阅读说明：本技术 基于π脉冲格雷码编码的布里渊光时域分析装置及方法 (Brillouin optical time domain analysis device and method based on pi-pulse Gray code coding ) 是由 张建忠 刘双双 张晓程 张雨婷 张明江 乔丽君 王涛 高少华 于 2020-10-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于分布式光纤传感技术领域,公开了一种基于π脉冲格雷码编码的布里渊光时域分析装置及方法,方法包括：将激光器产生的连续激光分为两路,一路经调制、放大和隔离后作为探测光输入传感光纤,另一路作为泵浦光经相位调制器进行π脉冲格雷码编码相位调制和放大后,从另一端输入传感光纤；从传感光纤另一端输出的包含布里渊散射信号的探测光,进行放大、光栅滤波后,输入光电探测器进行探测并转化为电信号,并通过解码运算得到单脉冲的布里渊散射信号后,进行解调得到光纤沿线的布里渊频移分布,本发明提高了系统的测量精度。(The invention belongs to the technical field of distributed optical fiber sensing, and discloses a Brillouin optical time domain analysis device and method based on pi pulse Gray code coding, wherein the method comprises the following steps: dividing continuous laser generated by a laser into two paths, wherein one path is used as probe light to be input into a sensing optical fiber after being modulated, amplified and isolated, and the other path is used as pumping light to be input into the sensing optical fiber from the other end after being subjected to pi pulse Gray code coding phase modulation and amplification by a phase modulator; the detection light which is output from the other end of the sensing optical fiber and contains the Brillouin scattering signal is amplified and subjected to grating filtering, then the detection light is input into the photoelectric detector to be detected and converted into an electric signal, a single-pulse Brillouin scattering signal is obtained through decoding operation, and then the demodulation is carried out to obtain the Brillouin frequency shift distribution along the optical fiber.)

基于π脉冲格雷码编码的布里渊光时域分析装置及方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体是涉及基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置及方法，用于同时实现长距离和高空间分辨率的传感性能。

背景技术

分布式光纤传感技术利用光在光纤介质中的散射效应实现对光纤沿线的温度应变等物理量的测量，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、耐腐蚀、成本低等优点。在众多的分布式光纤传感系统中，基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术（BOTDA）在长距离的分布式光纤传感方面具有明显优势，在大型建筑结构检测方面具有广阔的应用前景。

在BOTDA系统中，连续的探测光和脉冲泵浦光分别从光纤的两端相向注入传感光纤中，当探测光和泵浦光的频率差满足布里渊增益的条件时，二者在光纤中发生能量转移。对探测光和泵浦光的频率差进行扫描并根据脉冲时域定位技术，获得光纤沿线的布里渊频移分布。根据布里渊频移与温度和应变的关系，分析光纤的温度应变变化。BOTDA系统中的空间分辨率取决于泵浦光脉冲的脉冲宽度，脉冲宽度越小，空间分辨率越高。但是，当脉冲宽度减小到等于或远小于声子寿命（10ns）时，布里渊增益谱的谱宽会发生明显的展宽效应，同时，增益谱的峰值也会急剧的下降，严重影响传感系统的测量精度和信噪比。因而，对于传统的BOTDA系统，空间分辨率和传感距离这两者之间存在相互制约的关系。减小泵浦脉冲的宽度可以提高空间分辨率,但会限制系统的传感距离，为了增加系统的传感距离，在不改变空间分辨率的情况下，通常采用提高泵浦脉冲的峰值功率的方法来提高信噪比。但是由于调制不稳定性、相位调制等因素，脉冲泵浦光的注入功率会被限制。此外，泵浦光的损耗效应和光纤的传输损耗也会对传感距离产生影响。

为了提高系统的传感距离，研究者们提出了各种方案，有时分复用技术、拉曼放大技术、编码技术等。时分复用技术需要进行分时段的频率扫描，增加了系统的复杂性；拉曼放大技术可以实现超长距离的传输，但是会导致系统的强度噪声增大，恶化系统的信噪比。编码技术通过改变泵浦光的调制波形实现对脉冲的编码，既没有增加系统的复杂性也没有引入新的噪声源，可以明显地改善系统信噪比，增加传感距离。但是脉冲编码技术的空间分辨率仍然受限于声子寿命，难以突破1m。因此有必要提出一种新的装置及方法，来解决BOTDA系统中传感距离和空间分辨率相互制约的问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析方法，包括以下步骤：

