率直接影响到botda系统的温度和应变分辨率，并可表示为

式中，δt、δε分别表示温度和应变分辨率，cυt、cυs分别表示布里渊频移的温度和应变系数。

可以看出，连续探测光的变化量δicw主要与空间分辨率和脉冲泵浦光强度有关。当提高系统空间分辨率时，δicw减小，snr减小，从而会降低布里渊频移分辨率。脉冲编码botda系统通过向光纤注入脉冲序列，在接收端用数据处理程序恢复单脉冲响应，可以克服空间分辨率和信噪比之间的矛盾，在空间分辨率不变的情况下增加系统信噪比，提高温度与应变分辨率。但是单独使用一种脉冲编码技术对系统信噪比的提高幅度有限，无法满足系统对高信噪比的要求。因此，本发明提出一种将ccpons和walsh脉冲编码相结合的技术，并将其应用于botda系统，从而进一步提高系统的信噪比。

ccpons码是由一对互补序列组成的两行两列矩阵开始，经过行列附加得到的2^m×2^m阶(m为正整数)矩阵。矩阵的每一行都存在另一行与之形成一对互补序列。由正交矩阵产生的互补相关正交序列为：

cm(k)＝ak，bk，ck，dk

＝{a(m-1)k，b(m-1)k}，{a(m-1)k，-b(m-1)k}，{b(m-1)k，a(m-1)k}，{-b(m-1)k，a(m-1)k}

式中，k的值为1，2，3，…，2^m-2。

设标准正交相关序列ak，bk，ck，dk的长度为n，则它们的互相关函数之和为式中，“★”表示相关运算。

由于ccpons码是一种双极性码，需将原来四组双极性ccpons码通过偏置分成八组单极性脉冲序列。通过以下方法得到四组单极性码：

式中，a0、b0、c0、d0表示“+1”。

其相应的四组互补码采用以下方式获得：

八组单极性ccpons码用于botda系统中，产生相同码型的光脉冲进入传感光纤，然后分别检测与之相应的八组响应信号

对其进行解码,得到系统最终的响应：

式中，“”表示卷积运算，ci(t)为已调制的泵浦信号，n为码长。

通过计算得ccpons码botda系统的编码增益即信噪比改善量为：

walsh码可由hadamard矩阵的行或列映射构成，码的种类等于码的长度。

一阶hadamard矩阵为：

h1＝(1)

二阶hadamard矩阵为：

n阶hadamard矩阵可以由以下递推公式构成：

其中，n＝2m，m＝1，2，3，…

用w(0)表示walsh序列0，即hadamard矩阵的第一行,w(k)表示walsh序列k即hadamard矩阵的第k+1行。n阶walsh函数(n＝2n，n＝0，1，2……)对应于walsh序列w(0)，w(1)，...，w(n-1)，每个walsh序列的长度均为n。

walsh码具有理想的正交性，即自相关函数ra(0)＝1，互相关函数rc(0)＝1。

由于walsh码是一种双极性码，与ccpons码类似，需将原来四组双极性walsh码通过偏置分成八组单极性脉冲序列。八组单极性walsh码用于botda系统中，产生相同码型的光脉冲进入传感光纤，然后分别检测与之相应的八组响应信号，对其进行与ccpons码类似的解码操作。

walsh码botda系统的编码增益即信噪比改善量为

用ccpons和walsh组合脉冲编码调制泵浦光的示例如图2所示。将4位walsh码的每个元素与4位ccpons码的每个元素相乘，该乘法产生由两编码组合的16位编码。

组合编码在botda系统中的解码过程如图3所示。将探测到的16路信号分成4组，每4路回波信号为1组。先分别对每组信号进行ccpons解码，得到1组输出响应，再将解码得到的4组响应信号通过walsh解码后获得最终的输出响应r(t)。

设每路光信号注入被测光纤中受到的噪声干扰均方值为σ²，信号经ccpons解码后系统噪声减小为σ²/gc²，再经walsh解码后系统噪声减小为σ²/(gcgw)²。通过计算得ccpons码和walsh码结合后botda系统的编码增益即信噪比改善量为：

本发明的有益效果是：将ccpons和walsh组合脉冲编码引入到botda系统中，能在有限的编码长度下大幅提高系统信噪比，从而提高传感距离。

附图说明

图1是botda应变测量系统示意图；

图2是用ccpons和walsh组合脉冲编码调制泵浦光的示例；

图3是ccpons和walsh组合脉冲解码过程示意图；

图4是单脉冲工作方式下的系统响应曲线；

图5是单独采用4阶ccpons编码时对应的系统响应曲线；

图6是单独采用4阶walsh编码时对应的系统响应曲线；

图7是采用4阶ccpons和4阶walsh组合编码时对应的系统响应曲线。

具体实施方式

实施例1：

选用santec公司的tsl-510可调激光器作载波光源，激光器的波长范围为1510nm-1630nm，设定波长为1550nm；调制器1、调制器2均为photline公司的mxan-ln-40，带宽为32ghz；直流偏压为9v；放大器为中兴通讯有限公司的掺铒光纤放大器，波长范围为1530～1565nm，放大倍数大于35倍；微波信号源为安捷伦公司的8257d；安捷伦公司的脉冲码型信号发生器，型号为81134a，频率范围为15mhz～3.35ghz；光电探测器为泰克公司的sd-48，带宽为35ghz；传感光纤为长飞光纤光缆有限公司的光纤，受激布里渊增益线宽为40mhz，布里渊频移量，长度为300米；光隔离器的隔离度大于40db；数据采集卡为ni公司的pci-5114数据采集卡，采样频率为100msps。