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专利名称：一种相位敏感光时域反射系统及提高其信噪比的方法
技术领域：
本发明属于全分布式光纤振动测量系统领域，具体涉及一种基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射系统及其提高信噪比的方法。
背景技术：
基于瑞利散射机理的相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)系统，是目前最重要的一种全分布式振动测量技术。通过在光纤一端注入相干窄脉冲，检测后向瑞利散射光干涉条纹变化，判断外界扰动引入的相位变化及其沿光纤的空间分布位置。Φ-OTDR系统基于相敏检 测机理灵敏度极高，同时在长距离探测、多点检测定位等方面优于其他光纤分布式振动测量系统，因此在油气输送管道、长距离周界、大型土木结构等安全监测领域具有广泛的应用前景。与其他分布式光纤传感系统类似，传感距离、空间分辨率、探测灵敏度和响应时间等，是Φ-OTDR系统关注的主要性能指标，对于其振动测量应用还包括频率响应范围等。由于光纤后向瑞利散射信号十分微弱，同时长距离光纤传输损耗以及各种噪声叠加的影响，如激光器随机相位噪声、普通光纤中偏振态随机改变引入的部分干涉噪声、光纤局部热起伏噪声和探测器、采集卡等引入的热噪声与肖基特散粒噪声等白噪声，探测信号信噪比普遍较低，直接影响系统的传感距离、空间分辨率和探测灵敏度等性能指标。随着传感距离和空间分辨率的提高，信噪比进一步下降，因此信噪比成为制约Φ-OTDR系统整体性能的关键因素。目前国内外对于Φ-OTDR系统信噪比改善方法主要有在硬件上改变放大机制，或采用保偏器件和塑料增敏光缆；采用相干探测代替直接检测；或在信号处理方法上通过小波去噪和短时傅里叶分析(STFT)等对噪声进行抑制，这些方法具有一定局限性。而其他通用方法如提高激光器功率、增加发射脉冲宽度、累加平均方法等，都是以牺牲系统其他性能指标为前提提高激光器功率容易产生近端信号饱和；增加发射脉冲宽度又会降低空间分辨率；尽管累加平均方法一直作为提高Φ-OTDR系统信噪比一种通用有效的方法，但随着累加次数的增加，测量时间相应增加，系统的频率测量范围相应变小。因此在不影响系统空间分辨率和频率测量范围条件下，在有限测量时间内有效改善探测信号信噪比，进一步延长传感距离，仍然是Φ-OTDR系统需要解决的关键问题。

发明内容
本发明所要解决的问题是在不影响Φ-OTDR系统空间分辨率和频率测量范围等其他性能指标条件下，在有限测量时间内有效改善探测信号信噪比，进一步延长传感距离。本发明所提出的技术问题是这样解决的采用光脉冲编码方法提高Φ-OTDR系统探测信号的信噪比，根据该系统探测脉冲的相干性特点，特提出去相干脉冲编码技术，在对光脉冲进行Simplex码和归零调制相结合方式进行编码时，对序列编码脉冲进行码间的降相干处理，并保留码内相干性，在Φ-OTDR系统中实现脉冲编码方法。为进一步提高系统的测量效率，解码时在快速哈达码变换(FHT)基础上结合滑动平均思想，进行滑动解码。本发明采用的具体技术方案如下基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射系统，包括输出连续光的激光器，使连续光产生光脉冲的强度调制器，用于放大光脉冲的掺铒光纤放大器，将放大后的光脉冲输出到单模光纤并返回后向瑞利散射光的环行器，滤波器，光电探测器，数据采集卡及上位机，还包括由上位机控制输出的双通道波形发生卡，其一通道输出光脉冲编码所需的编码脉冲信号，驱动强度调制器对连续光进行编码，另一通道则输出编码前的脉冲信号对采集卡进行同步采集触发；任意波形发生器(AWG)由编码脉冲信号控制同步输出随机信号，随机信号驱动铌酸锂相位调制器，对调制光脉冲中各码字脉冲进行同步随机相位调制。
