專利名稱：提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學傳感器，尤其是在分布式光纖傳感領(lǐng)域利用提高探測性能的新型 編碼技術(shù)。
背景技術(shù)：
與常規(guī)傳感技術(shù)相比，光纖傳感具有抗電磁干擾和原子輻射、重量輕、體積小、絕 緣、耐高溫、耐腐蝕等眾多優(yōu)異的性能，越來越受到特殊場合或惡劣環(huán)境應(yīng)用的青睞。分布 式光纖傳感技術(shù)是在上個世紀70年代末隨著現(xiàn)在光纖工程中仍應(yīng)用十分廣泛的光時域反 射(0TDR)技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。最近十年左右又出現(xiàn)了一系列新的分布式光纖傳感 機理和測量系統(tǒng)，具有同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的 能力，而且可以在一維傳感的基礎(chǔ)上組成二維甚至三維的傳感結(jié)構(gòu)，因此，已經(jīng)被逐漸應(yīng)用 到多個領(lǐng)域(例如石油化工、航空航天、地質(zhì)和巖土工程、交通、電力等等)。目前，這項技術(shù) 已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。依據(jù)信號的性質(zhì)，分布式光纖傳感技術(shù)又可 以分為基于后向瑞利散射、拉曼效應(yīng)、布里淵效應(yīng)、偏振效應(yīng)等種類。分布式光纖傳感系統(tǒng)所存在的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題包括(1)系統(tǒng)的測量精度與空 間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；(2)檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有 較高的信噪比；(3)由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟 蹤等處理，因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間。為提高探測靈敏度，研究人員曾經(jīng)在0TDR傳感設(shè)備中采用簡單的S矩陣編碼方 式(M. D. Jones,"Using Simplex Codes to Improve OTDR Sensitivity,"IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17，no. 7,822-824，1993)，后來又在近幾年中應(yīng)用到拉曼和布 里淵分布式光纖傳感器中，以提高系統(tǒng)的接收信噪比，實現(xiàn)更精確的溫度測量(Marcelo A.Soto, et. al, "Brillouin-Based Distributed Temperature Sensor Employing Pulse Coding,"IEEE Sensors Journal,vol. 8,no. 3, 225-226, 2008 ；J. Park, et al,"Raman-Based Distributed Temperature Sensor with Simplex Coding and Link Optimization,"IEEE Photonics Technology Letters, vol. 18，no. 17，1879-1881，2006)，編碼長度為 63，127 或 255比特。具體來講，在自發(fā)布里淵散射分布式傳感裝置中，對泵浦光進行編碼，也就是以編 碼矩陣每行元素所對應(yīng)的值驅(qū)動泵浦光，以經(jīng)過編碼的一連串泵浦光信號代替單脈沖。由 于光纖所處環(huán)境溫度與布里淵散射光功率成正比，則可將分布式光纖傳感器等效為線性系 統(tǒng)，用編碼矩陣的逆矩陣即解碼矩陣對散射光解碼，疊加處理之后可解調(diào)出原始的溫度分 布 ° 例如，文獻(D.Lee, et al, "Analysis and experimental demonstraion of simplex coding technique for SNR enhancement of OTDR," IEEE LTIMC,118-122, New York, Oct. 2004)中以m序列逐漸循環(huán)右移所得序列組成的S矩陣作為編碼矩陣，實現(xiàn)對泵浦光
'1 0 1"
的編碼。該設(shè)計中以碼長為3的序列[1 0 1]為例，所得S矩陣為1
1 1 0 0 1 1
