一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法。

背景技术

分布式光纤应变传感的原理是：向光纤两端输入两束光，并将光纤中返回的散射信号解算成应变和温度变化。当泵浦光和探测光两束光在光纤中相遇，且当频率差在布里渊频谱内，会产生布里渊散射效应，探测光强被泵浦光所改变。若对探测光进行扫频，则可测得光纤中每一个位置点的布里渊增益谱特性。从布里渊增益谱可以提取布里渊频移，由于布里渊频移与光纤所受应力、温度在一定范围内呈线性关系，故通过测量布里渊增益谱，可以推算出光纤每一个位置点处的应变、温度分布。

传统BOTDA(Brillouin optical time domain analysis)是基于“泵浦-探测”结构，泵浦脉冲光和连续探测光相对注入待测光纤，测量所得布里渊信号是泵浦脉冲光各部分子脉冲所对应子布里渊信号共同作用的结果，定位不确定度在一个脉宽范围，即系统的空间分辨率对应于泵浦脉冲光的脉宽。通常降低脉宽可以提高空间分辨率，但是，由于声子寿命的限制，脉宽小于10ns后，声波场未完全建立，布里渊信号的信噪比迅速恶化，同时，布里渊谱型严重展宽，扫频范围增大。

现有技术中无论是特殊脉冲方案还是算法解调方案虽然能够有效提高空间分辨率，但是这些均没有充分利用到分布式布里渊增益谱的时间域和频率域信息，而且仍有诸多限制，尤其还存在算法解调后布里渊信号的信噪比急剧下降的问题。

发明内容

为此，本发明提出一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。

一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法，包括以下步骤：

步骤一、利用BOTDA系统测量待测光纤的布里渊增益谱；所述待测光纤包括多个接续点；

步骤二、对所述布里渊增益谱进行解调和去噪；

步骤三、对解调和去噪后的布里渊增益谱进行曲线拟合，获得每个布里渊增益谱的中心频率，即分布式的布里渊频移；

步骤四、根据布里渊频移计算获取应变量。

进一步地，步骤一的具体过程包括：

窄线宽光纤激光器作为光源，经过光纤耦合器分为两路；上支路光束经过EOM1进行强度调制产生脉冲光，EOM1驱动信号来自AWG；随后，脉冲光经过EDFA1光功率放大后作为泵浦光；下支路光束经过EOM2进行载波抑制的一阶双边带调制，作为探测光；EOM2驱动信号来自微波源输出的正弦微波信号，泵浦脉冲光和双频探测光分别经过光纤环形器和光纤隔离器后，以相对方向注入待测光纤；双频探测光先后通过光学环形器和可调谐光纤布拉格光栅滤波器，选取-1阶边带作为布里渊信号；PD用于探测布里渊信号，采用AC输出模式；示波器用来采集数据；两束光的偏振态和光学实验仪器都对齐到慢轴。

进一步地，步骤二的具体过程包括：

步骤二一、提取布里渊增益谱的上升沿并求导获得非线性权重系数矩阵；

步骤二二、重构布里渊增益谱分布；

步骤二三、对重构的布里渊增益谱进行自平均去噪。

进一步地，步骤二一中所述非线性权重系数矩阵表示为：

式中，a

进一步地，步骤二二的具体过程包括：根据非线性权重系数矩阵A

式中，Y

进一步地，步骤二三的具体步骤包括：

选取不同频率的多条布里渊信号的上升沿，通过求导分别获得多个非线性权重系数矩阵，并分别计算出多个重构布里渊增益谱分布，对多个重构布里渊增益谱分布进行平均去噪声。

进一步地，步骤三中所述曲线拟合包括洛伦兹拟合方法。

进一步地，步骤四的具体过程包括：

对待测光纤的每段光纤应变量的计算公式如下：

式中，Δε

本发明的有益技术效果是：

本发明在不增加BOTDA系统硬件设施的情况下，考虑到布里渊增益谱分布具有很大的信息冗余度，利用时域中的布里渊信息重构出一种更锐化清晰的布里渊增益谱分布，然后，利用频率域信息对重构的布里渊增益谱分布进行自平均去噪声，从而提高信噪比；然后，通过对分布式的布里渊增益谱进行曲线拟合，即可获得每个布里渊增益谱的中心频率，即分布式的布里渊频移，进而根据布里渊频移计算获取应变值。本发明增强了BOTDA的空间分辨率，有效降低了布里渊频移的拟合误差，进而提高了光纤应变量的测量准确率。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明实施例一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法的流程图；

图2是本发明实施例中BOTDA系统测量布里渊增益谱分布示意图；

图3是本发明实施例中测量所得布里渊增益谱分布的示意图；

图4是本发明实施例中差分之后的布里渊增益谱分布示意图；

图5是本发明实施例中最终获得的布里渊增益谱分布示意图；

图6是本发明实施例中曲线拟合后获得的布里渊频移分布示意图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

本发明实施例提供一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用BOTDA系统测量待测光纤的布里渊增益谱；所述待测光纤包括多个接续点；