本发明还提供一种提高相位敏感光时域反射系统探测信号信噪比的方法，首先对连续光进行Simplex码和归零调制相结合的方式进行编码，去掉序列码间的相干性，保留单位码内的相干性，然后由脉冲型掺铒光纤放大器对其进行脉冲光放大，经环形器输出到单模光纤中，返回的后向瑞利散射光经环形器到光电探测器，进行光电转换得到序列编码脉冲的探测轨迹即各单位码干涉条纹叠加结果；经模数转换后传输给上位机进行解码处理，得到高信噪比的单位码脉冲探测轨迹；由单位码的探测轨迹随时间的变化，进行外界扰动的检测与定位，并对检测结果进行及时输出显示和报警。进一步地，采用Simplex码归零调制编码时，通过外调制方式即序列编码信号通过一个相位调制器，对序列各码字脉冲的相位进行随机调制，进行码间降相干处理。进一步地，将经序列码强度调制后的编码脉冲经过一个铌酸锂相位调制器，根据编码序列中各单位码的间隔时间随机改变序列各码字的初始相位，降低码间的相干性，同时保留码内的相干性，使得序列码各码字脉冲的探测信息相互独立。进一步地，上位机解码时采用快速哈达码变换结合滑动平均思想，进行滑动解码采用L X L的Simplex序列码矩阵进行编码,利用快速哈达码变换对L位Simplex序列码解码时，在发射第一轮的第L组序列码之后，每发射一组序列编码脉冲，从返回的当前这一组探测信号结合该组前面已经得到的(L-I)组探测信号，通过调整顺序即可构成一个完整的Simplex矩阵，然后解码出单脉冲探测轨迹。激光器采用超窄线宽激光器，通常工作波长在1550. 2nm，线宽为2_5KHz，频率稳定性<4MHz/min，输出具有强相干性的连续光；上位机控制双通道波形发生卡产生脉冲信号和脉冲编码信号，其一通道输出序列编码信号，驱动强度调制器(声光调制器或电光调制器)对强相干的连续光进行序列编码，输出序列编码光脉冲；同时双通道波形发生卡另一通道输出编码前脉冲信号，同步触发高速数据采集卡进行数据采集，采集速率通常大于等于50MHz ；任意波形发生器(AWG)由序列编码脉冲作为同步时序控制，根据编码序列中各单位码的间隔时间输出随机信号，控制铌酸锂相位调制器对编码后的序列各码字脉冲光进行同步随机相位调制，去掉序列码间的相干性，同时保留单位码内的相干性；编码脉冲光经码间去相干处理后，由脉冲型掺铒光纤放大器EDFA对其进行脉冲光放大，经大功率环形器1-2端口输出到普通单模光纤中，返回的后向瑞利散射光经大功率环形器2-3端口到光电探测器，进行光电转换得到序列编码脉冲的探测轨迹即各单位码干涉条纹叠加结果；经高速数据采集卡进行模数转换，最后传输给上位机进行解码处理，得到高信噪比的单位码脉冲探测轨迹；由单位码的探测轨迹随时间的变化，进行外界扰动的检测与定位，并对检测结果进行及时输出显示和报警。
该系统中的脉冲编码方法采用线性Simplex序列码,Simplex序列由Hardamard矩阵产生，结合归零调制方法，保证序列脉冲各单位码的相互独立性，对光脉冲进行Simplex码归零调制编码。以L X L的Simplex序列码矩阵为例，矩阵每一行代表发射的一组序列码，L列表示对应序列编码长度为L位，每发射一组序列码得到序列内多个单位码探测轨迹(具体轨迹数目由码字为I的编码脉冲个数决定，通常小于或等于L)的叠加；L行表示L组不同序列码，将L组序列码发射完毕，才能从L组探测轨迹中解码出一个单位码脉冲的测量轨迹，这样每发射L组序列码进行一次解码，依次类推，在监测过程中不断重复以上编解码流程。在采用Simplex码归零调制编码时，通过外调制方式对序列编码脉冲进行码间降相干处理将经序列码强度调制后的编码脉冲经过一个铌酸锂相位调制器，根据编码序列中各单位码的间隔时间随机改变序列各码字的初始相位，降低码间的相干性，同时保留码内的相干性，使得序列码各码字脉冲的探测信息相互独立。