双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪制造技术

本发明专利技术提供了一种双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪，包括窄线宽激光器，保偏耦合器，差分编码器，Mach‑Zehnder调制器，光脉冲放大器，光环形器，传感光纤，光放大器，相干光电接收机，边带分离器和结果测量模块。通过实施本发明专利技术能够有效提高布里渊散射谱测量的空间分辨率，同时通过增加叠加平均的次数能够有效提高测量精度，另外还通过直接采用双极性编码序列的方式从而有效提高测量的性能。

Ultra high spatial resolution Brillouin optical time domain reflectometer with bipolar differential phase coding

【技术实现步骤摘要】
双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪
本专利技术涉及分布式光纤传感
，尤其是涉及一种双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪。
技术介绍
布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种分布式光纤传感技术。其基本原理是在光纤的一端发射一个宽度很窄(一般10～500ns)的激光脉冲。该激光脉冲沿着光纤传播的时候，会在光纤各处受到光纤中声子所导致的布里渊散射(Brillouinscattering)，从而在传播方向的反向上散射回一部分激光，并且该散射激光的频率相对于发射的光脉冲频率有一个频移。在标准单模光纤中，该频移约为10.8GHz，称为布里渊频移。光纤各处的散射光按照距离的远近，到达光纤发射端的时间也不同。因此，采集到的散射光信号在时间上的分布就对应了散射光在空间上的分布，这就是光时域反射技术(OTDR)。而布里渊散射所导致的布里渊频移，与散射位置处受感受到的温度和应变都有关系(一般是线性关系)。因此，通过测量布里渊散射信号的频移就可以反演出散射位置处的温度或者应变。这种将布里渊散射与OTDR结合的技术就是BOTDR。布里渊散射信号的相干性较差，因此具有一定的线宽，在标准单模光纤中，该线宽有大约30MHz，而散射信号的频谱一般表现为洛伦兹型。由于布里渊散射谱具有一定宽度，因此传感时所要测量的布里渊频移是指布里渊散射谱中心频率(布里渊频率)的移动值。为了获得该中心频率，常规的技术手段是先测量获得整个布里渊散射谱。由于噪声的影响，该谱一般不是一个平滑的谱。因此还需要对得到的散射谱进行洛伦兹曲线拟合，以获得一个曲线平滑的估计谱。最后再寻求该平滑谱峰值位置处所对应的频率，从而求得中心频率。尽管目前已经提出了许多种不同方案来测量布里渊频移，但基本上所有的方案都是基于对布里渊散射谱的测量来实现的。具体的技术途径上，又可以大致分为基于扫频的方案和基于快速傅里叶变换(FFT)的数字谱分析方案两类。前者通过一个窄带的滤波器来获取布里渊散射谱中某个频率位置附近很窄范围内的信号功率，通过改变滤波器的中心频率(扫频)来获取布里渊散射谱各个频点处的功率，从而获得整个布里渊散射谱的形状。后者通过宽带的接收，将一段时间内所采集到的布里渊散射信号做FFT，从而获得布里渊散射谱。现有技术存在以下缺点：1、基于测量布里渊散射谱的技术，都不可避免的要对布里渊散射信号进行强度检测，因为最终关心的是布里渊散射谱的强度信息。这就意味着在信号处理的某一个环节上，必须对布里渊散射信号进行平方运算来获取强度信息。平方运算使得所有的测量值全部变成了正值，包括伴随信号的噪声。噪声平方后形成了一个恒为正值的噪声功率水平，无法通过多次的平均叠加予以消除，限制了这些技术最终的测量距离。2、对布里渊散射谱的测量，无论是采用扫频的方案还是采用FFT的方案，都不能对频谱进行频率上连续的分析，必然存在频率分析上的频率间隔，使得对频谱的分辨率受到限制，并最终限制了测量的精度。3、由于需要依赖于强度检测，采用编码提高测量性能的方法受到了很大的限制。基本上所有可采用的编码序列都是双极性(1或者-1)的二进制序列，而不是单极性的(1或者0)。强度检测无法实现对-1的检测。因此，目前所提出的采用了编码的方案，基本上都需要做复杂的双极性到单极性编码的变换。并且单极性编码容易受到强度噪声和非线性效应的影响，性能上有很大制约。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪，旨在解决上述
技术介绍
提出的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪，包括：窄线宽激光器，用于发射线偏振激光；保偏耦合器，用于将所述线偏振激光分为两路光，其中，将一路光传输到Mach-Zehnder调制器进行相位调制，将另一路光作为本振光源传输到相干光电接收机；差分编码器，用于将原始编码序列进行差分编码；其中，所述原始编码序列包括第一编码序列和第二编码序列，且所述第一编码序列和第二编码序列为两组极性互为相反的编码序列；所述Mach-Zehnder调制器，用于根据经过差分编码的编码序列对所述线偏振激光的相位进行相位调制，并输出光脉冲；光环形器和传感光纤，所述光环形器用于将所述光脉冲输入到所述传感光纤中，并接收所述传感光纤返回的布里渊散射光；所述相干光电接收机，用于对所述本振光源以及所述布里渊散射光进行光电混频相干接收，得到微波信号；其中，所述微波信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号；边带分离器，用于将所述微波信号中的斯托克斯信号与反斯托克斯信号进行信号分离，并将所述斯托克斯信号和所述反斯托克斯信号发送到结果测量模块；结果测量模块，用于分别根据所述斯托克斯信号和所述反斯托克斯信号测量得到第一瞬时频率及第二瞬时频率，并根据所述第一瞬时频率及所述第二瞬时频率求取最终测量结果。