S1、将激光器产生的连续激光分为两路，一路经调制、放大和隔离后作为探测光输入传感光纤，另一路作为泵浦光经相位调制器进行π脉冲格雷码编码相位调制和放大后，从另一端输入传感光纤；

S2、从传感光纤另一端输出的包含布里渊散射信号的探测光，进行放大、光栅滤波后，输入光电探测器进行探测并转化为电信号；

S3、采集光电探测器探测到的布里渊信号，并通过解码运算得到单脉冲的布里渊散射信号后，进行解调得到光纤沿线的布里渊频移分布。

所述π脉冲格雷码编码中，格雷码为极性转化后的单极性格雷码，转换过程为：

其中：为编码位数为L时，双极性格雷码的两个双极性互补序列，分别为转化得到的两个单极性格雷码的序列，分别为转化得到的两个单极性格雷码的序列。

所述的π脉冲格雷码具体指当转化为单极性的格雷码编码位为1时，输入的脉冲为π脉冲。

此外，本发明还提供了一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置，包括：激光器、第一光隔离器、分光器、第一电光调制器、第一光放大器、第二光隔离器、传感光纤、第二电光调制器、光扰偏器、第二光放大器、第一光环行器、第三光放大器、第二光环行器、光纤布拉格光栅滤波器、光电探测器和数据采集及处理系统；

所述激光器输出的连续激光经第一光隔离器、分光器后分为两路，一路作为探测光经第一电光调制器、第一光放大器和第二光隔离器后输入传感光纤，另一路作为泵浦光依次经第二电光调制器、光扰偏器、第二光放大器、第一光环行器后从传感光纤的另一端进入传感光纤；所述第二电光调制器用于对所述泵浦光进行π脉冲格雷码编码相位调制；

从所述传感光纤的另一端输出的探测光经第一光环行器输出后被第三光放大器放大，然后经第二光环行器入射到光纤布拉格光栅滤波器，然后经光纤布拉格光栅滤波器反射后返回第二光环行器，并输出到所述光电探测器进行探测，探测信号被数据采集及处理系统进行采集和处理。

所述的一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置，还包括：第一偏振控制器、第二偏振控制器，所述第一偏振控制器设置在光纤耦合器与第一电光调制器之间，所述第二偏振控制器设置在光纤耦合器与第二电光调制器之间，分别用于调节进入第一偏振控制器的探测光和进入第二电光调制器的泵浦光的偏振态。

所述分光器为1x2光纤耦合器。

所述具有π相移的格雷码编码中，格雷码为极性转化后的单极性格雷码，转换过程为：

其中：为编码位数为L时，双极性格雷码的两个双极性互补序列，分别为转化得到的两个单极性格雷码的序列，分别为转化得到的两个单极性格雷码的序列；

所述π脉冲格雷码具体指当转化为单极性的格雷码编码位为1时，输入的脉冲为π脉冲。

所述的一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置，还包括任意波形发生器和信号发生器，所述任意波形发生器和信号发生器分别用于驱动第二电光调制器和第一电光调制器。

所述的一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置中，激光器、第一光隔离器、分光器之间依次通过单模光纤跳线连接；分光器、第一电光调制器、第一光放大器、第二光隔离器之间依次通过单模光纤跳线连接；分光器、第二电光调制器、光扰偏器、第二光放大器、第一光环行器之间依次通过单模光纤跳线连接；第一光环行器、第三光放大器、第二光环行器之间依次通过单模光纤跳线连接；第二光环行器与光纤布拉格光栅滤波器和光电探测器之间分别通过光纤跳线连接。

激光器输出的连续激光的波长为1550nm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明采用格雷码编码技术，有效改善了系统信噪比，增加了传感距离。同时采用π脉冲编码技术，通过减小π脉冲中相移脉冲的脉宽实现空间分辨率的提高，以突破声子寿命的限制，实现厘米量级空间分辨率，且不会发生布里渊增益谱的展宽，保证系统的测量精度。

2.本发明的泵浦光采用π脉冲编码，则空间分辨率由π脉冲中的相移脉冲脉宽决定，通过对脉冲进行相移，实现对泵浦光的快速突变，使探测光增益在π相移脉冲到达的时候迅速消失，传感脉冲的宽度也可以更小，实现更高的空间分辨率。

3.本发明基于π脉冲和格雷码有效解决了BOTDA系统空间分辨率和传感距离相互制约的问题，且不会增加传统BOTDA系统的复杂性及硬件成本，操作简单易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置的结构示意图；