基于降相干处理的脉冲编码方法如图I所示，在强度调制器(声光调制器或电光调制器)脉冲光输出端接一个随机信号控制的铌酸锂相位调制器(工作频率DC-GHz);相位调制器随机驱动信号的产生由一个GHz级别输出信号的任意波形发生器(AWG)实现，但要保证随机信号输出与单位码脉冲输出的时间间隔的同步性。通过合理控制单位码脉宽和编码长度来提高系统的空间分辨率以IKHz重复频率(最大探测范围为100km)，O. 2%占空比的单脉冲为例，其脉冲宽度为2us，空间分辨率为200m ;将单脉冲采用127位码长的Simplex序列码进行编码,在相同脉冲峰值功率条件下，单位码脉冲时间间隔仅为(2000/127)ns，即约为80ns，对应的空间分辨率可以达到 I. 6m,因此采用脉冲编码方法在提高信噪比同时，可以将长距离riOOkm) Φ-OTDR系统的空间分辨率提高至米级。解码时采用快速哈达码变换(FHT)结合滑动平均思想，提高解码效率以L X L的Simplex序列码编码矩阵为例，在发射第L组序列码之后，每发射一组序列编码脉冲，从返回的当前这一组探测信号结合该组前面已经得到的(L-I)组探测信号，通过调整顺序即可构成一个完整的Simplex矩阵，可以解码出单脉冲探测轨迹。本发明的有益技术效果是，通过脉冲编码方法，可以在与累加平均相同或更短的测量时间内，在不降低空间分辨率前提下，有效改善相位敏感光时域反射系统的信噪比，进一步延长其传感距离，提高该系统整体性能指标，如探测距离、空间分辨率、频率测量范围、系统响应时间等。


图I为本发明实施例的基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射系统图；图2为本发明实施例的归零调制编码原理图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的描述作为本发明的实施例一，基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)系统，如图I所示，包括超窄线宽激光器(I)、上位机(2)、波形发生卡(3)、强度调制器(声光调制器或电光调制器)(4)、任意波形发生器(AWG) (5)、铌酸锂相位调制器(6)、掺铒光纤放大器EDFA (7)、大功率环形器(8)、普通单模光纤(9)、光电探测器(10)、高速数据采集卡(11)等主要部分。系统的工作流程如下超窄线宽激光器(1)，通常工作波长在1550. 2nm，线宽为2_5KHz，频率稳定性<4MHz/min，输出具有强相干性的连续光；上位机(2)控制双通道波形发生卡(3)产生脉冲信号和脉冲编码信号，其一通道输出序列编码信号，驱动强度调制器(声光调制器或电光调制器)(4)对强相干 的连续光进行序列编码，输出序列编码光脉冲；同时双通道波形发生卡(3)另一通道输出编码前脉冲信号，同步触发高速数据采集卡(11)进行数据采集，采集速率通常大于等于50MHz ；任意波形发生器(AWG) (5)由序列编码脉冲作为同步时序控制，根据编码序列中各单位码的间隔时间输出随机信号，控制铌酸锂相位调制器(6)对编码后的序列各码字脉冲光进行同步随机相位调制，去掉序列码间的相干性，同时保留单位码内的相干性；编码脉冲光经码间去相干处理后，由脉冲型掺铒光纤放大器EDFA (7)对其进行脉冲光放大，经大功率环形器(8) 1-2端口输出到普通单模光纤(9)中，返回的后向瑞利散射光经大功率环形器(8) 2-3端口到光电探测器(10)，进行光电转换得到序列编码脉冲的探测轨迹即各单位码干涉条纹叠加结果；经高速数据采集卡(11)进行模数转换，最后传输给上位机(2)进行解码处理，得到高信噪比的单位码脉冲探测轨迹；由单位码的探测轨迹随时间的变化，进行外界扰动的检测与定位，并对检测结果进行及时输出显示和报警。