，而隨著編碼長度的增加，在終端所能探測到的散射光功率會隨著提高，相應(yīng)能解調(diào)出的溫度分布的不 確定度會隨著降低，有效的提高了光纖傳感器的信噪比。使用S矩陣對泵浦光編碼可得到 (Z + 1M2VI)的編碼增益，其中L為編碼長度(上述例子中L = 3)。但是這些技術(shù)的探測性能(信噪比)還不高，距離在實際應(yīng)用還有一段距離。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點，本發(fā)明的目的是通過構(gòu)造新的編碼方式，以進一步提 高傳感裝置的靈敏度和信噪比。本發(fā)明的另一目的是將構(gòu)造新的編碼方式應(yīng)用在更多種類 的分布光纖傳感設(shè)備中。本發(fā)明的目的是基于如下分析和方案提出和實現(xiàn)的提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)，采用編碼矩陣每行元素對應(yīng)的幅 度脈沖序列調(diào)制到泵浦光上，然后進入傳感光纖，傳感光纖在外界參數(shù)改變情況下所返回 的光信號會發(fā)生變化，通過對接收到的光電轉(zhuǎn)換信號進行解碼處理分析出傳感光纖沿線外 界參數(shù)改變的分布情況，所述編碼矩陣包含如下特征1)其逆矩陣的所有元素的平方和最 ??；2)編碼矩陣元素包括N，N-l，N-2， ()多個單元級別，其中N的值不小于2;3)編碼矩 陣的階數(shù)NXN與泵浦光脈沖長度L之間的關(guān)系為N = 2 (L-1)。采用本發(fā)明相比沒有編碼或采用原有編碼方式的分布式光纖傳感設(shè)備在探測靈 敏度和信噪比方面有了很大提高，而且可以縮短編碼長度，減少編碼泵浦光的發(fā)送次數(shù)，獲 得較高的編碼增益。可應(yīng)用在不同分布式光纖傳感器中，對溫度或壓力等參數(shù)實現(xiàn)高靈敏 度的監(jiān)測，在石油化工、航空航天、地質(zhì)和巖土工程、交通、電力等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。
圖1為典型自發(fā)布里淵散射(B-0TDR)分布式傳感裝置示意圖。圖2為無編碼的B-0TDR傳感光纖溫度變化與對應(yīng)的探測光強隨時間變化分析，其 中a為無溫度變化情形；b為局部溫度變化情形。圖3為無編碼情況下解調(diào)出的沿光纖溫度分布圖。圖4為本發(fā)明實施一個典型結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明與已有編碼方式在解調(diào)信號質(zhì)量上的對比圖，其中a為原編碼方式， b為新編碼方式(本發(fā)明方式)。圖6為本發(fā)明與已有編碼方式在接收到的散射光功率上的對比圖，其中a為原編 碼方式，b為新編碼方式。圖7為本發(fā)明編碼方式與原編碼方式在編碼增益上改進對比。圖8為對應(yīng)的實驗實現(xiàn)裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。圖1表示了分布式自發(fā)布里淵散射(B-0TDR)光傳感技術(shù)的示意圖，光脈沖(以一 定脈沖寬度的電信號調(diào)制泵浦激光器)注入傳輸光纖的一端，光纖中的后向散射光作為時
4間的函數(shù)，同時帶有光纖沿線應(yīng)力或溫度分布的信息，而布里淵頻移量與光纖應(yīng)變或溫度 的變化呈良好的線性關(guān)系，因此可以通過測量布里淵散射頻移量得到光纖中的應(yīng)變與溫度 分布。考慮到基于自發(fā)布里淵效應(yīng)的光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單，實際工程應(yīng)用方便，但信號 檢測難度較大，更具有代表性，因此，我們以此為對象進行分析，監(jiān)測量也以溫度分析為代 表。但值得指出的是，本發(fā)明也可以在其它幾種分布式傳感器(受激布里淵、拉曼、0TDR等) 或者監(jiān)測其它參量(如應(yīng)力或形變等)的具體應(yīng)用中提高探測的性能。對自發(fā)布里淵散射效應(yīng)來講，其簡單的理論模型可用耦合幅度方程表示如下 式中，Ep、Es分別是泵浦光(圖1中的激光器)和斯托克斯光的復振幅，P是光纖 材料密度的復變幅，n是纖芯折射率，c是自由空間中的光速，a是衰減系數(shù)，1\是聲子密
度衰減率，k與A是布里淵耦合常數(shù)，/ =是與溫度T有關(guān)的熱噪聲，其
