基于Bark序列的BOTDR系统及其长距离探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于Bark序列的BOTDR系统及其长距离探测方法，方法包括将连续光分成两路；生成一组双极性Bark序列后分成两组单极性Bark序列；利用两组单极性Bark序列控制电场对探测光进行调制，获得两组单极性Bark序列的光脉冲信号；将两组信号放大后注入光纤获得两组后向布里渊散射光信号；将本振光信号分别与两组后向布里渊散射光信号耦合相干，经光电转换、扫频、滤波放大采集两组布里渊散射电信号；将两组布里渊散射电信号进行相关，获得沿光纤分布每一点处布里渊频移，得到光纤周围温度或应变的变化。系统中电光调制模块包括电光强度调制模块和Bark序列发生模块。本发明专利技术利用Bark序列的自相关特性，在不降低系统空间分辨率的条件下提高信噪比，提高探测距离。

【技术实现步骤摘要】
基于Bark序列的BOTDR系统及其长距离探测方法
本专利技术涉及一种基于Bark序列的BOTDR系统及其长距离探测方法，属于分布式光纤传感

技术介绍
基于布里渊散射的布里渊光时域反射计(BrillouinOpticalTime-DomainReflectometry,BOTDR)作为分布式光纤传感器的一种，具有分辨率高、误差小、传感光纤布设简单、成本低、容易实现。利用光纤中布里渊频移与光纤某位置所受应变或温度的关系，可用在电力行业，水利行业和土木建筑行业，建筑桥梁及其他混凝土结构裂变的监测，大型民用工程的结构健康监测，交通公路、地铁隧道行业，石油天然气行业故障点的检测。当传感光纤存在轴向应变或者温度变化时，光纤中的背向布里渊散射光的频率相对于注入的脉冲光频率将发生频移，布里渊散射光频率的频移量与光纤所受的轴向应变和温度变化呈良好的线性关系。利用这一关系可以实现温度和应变的传感测量。巴克序列(BarkerSequences)，是一种有限长的非周期序列信号单元，也称其为Bark序列。巴克序列元素的取值为“+1”或者“-1”。巴克序列具有良好的自相关特性以及与其他普通序列良好的互相关性。它是信号设计中的优选信号单元之一，其应用十分广泛。传统的BOTDR系统一般采用单脉冲直接探测的方法，系统的空间分辨率和动态范围在一定程度上由脉冲的宽度决定。脉冲宽度较宽时，脉冲的总能量较大，可以得到较好的动态范围，但是空间分辨率会下降，很难探测到较小事件点。而脉冲宽度较窄时，空间分辨率得到提升，由于脉冲自身能量下降，动态范围降低。所以传统的BOTDR系统在空间分辨率和动态范围这两个关键技术上是以一对矛盾。现有的基于编码技术的BOTDR系统，如Gloay和Simplex技术在一定程度上可以解决空间分辨率和动态范围之间的矛盾，但Gloay和Simplex技术没有较好的峰平比，由于自发布里渊受激阈值的存在，使系统更加容易达到受激阈值，动态范围并没有得到较好提升。在实际工业应用中Gloay和Simplex技术在得到一组数据的时间和存储空间开销存在较大缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于Bark序列的BOTDR系统及其长距离探测方法，目的是利用Bark序列的自相关特性，并且通过相干扫频的方式进行探测，获取布里渊频谱在光纤中的分布，利用温度、应力与布里渊频移关系来实现温度和应力的传感，在不降低系统的空间分辨率的条件下提高布里渊光纤传感器的信噪比，从而提高探测距离。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种基于Bark序列的BOTDR系统长距离探测方法，包括以下步骤：步骤A、将连续光分成一路作为探测光的连续光和另一路作为相干本振光的连续光；步骤B、首先生成一组双极性Brak序列，将所述双极性Bark序列分成两组单极性Bark序列；再对所述作为探测光的连续光利用一组单极性Bark序列控制电场进行光强度调制，调制后获得一组单极性Bark序列的光脉冲信号；步骤C、将所述单极性Bark序列的光脉冲信号放大后注入光纤,以获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号；将根据作为相干本振光的连续光获得的本振光信号与所述后向布里渊散射光信号耦合相干获得布里渊散射光信号，经光电转换得到布里渊散射电信号后，进行扫频、滤波放大获得后向布里渊散射电信号AHk；步骤D、将步骤B中另一组单极性Bark序列重复步骤B和步骤C，以获得后向布里渊散射电信号NAHk；步骤E、将所得的后向布里渊散射电信号AHk和NAHk进行相关，获得沿光纤分布的布里渊散射功率曲线；根据所述布里渊散射功率曲线获取沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤E中对所述布里渊散射功率曲线进行寻峰获取每一点处的布里渊频移，具体为：步骤E-1、将在所述布里渊散射功率曲线上取一段连续点的布里渊功率谱相加求平均，作为标准数据；步骤E-2、将所述布里渊散射功率曲线上每一点处的布理渊功率谱与所得标准数据做相关运算，得到沿光纤每一点处的布理渊功率谱与标准数据的相关程度；步骤E-3、选取所述相关运算结果中相关程度最高的点，即为每一点的布里渊频移。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤C中将作为相干本振光的连续光进行偏振态随机化，得到光偏振态平均分布的本振光信号。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤B中双极性Bark序列的序列长度为7位或11位或13位。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤C中本振光信号与后向布里渊散射光信号耦合相干获得由差频部分组成的布里渊散射光信号。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤C中扫频过程以布里渊散射电信号的中心频率为基准，扫频范围设置为正负100MHz，扫频间隔为5MHz。本专利技术还提出了一种根据上述基于Bark序列的BOTDR系统长距离探测方法的系统，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、光脉冲放大模块、环形器、第二耦合器、光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块，其中所述光源模块与第一耦合器相连；所述第一耦合器分别与电光调制模块、光偏振扰动模块相连；所述电光调制模块与光脉冲放大模块、环形器依次相连；所述环形器的一端连入光纤后与第二耦合器相连；所述光偏振扰动模块与第二耦合器相连；所述第二耦合器与光探测模块、扫频模块、滤波模块、放大模块、信号处理模块依次相连；所述电光调制模块包括电光强度调制模块和与电光强度调制模块相连的Bark序列发生模块，通过Bark序列发生模块生成的两组单极性Bark序列分别控制电光强度调制模块的电场，以获得两组单极性Bark序列的光脉冲信号；通过所述两组单极性Bark序列的光脉冲信号分别进行布里渊相干探测获得两组后向布里渊散射电信号；所述信号处理模块对所述两组后向布里渊散射电信号进行相关后分析处理获得布里渊频移，根据所述布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：(1)、本专利技术结合了自相关编码技术和相干探测方法，利用自相关编码技术中Bark序列的自相关特性，可以在提高系统的信噪比，从而在不改变空间分辨的条件下比单脉冲获得更长的动态范围。(2)、利用Bark序列的自相关特性，采用Bark序列自身较好的峰平比，平均探测光功率避免非线性效应，减少发码次数。并且通过相干扫频的方式进行探测，获取布里渊频谱在光纤中的分布，利用温度、应力与布里渊频移关系来实现温度和应力的传感，在不降低系统的空间分辨率的条件下提高布里渊光纤传感器的信噪比，从而提高探测距离，提高系统的可行性。(3)、利用Bark序列自身较好的峰平比，改善了BOTDR系统受激阈值较低的缺陷，利用相同的编码长度N，在得到一组相同数据时，Smplex进行N-1探测，Gloay要进行4次探测，而Bark序列只需2次探测，减小探测时间和存储空间开销，大大提高编码技术的实用性。附图说明图1为本专利技术基于Bark序列的BOTDR系统的示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。如图1所示，本专利技术设计了一种基于Bark序列的BOTDR系统包括光源模块、第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Bark序列的BOTDR系统长距离探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、将连续光分成一路作为探测光的连续光和另一路作为相干本振光的连续光；步骤B、首先生成一组双极性Bark序列，将所述双极性Bark序列分成两组单极性Bark序列；再对所述作为探测光的连续光利用一组单极性Bark序列控制电场进行光强度调制，调制后获得一组单极性Bark序列的光脉冲信号；步骤C、将所述一组单极性Bark序列的光脉冲信号放大后注入光纤,以获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号；将根据作为相干本振光的连续光获得的本振光信号与所述后向布里渊散射光信号耦合相干获得布里渊散射光信号，经光电转换得到的布里渊散射电信号后，进行扫频、滤波放大获得后向布里渊散射电信号AHk；步骤D、将步骤B中另一组单极性Bark序列重复步骤B和步骤C，以获得后向布里渊散射电信号NAHk；步骤E、将所得的后向布里渊散射电信号AHk和NAHk进行相关，获得沿光纤分布的布里渊散射功率曲线；根据所述布里渊散射功率曲线获取沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化。