图2为本发明实施例采用的π脉冲格雷码编码的示意图；图中（a）表示单极性的格雷码编码的单脉冲时序图，（b）表示格雷码编码的π脉冲时序图，图中符号π对应的位置为π脉冲；

图3为通过MATLAB仿真得到的相移脉冲为2ns 的π脉冲的光纤沿线的BGS分布，横轴表示光纤的位置；

图4为本发明实施例中格雷码编码位数与信噪比和传感距离关系的示意图。

图中：1激光器、2第一光隔离器、3分光器、4第一偏振控制器、5第一电光调制器、6信号发生器、7第一光放大器、8第二光隔离器、9传感光纤、10第二偏振控制器、11第二电光调制器、12任意波形发生器、13光扰偏器、14第二光放大器、15第一光环行器、16第三光放大器、17第二光环行器、18光纤布拉格光栅滤波器、19光电探测器、20数据采集及处理系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置，包括：包括激光器1、第一光隔离器2、分光器3、第一偏振控制器4、第一电光调制器5、信号发生器6、第一光放大器7、第二光隔离器8、传感光纤9、第二偏振控制器10、第二电光调制器11、任意波形发生器12、光扰偏器13、第二光放大器14、第一光环行器15、第三光放大器16、第二光环行器17、光纤布拉格光栅滤波器18、光电探测器19、数据采集及处理系统20。

其中，激光器1的出射端通过单模光纤跳线与第一光隔离器2的入射端连接；第一光隔离器2的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的分光器3连接。

1×2分光器3的一个出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器4的入射端连接；第一偏振控制器4的出射端通过单模光纤跳线与第一电光调制器5的光纤入射端连接；信号发生器6的射频输出端通过高频电缆与第一电光调制器5的射频入射端连接；第一电光调制器5的光纤出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器7的入射端连接；第一光放大器7的出射端通过单模光纤跳线与第二光隔离器8的入射端连接；第二光隔离器8的出射端与传感光纤9的一端连接；传感光纤9的另一端与第一光环行器15的反射端连接。

分光器3的另一出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器10的入射端连接；第二偏振控制器10的出射端通过单模光纤跳线与第二电光调制器11的光纤入射端连接；任意波形发生器12的射频输出端通过高频电缆与第二电光调制器11的射频输入端连接；第二电光调制器11的光纤出射端通过单模光纤跳线与光扰偏振器13连接；光扰偏器13的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器14连接；第二光放大器14的出射端通过单模光纤跳线与第一光环行器15的入射端连接。

光环行器15的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器16入射端连接；第三光放大器16的出射端通过单模光纤跳线与第二光环行器17的入射端连接；光纤布拉格光栅滤波器18的出射端通过单模光纤与第二光环行器17的反射端连接；第二光环行器17的出射端通过单模光纤跳线与光电探测器19的输入端连接；光电探测器19的输出端通过单模光纤跳线与数据采集及处理系统20连接。

具体地，本实施例中，所述分光器3为1x2光纤耦合器。激光器1输出的连续激光的波长为1550nm。所述第一偏振控制器4和第二偏振控制器10分别用于调节进入第一偏振控制器4的探测光和进入第二电光调制器11的泵浦光的偏振态。所述任意波形发生器12和信号发生器6分别用于驱动第二电光调制器11和第一电光调制器5。所述第二电光调制器11用于对所述泵浦光进行π脉冲格雷码编码的相位调制，所述的π脉冲格雷码具体指当转化为单极性的格雷码编码位为1时，输入的脉冲为π脉冲。

本发明的工作原理如下：

a.激光器1产生工作波长为1550nm的连续激光，依次经过第一光隔离器2和分光器3后分为两束光路，一路作为探测光信号，一路作为泵浦光信号。探测光信号依次经过第一偏振控制器4、第一电光调制器5、第一光放大器7、第二光隔离器8进行光信号偏振态的调整、调制、放大和隔离进入传感光纤9；

b.分光器3的另一路输出光经过第二偏振控制器10调整偏振态，输出光经过由任意波形发生器12控制的第二电光调制器11，产生具有π相移的格雷码编码的泵浦光信号，然后依次经过光扰偏器 13、第二光放大器14和第一光环行器15进行扰偏、放大和环行后进入传感光纤9；

c．探测光信号和泵浦光信号进入传感光纤9后，相互作用发生受激布里渊散射，包含布里渊散射信号的探测光经过第一光环行器15输出，然后进入第三光放大器16、第二光环行器17、光纤布拉格光栅滤波器18进行放大、环行和滤波，从第二光环行器17输出的光信号进入光电探测器19进行光电转换，数据采集及处理系统20对来自光电探测器19的信号进行采集和处理，得到光纤沿线的布里渊增益谱信息。