下面给出基于Simplex序列和归零调制方法对Φ-OTDR光脉冲进行编码的实施例，作为本发明的实施例二Simplex码是一个由I和O构成的单极矩阵，可由Hadamard矩阵转化得到。Hadamard编码本身相对于Simplex编码是一种更高效的消弱噪声影响的编码方式,但由于它是双极性矩阵，而实际光路系统具有非负性，因此大多仍采用Simplex码。Simplex码是解码效率最高的一种编码方法；此外，Simplex码是一种短码长高增益的编码方法；具有线性性质，对脉冲码幅度要求不严格，可以抑制光学系统中泵浦功率不稳定、调制器消光比变化等因素对编码效果的影响；采用Simplex编码还有一个优点，就是可以利用快速Hadamard码变换(FHT)算法进行解码，进一步提高解码效率。另外，对脉冲进行编码的调制方式中，归零调制，如图2所示，相对于非归零调制方式能够确保序列中各单位码的独立性，因此Φ-OTDR系统采用Simplex码归零调制方式编码光脉冲。下面将Simplex序列引入到Φ-OTDR系统中，给出基于3阶Simplex码的编解码过程3阶Simplex序列码矩阵如下，L=3
I ο Γ51= O I I
II O它的逆矩阵(由Hardamard码矩阵的逆得到)，为
设单脉冲光P1 (t)经Φ-OTDR系统得到的不包含噪声的理想测量轨迹或信号为 !(t);序列编码脉冲为一系列具有相对时延为η τ的单脉冲光P1U)，P2 (t) =P1U-T),P3(t) =P1 (t_2 τ )的叠加，其中τ为各单位码脉冲间的时间间隔，经光纤传输返回得到的是与之相对应的理想测量轨迹= Qj(t- τ ) , ω3( ) = ω j (t~2 τ )的线性叠力口。设ei(t)、e2(t)、e3(t)分别为各独立码脉冲的测量噪声，最后在检测端得到的实际探测信号轨迹为njt)、n2(t), n3(t)，那么序列编码过程可以建立以下信号模型对于采用以上3阶Simplex序列编码脉冲的实际探测结果进行解码，解码模型为 解码后得到的信号cojt)、co2(t)、co3(t)是相对时延为ητ的实际单脉冲探测轨迹。将其在时间域上对齐，求取平均作为最终可以直接进行检测和定位的单脉冲探测信号作为本发明的实施例三，下面介绍基于3阶Simplex码归零调制编码及降相干处理的具体实现过程上位机(I)按存储的Simplex矩阵序列码，例如101、011、110控制波形发生卡(3)按照如图2 (a)所示的归零调制方式，周期性向外发射序列码信号。发射的序列码信号驱动强度调制器(声光调制器或电光调制器)(4)对超窄线宽激光器(I)输出的相干光进行序列编码，与第一组序列码相对应的第一个序列脉冲光为ρ^υ+κα)，与第二组序列码相对应的第二个序列脉冲光为P2(t)+P3(t)，与第三组序列码相对应的第三个序列脉冲光为ΡΑΟ+Κα)。编码后的序列光脉冲经过一个工作频率在DC-GHz的铌酸锂相位调制器(6)，进行随机相位的调制。铌酸锂相位调制器的随机驱动信号由一个输出信号频率在GHz的任意波形发生器(AWG) (5)或由上位机(2)控制波形发生卡(3)产生，本发明实施例三中采用图I的系统结构，由一个任意波形发生器(AWG)，按照单位码脉冲的时间间隔控制产生随机信号对铌酸锂相位调制器(6)进行驱动。作为本发明的实施例四，下面介绍如何通过控制单位码脉宽和编码长度来提高系统的空间分辨率。以IKHz重复频率(最大探测范围为100km)，0. 2%占空比的单脉冲为例，其脉冲宽度为2us，空间分辨率为200m ;将单脉冲采用127位码长的Simplex序列码进行编码，在相同脉冲峰值功率条件下，单位码脉冲时间间隔仅为(2000/127) ns,即约为80ns，对应的空间分辨率可以达到 I. 6m,因此采用脉冲编码方法在提高信噪比同时，可以将长距离riOOkm) Φ-OTDR系统的空间分辨率提高至米级。作为本发明的实施例五，下面介绍本发明涉及的滑动快速解码方法仍以一个3阶的Simplex编码矩阵为例，编码矩阵为，