根据本发明实施例，测量布里渊增益谱的过程为：窄线宽光纤激光器作为光源，经过光纤耦合器分为两路；上支路光束经过EOM1进行强度调制产生脉冲光，EOM1驱动信号来自AWG；随后，脉冲光经过EDFA1光功率放大后作为泵浦光；下支路光束经过EOM2进行载波抑制的一阶双边带调制，作为探测光；EOM2驱动信号来自微波源输出的正弦微波信号，泵浦脉冲光和双频探测光分别经过光纤环形器和光纤隔离器后，以相对方向注入待测光纤；双频探测光先后通过光学环形器和可调谐光纤布拉格光栅滤波器，选取-1阶边带作为布里渊信号；PD用于探测布里渊信号，采用AC输出模式；示波器用来采集数据；两束光的偏振态和光学实验仪器都对齐到慢轴。

步骤二、对所述布里渊增益谱进行解调和去噪；

根据本发明实施例，首先，提取布里渊增益谱的上升沿并求导获得非线性权重系数矩阵；然后，重构布里渊增益谱分布；最后，对重构的布里渊增益谱进行自平均去噪。

步骤三、对解调和去噪后的布里渊增益谱进行曲线拟合，获得每个布里渊增益谱的中心频率，即分布式的布里渊频移；所述曲线拟合包括洛伦兹拟合方法。

步骤四、根据布里渊频移计算获取应变量。

本实施例中，优选地，非线性权重系数矩阵表示为：

式中，a

本实施例中，优选地，根据非线性权重系数矩阵A

式中，Y

本实施例中，优选地，选取不同频率的多条布里渊信号的上升沿，通过求导分别获得多个非线性权重系数矩阵，并分别计算出多个重构布里渊增益谱分布，对多个重构布里渊增益谱分布进行平均去噪声。

本实施例中，优选地，对待测光纤的每段光纤应变量的计算公式如下：

式中，Δε

本发明另一实施例提供一种高空间分辨率布里渊应变传感测量方法，首先，利用如图2所示的BOTDA系统测量布里渊增益谱分布。窄线宽光纤激光器作为光源，经过90:10的光纤耦合器分为两路；上支路光束经过EOM1进行强度调制产生脉冲光，EOM1驱动信号来自AWG的CH1；随后，脉冲光经过EDFA1光功率放大后作为泵浦光；下支路光束经过EOM2进行载波抑制的一阶双边带调制，作为探测光；EOM2驱动信号来自微波源输出的正弦微波信号，泵浦脉冲光和双频探测光分别经过光纤环形器和光纤隔离器后，以相对方向注入待测光纤。双频探测光先后通过光学环形器和可调谐光纤布拉格光栅滤波器(TFBG)，选取-1阶边带作为布里渊信号。PD用于探测布里渊信号，为了提高信噪比，采用AC输出模式。示波器用来采集数据。待测光纤为保偏光纤，两束光的偏振态和光学实验仪器都对齐到慢轴。通过数字信号处理对采集到的布里渊增益谱分布进行解调和去噪。

BOTDA系统的空间分辨率对应于泵浦脉冲光的脉宽，通常需要减少泵浦光脉冲宽度来提升空间分辨率，当达到1m空间分辨率后，该方法继续提升空间分辨率时存在以下限制：1)声子寿命的影响：布里渊信号的增益随着泵浦脉冲光脉宽增加而呈指数型增加的，如果泵浦光脉宽小于声子寿命，由于声波场还未达到稳态，布里渊信号的信噪比较弱，这样就降低了BOTDA系统的测量精度和测量长度；2)布里渊增益谱展宽：随着泵浦脉冲光的脉宽降低，尤其是降到10ns以下，泵浦脉冲光的频谱展宽现象十分明显，测量所得的布里渊增益谱是本征布里渊增益谱和泵浦脉冲光频谱的卷积，所测量的布里渊增益谱会随着泵浦脉冲光脉宽减小而急剧展宽，频谱中的能量也分散开来，这样会降低布里渊信号的信噪比，从而增加布里渊频移的拟合误差。

因此，本发明实施例提出一种通过对布里渊信号的上升沿求导以获得非线性权重系数，进而增强空间分辨率的算法。

传统的BOTDA测量中，泵浦光调制为脉冲光，探测光为单频率的连续光，二者相对注入待测光纤中。当扫描探测光频率，使得二者频率差位于光纤的SBS作用区域时，泵浦脉冲光沿待测光纤持续地和探测连续光发生相互作用，对其功率进行放大，即为布里渊信号，通过测量放大部分的时间即可定位待测光纤的位置，该布里渊信号最终通过环形器被光电探测器接收进行光电转换，电学信号被数示波器或采集卡收集。分布式的布里渊增益谱可以通过对探测光进行频率扫描获得。

较长的泵浦脉冲光可以认为是由一系列离散的极窄子脉冲在时间上串联而成的，即：

式中，x

每个子脉冲分别和探测光发生SBS作用，都会产生一个子布里渊响应波形，这些波形具有相同的归一化波形y(t)，但相邻的子布里渊响应波形有固定延时τ，由于SBS是非线性过程，这些曲线具有不同的布里渊增益a