中kB是玻爾茲曼常數(shù)，v是聲速，A與L分別是光纖的有效面積和長度。對于自發(fā)布里淵散 射，沒有信號光從光纖尾端輸入，泵浦光采用光脈沖泵浦，即&初始化為脈沖的形式。布里 淵散射由泵浦光與光纖密度的熱起伏產(chǎn)生，其熱起伏由參數(shù)f 描述，參數(shù)f表示一個高斯隨 機過程。通過設(shè)定熱噪聲項f中的溫度T的值，可觀察光纖所處環(huán)境的溫度變化其中傳輸?shù)?斯托克斯光功率的變化情況，此為基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖傳感器的理論基礎(chǔ)。對于普通的標準單模傳感光纖來講，泵浦光的波長1. 55 ym，其他重要參數(shù)包括 a = 0. 2dB/km, TB = 1/Ta = 7ns, kB = 1. 38X10_23J/K，A = 80X10_12m2，c = 3X108m/s， P o = 2210kg/m3，v = 5960m/s。以這些參數(shù)為基礎(chǔ)，我們可以得到圖2中所示的探測相應(yīng) 曲線，其中圖2a代表了沿光纖分布無溫度變化情況下探測到的布里淵散射光功率隨時間 變化(遠距離處反射回的信號對應(yīng)時間長，而且光功率較小)，圖2b則反映了當沿光纖分布 有局域溫度變化情況下所探測到的光功率隨時間(對應(yīng)光纖內(nèi)位置)變化。自發(fā)布里淵散 射光功率很小，所以對基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖傳感器來說，散射光的探測是很 大的問題。圖3顯示了圖2b對應(yīng)的溫度變化經(jīng)探測和解調(diào)后分析結(jié)果，可以看到信號的噪 聲很大，測量溫度的不穩(wěn)定性(不準確性)可以大于10K。因此，必須采用新的技術(shù)提高探 測信噪比。其中一種技術(shù)就是對光源(泵浦)進行編碼。通過對S矩陣及其逆矩陣的分析發(fā)現(xiàn)，要得到更高編碼增益的編碼矩陣，則要求
m2分別賦初值[1 0 0],
并代入編碼矩陣中，將其中為0的元素依次賦1，計算每種
其逆矩陣的所有元素的平方和最小。因此，假定由ml、m2組合成編碼矩陣為
情況下解碼矩陣所有元素的平方和，取其最小即編碼增益最大的組合，計算所得ml、m2的 結(jié)果分別為[1 1 0]、[1 0 1](對應(yīng)的情形就是前面報導過的技術(shù))。我們基于上述設(shè)計 原理，通過分析，將為1的元素依次賦2，最后得到的ml、m2分別為[2 1 0]、[1 0 2]，即編
4亥矩陣的編碼增益為1. 913dB,大于S矩陣碼長為3時的1. 155dB，
可獲得更大的編碼增益。其他碼長的編碼矩陣同理可得，若ml、m2的長度為L，編碼矩陣 為2(L-1)X2(L-1)階，而實際發(fā)送的泵浦光序列長度為L。圖4表示了本發(fā)明的典型設(shè)計 裝置圖，編碼后的電脈沖序列通過編程控制器110(例如FPGA/CPLD/DSP等)產(chǎn)生并控制 驅(qū)動源111，然后再去驅(qū)動泵浦激光器101，產(chǎn)生一系列編碼后的光脈沖序列。光脈沖通過 一光纖環(huán)行器102進入傳感光纖103。傳感光纖可以分為溫度(或壓力)不變的前后部分 1031和1033，溫度變化的部分為1032。散射回來的傳感信號再經(jīng)過環(huán)行器102后由光濾 波器(0-BPF) 104去除放大器噪聲，然后再經(jīng)環(huán)行器105和窄帶光纖光柵濾波器106將瑞 利散射光與反斯托克斯布里淵散射(Anti-Stokes Brillouin Scattered)光信號分開，然 后布里淵散射光進入光電探測器107(雪崩型APD)，轉(zhuǎn)化的電信號經(jīng)高增益的跨導放大器 (TIA) 108和模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC) 109后送到編程控制器110進行信號處理與分析。我們選取3. 5公里單模傳感光纖進行分布式自發(fā)布里淵散射光纖傳感性能對比， 以不同編碼矩陣編碼所得的光脈沖作為泵浦光，脈寬100納秒(ns)，峰值功率3毫瓦(mW)， 離光纖始端1公里到2. 5公里范圍內(nèi)的溫度設(shè)為340K，其他位置的溫度設(shè)為300K。圖5表示了經(jīng)解調(diào)后溫度分布與距離的關(guān)系，其中a采用的是原來的S矩陣，而b 采用的是新的編碼方式。與圖3對比，顯然編碼后的信噪比有了很大的提高。這里碼長采 用的都是15 (采用更長的碼長會有更大的改進)。兩種編碼方式在這個方面的改進基本一 致，而在圖6中，可以看到，新的編碼方式(圖6b)可以使得探測的信號強度明顯高于原來 的編碼方式(圖6a)，具有更大的編碼增益。這樣子可以減少泵浦光的發(fā)送次數(shù)，簡化編碼 過程。圖7則進一步對比了本發(fā)明新編碼方式(新矩陣)的編碼增益(S矩陣對應(yīng)原來的 編碼方式)隨著碼長增加的改進情況。一個具體實施例子如圖8所示。