权利要求
1.基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射系统，包括输出连续光的激光器，使连续光产生光脉冲的强度调制器，用于放大光脉冲的掺铒光纤放大器，将放大后的光脉冲输出到单模光纤并返回后向瑞利散射光的环行器，滤波器，光电探测器，数据采集卡及上位机，其特征在于还包括由上位机控制输出的双通道波形发生卡，其一通道输出光脉冲编码所需的编码脉冲信号，驱动强度调制器对连续光进行编码，另一通道则输出编码前的脉冲信号对采集卡进行同步采集触发；任意波形发生器(AWG)由编码脉冲信号控制同步输出随机信号，随机信号驱动铌酸锂相位调制器，对调制光脉冲中各码字脉冲进行同步随机相位调制。
2.一种提高相位敏感光时域反射系统探测信号信噪比的方法，其特征在于首先对连续光进行Simplex码和归零调制相结合的方式进行编码，去掉序列码间的相干性，保留单位码内的相干性，然后由脉冲型掺铒光纤放大器对其进行脉冲光放大，经环形器输出到单模光纤中，返回的后向瑞利散射光经环形器到光电探测器，进行光电转换得到序列编码脉冲的探测轨迹即各单位码干涉条纹叠加结果；经模数转换后传输给上位机进行解码处理，得到高信噪比的单位码脉冲探测轨迹；由单位码的探测轨迹随时间的变化，进行外界扰动的检测与定位，并对检测结果进行及时输出显示和报警。
3.根据权利要求2所述的一种提高相位敏感光时域反射系统探测信号信噪比的方法，其特征在于采用Simplex码归零调制编码时，通过外调制方式即序列编码信号通过一个相位调制器，对序列各码字脉冲的相位进行随机调制，进行码间降相干处理。
4.根据权利要求3所述的一种提高相位敏感光时域反射系统探测信号信噪比的方法，其特征在于将经序列码强度调制后的调制光脉冲经过一个铌酸锂相位调制器，根据编码序列中各单位码的间隔时间随机改变序列各码字的初始相位，降低码间的相干性，同时保留码内的相干性，使得序列码各码字脉冲的探测信息相互独立。
5.根据权利要求2 4任一项所述的一种提高相位敏感光时域反射系统探测信号信噪比的方法，其特征在于上位机解码时采用快速哈达码变换(FHT)结合滑动平均思想，进行滑动解码。
6.根据权利要求5所述的一种提高相位敏感光时域反射系统探测信号信噪比的方法，其特征在于上位机解码时采用快速哈达码变换(FHT)结合滑动平均思想，进行滑动解码采用L X L的Simplex序列码矩阵进行编码,利用快速哈达码变换对L位Simplex序列码解码时，在发射第一轮的第L组序列码之后，每发射一组序列编码脉冲，从返回的当前这一组探测信号结合该组前面已经得到的(L-I)组探测信号，通过调整顺序即可构成一个完整的Simplex矩阵，然后解码出单脉冲探测轨迹。
全文摘要
本发明提出一种通过光脉冲编码提高相位敏感光时域反射系统及提高其信噪比的方法。基于Simplex序列与归零调制方式编码脉冲时，通过外调制方法随机改变序列编码脉冲各码字的初始相位，对序列码间的相干性进行降相干处理，保留单位码内的相干性；并通过滑动快速解码的方法进行解码。本发明在提高系统信噪比、延长传感距离的同时，不仅不会降低系统空间分辨率，还可以有效提高空间分辨率；利用滑动快速解码方法，使得编码脉冲的测量时间等同于单次测量时间，比累加平均的测量方法效率更高，扩大了系统的频率测量范围，因此光脉冲编码方法是一种高效率的相敏光时域反射系统信噪比改善方法，可以有效提高系统的整体性能。
文档编号G01H9/00GK102636251SQ20121014914
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者吴慧娟, 彭正谱, 李小玉, 王杰, 贾新鸿, 饶云江 申请人:电子科技大学