【技术特征摘要】
1.基于Bark序列的BOTDR系统长距离探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、将连续光分成一路作为探测光的连续光和另一路作为相干本振光的连续光；步骤B、首先生成一组双极性Bark序列，将所述双极性Bark序列分成两组单极性Bark序列；再对所述作为探测光的连续光利用一组单极性Bark序列控制电场进行光强度调制，调制后获得一组单极性Bark序列的光脉冲信号；步骤C、将所述一组单极性Bark序列的光脉冲信号放大后注入光纤,以获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号；将根据作为相干本振光的连续光获得的本振光信号与所述后向布里渊散射光信号耦合相干获得布里渊散射光信号，经光电转换得到的布里渊散射电信号后，进行扫频、滤波放大获得后向布里渊散射电信号AHk；步骤D、将步骤B中另一组单极性Bark序列重复步骤B和步骤C，以获得后向布里渊散射电信号NAHk；步骤E、将所得的后向布里渊散射电信号AHk和NAHk进行相关，获得沿光纤分布的布里渊散射功率曲线；根据所述布里渊散射功率曲线获取沿光纤分布每一点处的布里渊频移，再根据布里渊频移得到光纤周围温度或应变的变化；其中，所述步骤E中对所述布里渊散射功率曲线进行寻峰获取每一点处的布里渊频移，具体为：步骤E-1、将在所述布里渊散射功率曲线上取一段连续点的布里渊功率谱相加求平均，作为标准数据；步骤E-2、将所述布里渊散射功率曲线上每一点处的布理渊功率谱与所得标准数据做相关运算，得到沿光纤每一点处的布理渊功率谱与标准数据的相关程度；步骤E-3、选取所述相关运算结果中相关程度最高的点，即为每一点的布里渊频移。2.根据权利要求1所述基于Bark序列的BOTDR系统长距离探测方法，其特征在于：所述步骤C中将作为相干本振光的连续光进行偏振态随机化，得到光偏振态平...

【专利技术属性】
技术研发人员：李密，陈章，张旭苹，陈海生，路元刚，焦文祥，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32