具体实施时，本发明所述的格雷码与传统的格雷码相比引入了π脉冲技术，通过对探测到的光信号进行解码、归一化和洛伦兹拟合获得布里渊频移的分布，通过布里渊频移与温度或应变的关系获得光纤沿线的信息，实现长距离、高空间分辨率的分布式光纤传感。

所述的传统格雷码是由一对只包含“1”、“-1”且长度相等的互补序列构成。在BOTDA系统中传输的是单极性的脉冲，因此需要将双极性的格雷码转化为单极性，L位格雷码的两个互补序列A和码B分别转换为两个单极性格雷码，具体转换过程为：

（1）

其中：为编码位数为L时，双极性格雷码的两个双极性互补序列，分别为转化得到的两个单极性格雷码的序列，分别为转化得到的两个单极性格雷码的序列；如图2所示，本发明实施例中的π脉冲格雷码编码的示意图，其中，A+、A-、B+、B-分别为转化为单极性的四个格雷码序列。

转换为单极性的格雷码对泵浦光进行π脉冲格雷码编码调制后，注入传感光纤中进行布里渊作用，通过对探测到的光信号进行解码运算即可得到单脉冲的布里渊散射信号。假设单脉冲的响应为，L位格雷码A、B两序列的时序信号为，每组单极性码对应的响应分别为，具体的解码运算过程为：

由上述过程可知，格雷码编码的系统获得的响应为单脉冲响应的2L倍。响应的提高可以提升系统的信噪比，进而增加传感距离。

因此，本发明对π脉冲进行格雷码编码，可以提高BOTDA系统的信噪比，实现长距离的传感。图3是通过MATLAB仿真得到的光纤沿线的BGS分布，横轴表示光纤的位置，从图3中对应的相移脉冲（π脉冲）的宽度为2ns，其可以实现20cm空间分辨率。如图4所示，与传统的BOTDA系统相比，格雷编码的BOTDA系统的信噪比随着编码位数的增加不断增加，256位编码的格雷码信噪比提高（编码增益）约9.03dB，传感距离可以增加45km，512位编码的系统信噪比可以提高到10dB以上，但是编码过程不会对空间分辨率产生影响，因而系统的空间分辨率仍然取决于π脉冲中相移脉冲的宽度。因为本发明提出的脉冲编码技术中，真正决定空间分辨率的是π脉冲中相移脉冲的宽度，在相移脉冲之前输入的脉冲用于声波场的预激发，产生稳定的是声波场，当相移脉冲进入传感光纤时，虽然其相位发生了变化，但是由于其脉冲宽度远小于声子寿命，声波场来不及重新进行相位匹配，所以声波场的相位和振幅基本保持不变，因而BGS的带宽保持稳态下的带宽，在不发生布里渊增益谱展宽的情况下实现高空间分辨率。因此，基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析装置可以实现长距离、高空间分辨率的光纤传感。

此外，本发明还提供了一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析方法，包括以下步骤：

S1、将激光器产生的连续激光分为两路，一路经调制、放大和隔离后作为探测光输入传感光纤，另一路作为泵浦光经相位调制器产生具有π相移的格雷码编码相位调制和放大后，从另一端输入传感光纤；所述的π脉冲格雷码具体指，当转化为单极性的格雷码的编码位为1时，输入的脉冲为π脉冲。

S2、从传感光纤另一端输出的包含布里渊散射信号的探测光，进行放大、光栅滤波后，输入光电探测器进行探测并转化为电信号；

S3、采集光电探测器探测到的布里渊信号，并通过解码运算得到单脉冲的布里渊散射信号后，进行解调得到光纤沿线的布里渊频移分布。

综上所述，本发明提供了一种基于π脉冲和格雷码混合编码的布里渊光时域分析方法和装置，采用格雷码编码技术对泵浦光进行相位调制，有效改善了系统信噪比，增加了传感距离。同时采用π脉冲编码技术，通过减小π脉冲中相移脉冲的脉宽实现空间分辨率的提高，以突破声子寿命的限制，实现厘米量级空间分辨率，且不会发生布里渊增益谱的展宽，保证系统的测量精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。