进一步地，所述结果测量模块具体包括：第一数据采集器，用于接收所述斯托克斯信号并进行模数转换为第一数字信号；第一差分解调器，用于对所述第一数字信号进行差分解调；第一相关器，用于将所述第一差分解调器输出的信号依次与所述原始编码序列进行相关运算；第一叠加平均器，用于对所述第一相关器输出的相关运算结果进行叠加平均；第一测量单元，用于根据所述第一叠加平均器输出的叠加平均结果求取所述第一瞬时频率；第二数据采集器，用于接收所述反斯托克斯信号并进行模数转换为第二数字信号；第二差分解调器，用于对所述第二数字信号进行差分解调；第二相关器，用于将所述第二差分解调器输出的信号依次与所述原始编码序列进行相关运算；第二叠加平均器，用于对所述第二相关器输出的相关运算结果进行叠加平均；第二测量单元，用于根据所述第二叠加平均器输出的叠加平均结果求取所述第二瞬时频率；第三测量单元，用于根据所述第一瞬时频率及所述第二瞬时频率求取最终测量结果。进一步地，所述根据所述第一瞬时频率及所述第二瞬时频率求取最终测量结果，具体为：计算所述第一瞬时频率及所述第二瞬时频率的平均值，得到所述最终测量结果。进一步地，所述传感光纤为标准单模光纤或塑料光纤。进一步地，所述窄线宽激光器的线宽小于100kHz。进一步地，所述Mach-Zehnder调制器采用铌酸锂波导电光Mach-Zehnder强度调制器。进一步地，在所述Mach-Zehnder调制器与所述光环形器之间还设置有光脉冲放大器，所述光脉冲放大器用于根据预设的第一功率值将所述Mach-Zehnder调制器输出的光脉冲进行功率放大，并将功率放大后的光脉冲输入到所述光环形器中。进一步地，在所述光环形器与所述相干光电接收机之间还设置有光放大器，所述光放大器用于根据预设的第二功率值将所述光环形器发出的布里渊散射光进行功率放大，并将功率放大后的布里渊散射光输入到所述相干光电接收机中。与现有技术相比，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪，其特征在于，包括：/n窄线宽激光器，用于发射线偏振激光；/n保偏耦合器，用于将所述线偏振激光分为两路光，其中，将一路光传输到Mach-Zehnder调制器进行相位调制，将另一路光作为本振光源传输到相干光电接收机；/n差分编码器，用于将原始编码序列进行差分编码；其中，所述原始编码序列包括第一编码序列和第二编码序列，且所述第一编码序列和第二编码序列为两组极性互为相反的编码序列；/n所述Mach-Zehnder调制器，用于根据经过差分编码的编码序列对所述线偏振激光的相位进行相位调制，并输出光脉冲；/n光环形器和传感光纤，所述光环形器用于将所述光脉冲输入到所述传感光纤中，并接收所述传感光纤返回的布里渊散射光；/n所述相干光电接收机，用于对所述本振光源以及所述布里渊散射光进行光电混频相干接收，得到微波信号；其中，所述微波信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号；/n边带分离器，用于将所述微波信号中的斯托克斯信号与反斯托克斯信号进行信号分离，并将所述斯托克斯信号和所述反斯托克斯信号发送到结果测量模块；/n结果测量模块，用于分别根据所述斯托克斯信号和所述反斯托克斯信号测量得到第一瞬时频率及第二瞬时频率，并根据所述第一瞬时频率及所述第二瞬时频率求取最终测量结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪，其特征在于，包括：
窄线宽激光器，用于发射线偏振激光；
保偏耦合器，用于将所述线偏振激光分为两路光，其中，将一路光传输到Mach-Zehnder调制器进行相位调制，将另一路光作为本振光源传输到相干光电接收机；
差分编码器，用于将原始编码序列进行差分编码；其中，所述原始编码序列包括第一编码序列和第二编码序列，且所述第一编码序列和第二编码序列为两组极性互为相反的编码序列；
所述Mach-Zehnder调制器，用于根据经过差分编码的编码序列对所述线偏振激光的相位进行相位调制，并输出光脉冲；
光环形器和传感光纤，所述光环形器用于将所述光脉冲输入到所述传感光纤中，并接收所述传感光纤返回的布里渊散射光；
所述相干光电接收机，用于对所述本振光源以及所述布里渊散射光进行光电混频相干接收，得到微波信号；其中，所述微波信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号；
边带分离器，用于将所述微波信号中的斯托克斯信号与反斯托克斯信号进行信号分离，并将所述斯托克斯信号和所述反斯托克斯信号发送到结果测量模块；
结果测量模块，用于分别根据所述斯托克斯信号和所述反斯托克斯信号测量得到第一瞬时频率及第二瞬时频率，并根据所述第一瞬时频率及所述第二瞬时频率求取最终测量结果。


2.根据权利要求1所述的双极性差分相位编码超高空间分辨率布里渊光时域反射仪，其特征在于，所述结果测量模块具体包括：
第一数据采集器，用于接收所述斯托克斯信号并进行模数转换为第一数字信号；
第一差分解调器，用于对所述第一数字信号进行差分解调；
第一相关器，用于将所述第一差分解调器输出的信号依次与所述原始编码序列进行相关运算；
第一叠加平均器，用于对所述第一相关器输出的相关运算结果进行叠加平均；
第一测量单元，用于根据所述第一叠加平均器输出的叠加平均结果求取所述第一瞬时频率；
第二数据采集器，用于接收所述反斯托克斯信号并进行模数转换为第二数字信号；
第二差分解调...

【专利技术属性】
技术研发人员：程凌浩，关柏鸥，马祥杰，朱金顶，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44