本發(fā)明涉及相位敏感型光時域反射儀，屬于光纖測量與傳感領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種新的基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀，以及基于golay互補序列實現(xiàn)相位敏感型光時域反射儀的方法。

背景技術(shù)：

分布式光纖傳感(dfos)在現(xiàn)代社會中有著極為廣泛的運用，尤其在石油傳輸、電力監(jiān)測、大型結(jié)構(gòu)安全以及國境安防等領(lǐng)域占有非常重要的地位。分布式光纖傳感的基本原理為外界環(huán)境因素的改變，諸如溫度、振動等，導(dǎo)致光纖本身的特性如折射率發(fā)生改變，進而影響到光纖中傳輸光場，并且改變光纖中的散射光場。因此，通過檢測散射光(瑞利散射光、布里淵散射光或者拉曼散射光)的特性，可以得到光纖受影響的位置，甚至于可以還原外界溫度場或振動場。

相位敏感型光時域反射儀(φ-otdr)是分布式光纖傳感領(lǐng)域發(fā)展最為迅猛的分支之一，不僅僅因其具備分布式光纖傳感器都具備的高精度、高空間分辨率、魯棒性以及對外界電磁環(huán)境不敏感等特點，還因其結(jié)構(gòu)精煉、可單端測量，以及具備還原外界振動場的能力而廣受關(guān)注。φ-otdr最為重要的運用之一為分布式聲波傳感(das)系統(tǒng)，即根據(jù)φ-otdr可以還原外界振動場的能力進行分布式監(jiān)聽，其在地震監(jiān)測、高鐵測速等領(lǐng)域具有極為巨大的應(yīng)用前景。

φ-otdr的原理如下：當(dāng)相干光源輸出的窄脈沖進入待測光纖后，其沿光纖后向瑞利散射光(瑞利光)不斷返回輸入端(0點)；在某一個特定時刻光纖上長度為半個脈沖寬度的瑞利光在0點發(fā)生相干，最終輸出系統(tǒng)；若外界振動場發(fā)生改變，其頻率和幅值與瑞利光兩點(一點位于擾動影響之前，另一點需經(jīng)過擾動位置)之間的相位差成正比；因此可以通過解調(diào)傳感系統(tǒng)的相位來還原外界振動場。從φ-otdr的原理可以看出，此系統(tǒng)的空間分辨率為半個脈沖寬度；且系統(tǒng)具有高度實時性，可以通過不斷打入脈沖實現(xiàn)動態(tài)測量。

但是，現(xiàn)有的φ-otdr具有一定的局限性。更高的輸入脈沖峰值功率一般會帶來更高的傳感信號信噪比，但是，高的脈沖峰值功率會造成光纖非線性現(xiàn)象的產(chǎn)生會使導(dǎo)致信號損傷，因此輸入脈沖的峰值功率需受到限制；而系統(tǒng)要實現(xiàn)高空間分辨率則不可以使得脈沖寬度過大。上述兩點缺陷是實現(xiàn)長距離φ-otdr實時測量需解決的關(guān)鍵問題。增加平均次數(shù)可以在一定程度上使得傳感信號的信噪比提高，從而延長傳感距離；但是，平均次數(shù)過多會犧牲實時性，使得最大可探測頻率下降，這就突出了光脈沖編碼技術(shù)在長距離φ-otdr系統(tǒng)中應(yīng)用的必要性。

golay(戈利)互補序列是相關(guān)碼的一種，在通信領(lǐng)域與傳感領(lǐng)域均用重要運用。該碼的特點在于運用碼字之間的相關(guān)性求出單脈沖的響應(yīng)。golay互補序列是雙極性碼，即由“+1”與“-1”組成；golay互補序列包含兩行，每一行的碼字長度n需為2的正冪次方。設(shè)兩行g(shù)olay互補序列為a和b。golay互補序列符合如式(1)所示的相關(guān)特性。

式(1)中的“⊕”表示自相關(guān)運算，n為單行碼字長度；k表示進行相關(guān)運算時的移位位數(shù)，且|k|≤n。δ(y)表示單位沖擊函數(shù)，其表達式如式(2)所述。