布里渊响应的归一化波形y(t)的空间分辨率对应子脉冲的脉宽，而实际采集数据时，子脉冲的脉宽只受限于示波器的采样间隔。由于叠加效应的存在，布里渊信号的空间分辨率从子脉冲的脉宽退化到了泵浦脉冲光的脉宽，在这个过程中，在布里渊信号的前端和尾端分别出现了一个上升沿y

式中，R表示布里渊响应的归一化波形y

由公式(4)可知，非线性权重系数矩阵A

a

a

通常上升沿函数y

接着，沿整个待测光纤的布里渊增益谱分布以矩阵形式表示为，

式中，N表示扫频个数；Y

由于计算增益系数a

本发明充分利用测量所得布里渊增益谱分布的时域信息和频域信息，解调之后，重构的布里渊增益谱分布的空间分辨率对应于子脉冲的脉宽。理论上，对于理想的方波脉冲光，空间分辨率最高可以对应于示波器或采集卡的采样时间间隔，如果要想获得更高的空间分辨率需要扩大细分倍数，这样解调时会增加更多的噪声。在实际应用中，空间分辨率会受到泵浦脉冲光上升沿和下降沿的影响。如果泵浦脉冲光上升沿和下降沿比较陡峭，则边沿变化引起的影响可以忽略；如果边缘比较缓慢，则边沿引起的影响需要考虑在内，因此定义了一个能量权重比：

式中，p

设置一个阈值P_P＝5％，当P_P＜5％，即脉宽以下部分的能量只占脉冲总能量的二十分之一左右，可认为脉冲边缘比较陡峭，只在脉宽范围内进行细分即可；当P_P＞5％时，脉冲边缘比较缓，脉宽以下部分的能量不可忽略，需要以上升沿起点和下降沿终点范围内进行细分。具有上升沿和下降沿的方波脉冲可以用超高斯函数进行模拟：

x

式中，NG表示阶数。

本发明实施例利用上述算法对布里渊增益谱分布进行解调和去噪，包括如下步骤：

步骤一、提取上升沿并获得非线性权重系数矩阵A；

根据本发明实施例，由于求导过程等效为高通滤波器，高频噪声会被放大，使得信噪比急剧恶化，这也直接影响到处理后所得数据的信噪比。布里渊信号的前8ns(800mm)数据对应上升沿y

步骤二、重构布里渊增益谱分布；

根据本发明实施例，根据公式(3)，可以获得布里渊频移为10.88GHz对应的重构布里渊信号，其信噪比SNR估算为17dB，即算法处理之后信噪比降低了31dB。根据公式(6)，利用非线性权重系数矩阵A计算出各个扫频频率对应的布里渊响应的归一化波形，即重构的布里渊增益谱的分布Y。

步骤三、自平均去噪；

根据本发明实施例，为了提升重构的布里渊增益谱分布的信噪比，选取了10.862GHz到10.900GHz频率范围内的20条布里渊信号的上升沿，通过求导分别获得了20个非线性权重系数矩阵{A

步骤四、计算布里渊频移分布；

根据本发明实施例，经过20次自平均去噪后的重构布里渊增益谱分布进行洛伦兹拟合获得布里渊频移分布。

为了探索本发明解调算法的极限性能，在11.0m的待测光纤中插入两段不同布里渊频移的光纤，长度分别为15mm和8mm。首先，用8.0ns单脉冲泵浦光的BOTDA系统进行探测，空间分辨率为80cm。测量所得布里渊增益谱分布如图3所示，边界十分模糊，插入段位置的图像放大之后，布里渊增益谱图形没有明显的改变，即无法识别两个插入段。接着，以DPP-BOTDA的优化方案为参考组，选择8.05ns和7.97ns的瞬态脉冲对作为泵浦脉冲光，脉宽差为0.08ns，对应空间分辨率为8mm。差分之后的布里渊增益谱分布如图4所示，布里渊增益谱的谱型变窄，空间分辨率得到增强，15mm插入段可以清晰地观察到，但是8mm插入段的边界比较模糊，无法准确识别。随后，利用本发明解调算法对图3中的布里渊增益谱分布解调，从而获得重构的布里渊增益谱分布，再经过30次的自平均去噪，最终的布里渊增益谱分布如图5所示。从右侧放大图可知，布里渊增益谱的谱型并没有变窄，但空间分辨率增强了，15mm和8mm插入段都能够被识别出来。相对于DPP-BOTDA方案，本发明解调算法解调所得布里渊增益谱中两个插入段的边界更加清晰。最后，对白色方框位置先进行强度增强，整体上再进行中值滤波，处理之后的布里渊增益谱分布如图6所示。图中白色散点线为通过洛伦兹曲线拟合所得的布里渊频移分布，两个插入段长度分别为15mm和8mm，和实际值一致，则空间分辨率提升了100倍，达到毫米量级。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。