激光器泵浦源采用的是外腔型(External Cavity Laser, ECL)，其帶寬為幾百KHz，中心波長1550nm，經(jīng)一摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)放大，再經(jīng)光濾波器(Optical Filter, OF)初步濾掉光噪聲， 然后通過偏振控制器(Polarization Controller, PC)進入外調(diào)制器(Mach-Zehnder InterferometerJZI)，電域編碼調(diào)制信號由控制處理單元產(chǎn)生輸入波形產(chǎn)生器(Waveform Generator, WFG)，加到MZI上，經(jīng)環(huán)行器輸入傳感光纖。傳感光纖分為三段，首段10. 5公里 和尾段9. 5公里保持溫度穩(wěn)定在300K，而中間1公里光纖放在溫控箱內(nèi)，并將其溫度設(shè)定在 343K。其它結(jié)構(gòu)與圖4說明基本一致，光纖光柵帶寬為6GHz。經(jīng)過實驗測量(圖中BPF代 表帶通濾波器-Bandpass Filter ；FBG代表光纖光柵-Fiber Bragg Grating ;ADC代表模數(shù) 轉(zhuǎn)換器-Analog Digital Converter ;TIA 代表跨導放大器-Transimpedance Amplifier ； APD代表雪崩型光電探測器-Avalanche Photo Diode)，與前面所得到的結(jié)論基本吻合，驗 證了本發(fā)明的優(yōu)越性。
在實際實施時，可以采用直接調(diào)制到泵浦激光器本身或者采用外接電光調(diào)制器進 行調(diào)制方式。傳感器可以是基于不同光纖散射效應(yīng)，包括拉曼、布里淵或瑞利散射。所述外 界參數(shù)可以是壓力、溫度或者形變。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于普通光時域反射、基于布里淵或拉 曼效應(yīng)的分布光纖傳感設(shè)備中。
權(quán)利要求
提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)，采用編碼矩陣每行元素對應(yīng)的幅度脈沖序列調(diào)制到泵浦光上，然后進入傳感光纖，傳感光纖在外界參數(shù)改變情況下所返回的光信號會發(fā)生變化，通過對接收到的光電轉(zhuǎn)換信號進行解碼處理分析出傳感光纖沿線外界參數(shù)改變的分布情況，所述編碼矩陣包含如下特征1)其逆矩陣的所有元素的平方和最小；2)編碼矩陣元素包括N，N-1，N-2，…0多個單元級別，其中N的值不小于2；3)編碼矩陣的階數(shù)N×N與泵浦光脈沖長度L之間的關(guān)系為N＝2(L-1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)，其特征在于， 可以采用直接調(diào)制到泵浦激光器本身或者采用外接電光調(diào)制器進行調(diào)制方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)，其特征在于， 所述傳感器可以是基于不同光纖散射效應(yīng)，包括拉曼、布里淵或瑞利散射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)，其特征在于， 所述外界參數(shù)可以是壓力、溫度或者形變。
5.權(quán)利要求1至4所述之編碼技術(shù)的用途，其特征在于，應(yīng)用于普通光時域反射、基于 布里淵或拉曼效應(yīng)的分布光纖傳感設(shè)備中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高分布式光纖傳感器探測性能的編碼技術(shù)及其用途，編碼矩陣包含如下特征1)其逆矩陣的所有元素的平方和最?。?)編碼矩陣元素包括N，N-1，N-2，…0多個單元級別，其中N的值不小于2；3)編碼矩陣的階數(shù)N×N與泵浦光脈沖長度L之間的關(guān)系為N＝2(L-1)。本發(fā)明相比沒有編碼或采用原有編碼方式的分布式光纖傳感設(shè)備在探測靈敏度和信噪比方面有了很大提高，而且可以縮短編碼長度，減少編碼泵浦光的發(fā)送次數(shù)，獲得較高的編碼增益?？蓱?yīng)用在不同分布式光纖傳感器中，對溫度或壓力等參數(shù)實現(xiàn)高靈敏度的監(jiān)測，在石油化工、航空航天、地質(zhì)和巖土工程、交通、電力等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。
文檔編號G01B11/16GK101852627SQ200910058799
公開日2010年10月6日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者張志勇, 潘煒, 羅斌, 蔣志遠, 閆連山 申請人:西南交通大學