由式(1)可以看出，golay互補序列的兩行碼字做相關(guān)運算之后會得到單位沖擊函數(shù)的倍數(shù)；又因為δ函數(shù)與任何函數(shù)卷積都等于函數(shù)自身，若某一系統(tǒng)可以寫為卷積形式，即線性系統(tǒng)，則此系統(tǒng)可以使用golay互補序列進行編碼。

golay互補序列在長距離φ-otdr應(yīng)用的優(yōu)勢，對比單脈沖來說golay首先具有高的編碼增益，n位golay編碼相比單脈沖平均n次的解調(diào)的信號信噪比要提升由于單極性golay互補序列始終為4行，所以golay需要的測量時間只與單脈沖平均4次的測量時間相同。例如128位golay互補序列(n為128)，編碼解調(diào)的信號比單脈沖平均128次得到的信號信噪比提升約5.6db測量時間卻是128次平均所用時間的1/32。所以相對比單脈沖平均來說golay互補序列既可以節(jié)約測量時間又可以提升測量信號的信噪比。對比其他的編碼方式來說，golay最大的優(yōu)勢在于它的測量時間不會隨著編碼位數(shù)的增加而增加，它需要的測量時間始終為單脈沖4次平均所需的時間。例如對比另一種在分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用較廣的simplex編碼方式，n位simplex編碼需要測量時間為單脈沖平均n次所需時間。所以對比其他一些編碼方式golay互補序列所需的測量時間并不會隨編碼長度的增加而增加這在長距離φ-otdr系統(tǒng)中將會保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

相比較相位上的編碼強度上的編碼可實現(xiàn)歸零碼字，從而可以防止碼間串?dāng)_。具體來說，相鄰碼字之間要相隔至少一個脈寬的距離才不會造成在某一位置兩個碼字的信號響應(yīng)發(fā)生重疊，而強度調(diào)制的歸零碼只要設(shè)置得當(dāng)就可以滿足該條件。相位編碼由于不能實現(xiàn)歸零碼，則會存在碼間串?dāng)_這一問題。所以本套發(fā)明系統(tǒng)采用了強度編碼的方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)相位敏感型光時域反射儀關(guān)于峰值功率與空間分辨率受限的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀，該光時域反射儀能夠快速高效地還原外界振動場的頻率與振幅信息，突破相位敏感型光時域反射儀中峰值功率與空間分辨率的限制；同時，本發(fā)明還公開了一種基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀的實現(xiàn)方法。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀，該相位敏感型光時域反射儀包括輸入光產(chǎn)生單元、保偏分束器、編碼序列調(diào)制單元、環(huán)形器、待測光纖、零差移頻器、偏振控制單元、探測單元及信號解調(diào)單元；

其中，

所述輸入光產(chǎn)生單元、保偏分束器、零差移頻器、偏振控制單元、探測單元及信號解調(diào)單元順次信號連接；

所述保偏分束器還順次連接所述編碼序列調(diào)制單元、環(huán)形器及待測光纖，所述環(huán)形器和探測單元相互信號連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明探測單元使用了i/q解調(diào)系統(tǒng)，可以用精煉的結(jié)構(gòu)實時有效地還原真實后向瑞利散射光的全部光場信息，尤其是絕對相位信息；同時，其本振光增益使得解調(diào)光纖尾端的極弱信號成為了可能，所以此系統(tǒng)有助于延長系統(tǒng)的傳感距離。

同時，基于上述基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀，本發(fā)明還公開了基于golay互補序列實現(xiàn)相位敏感型光時域反射儀的實現(xiàn)方法，該方法包括以下步驟：

1)將進行強度調(diào)制的適用于單極性系統(tǒng)的4行g(shù)olay互補序列打入待測光纖，用于接收其后向瑞利散射光信號；

2)采集待測光纖后向瑞利散射光信號作為每行的系統(tǒng)相應(yīng)，將上述4行g(shù)olay互補序列的系統(tǒng)響應(yīng)進行自相關(guān)運算解碼，恢復(fù)得到單脈沖相位響應(yīng)；

3)將得到的單脈沖相位響應(yīng)通過解卷繞運算得到相位信息，得到單脈沖兩個采樣點之間的相位差；周期性打入golay互補序列，得到兩個采樣點之間相位差隨時間的變化量，根據(jù)相位差與外界振動的頻率和幅度成正比關(guān)系，則可以恢復(fù)外界振動的頻率和幅度。

在上述方法的步驟2)中，單脈沖相位響應(yīng)的恢復(fù)方法如下：

設(shè)打入待測光纖的4行用于單極性系統(tǒng)的golay互補序列為a1、a2和b1、b2，相應(yīng)得到的4行序列系統(tǒng)響應(yīng)分別為ra1(t)、ra2(t)和rb1(t)、rb2(t)；

基于4行序列的瑞利散射光信號響應(yīng)將恢復(fù)單個碼字(單脈沖)系統(tǒng)響應(yīng)，恢復(fù)公式如表達式(3)所示。

式中，

⊕表示互相關(guān)運算；

w(t)表示相位敏感型光時域反射儀的單脈沖響應(yīng)。

作為優(yōu)選的，所述golay互補序列采用強度歸零編碼。

作為優(yōu)選的，強度歸零的golay互補序列在實際設(shè)定時，碼字與碼字之間歸零的長度需大于一個碼字的長度。

基于以上方法，本發(fā)明僅僅使用單脈沖測量的4倍時間，就完成了比平均n(n為戈利互補序列單行碼字長度)次更好的效果，保證了φ-otdr系統(tǒng)的實時性；其對應(yīng)的空間分辨率為單個碼字寬度的一半，因此此法在保證空間分辨率的情況下提高了輸入信號的平均功率，進而可以使得信號傳輸?shù)酶h，有利于長距離傳感的進行；相比于其他編碼方式，golay互補序列的測量時間不會隨著編碼位數(shù)的增加而增加，這樣就保證了整套系統(tǒng)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的快速動態(tài)測量。

附圖說明

圖1為線性系統(tǒng)的相位敏感型光時域反射儀的示意圖；

圖2為說明碼字之間歸零長度不可小于一個碼字長度的示意圖；

圖3為利用golay互補序列實現(xiàn)相位敏感型光時域反射儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為打入4行g(shù)olay互補序列得到的瑞利散射光強度響應(yīng)交流分量的實驗效果圖；

圖5為在待測光纖中加入一個特定頻率的擾動之后相位差隨著時間的變化實驗效果圖；

圖6為在待測光纖中加入一個特定頻率的擾動之后解調(diào)外界擾動信號的頻域圖；

圖中標記：1、輸入光產(chǎn)生單元；2、保偏分束器；3、編碼序列調(diào)制單元；4、環(huán)形器；5、待測光纖；6、零差移頻器；7、偏振控制單元；8、探測單元；9、信號解調(diào)單元。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。

首先說明相位解調(diào)的相位敏感型光時域反射儀(φ-otdr)為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是可以實施編碼的基礎(chǔ)與前提。設(shè)碼字重復(fù)周期(比特率)與采樣時間間隔(采樣率)相同；設(shè)一個幅值為1，初始相位為0的脈沖的φ-otdr系統(tǒng)響應(yīng)為r(t)；設(shè)長度為s+1的任意編碼序列為設(shè)在光纖上采樣的總點數(shù)為h+1，則單脈沖系統(tǒng)響應(yīng)為r(t)＝[r0exp(jρ0)，...，rhexp(jρh)]^t。圖1簡要說明了當(dāng)s＝2，h＝1時系統(tǒng)的響應(yīng)情況。圖1中的碼字為[1，1，1]^t，標號為①、②和③的曲線分別對應(yīng)第1、2和3個碼字的系統(tǒng)響應(yīng)。從圖1可以看出，系統(tǒng)對于編碼的響應(yīng)r(t)的長度應(yīng)該為s+h+1，即

r(t)＝[r(t0)，...，r(ts+h)]^t。由圖1可以推及一般的情況。φ-otdr系統(tǒng)對于任意編碼序列的響應(yīng)可用式(4)來表示。

由卷積的定義可以得知，式(4)的矩陣表示可以等價于卷積運算，如式(5)所示。

r＝a*r(5)

式(5)中*表示卷積運算。由于φ-otdr系統(tǒng)對于編碼的響應(yīng)可以表達為卷積運算，因此相位解調(diào)的φ-otdr系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。

之后說明碼字與碼字之間歸零的長度需大于一個碼字長度。若有兩個相鄰碼字打入光纖，在0點的接收器接收到的瑞利散射光可如圖2所示：第一(二)個碼字完全進入光纖的時間設(shè)為αδt(βδt)；標號為①(②)的區(qū)域表示第一(二)個碼字在接收端接收到的信號來源于待測光纖的位置與采樣時長的關(guān)系。由圖2可以看出，若要區(qū)域①與區(qū)域②不重合，α與β需滿足如式(6)所示的關(guān)系。

β≥α+1(6)

從圖2與式(6)可以看出，兩個相鄰碼字之間的歸零長度需大于一個碼字長度δt，否則對某個位置而言，兩個碼字的信號會產(chǎn)生混疊，從而使得系統(tǒng)失去線性性。

基于以上內(nèi)容，下面結(jié)合圖3對基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀進行說明：

基于golay互補序列的相位敏感型光時域反射儀,該相位敏感型光時域反射儀包括輸入光產(chǎn)生單元1、保偏分束器2、編碼序列調(diào)制單元3、環(huán)形器4、待測光纖5、零差移頻器6、偏振控制單元7、探測單元8及信號解調(diào)單元9；其中，所述輸入光產(chǎn)生單元1、保偏分束器2、零差移頻器6、偏振控制單元7、探測單元8及信號解調(diào)單元9順次信號連接；所述保偏分束器2還順次連接所述編碼序列調(diào)制單元3、環(huán)形器4及待測光纖5，所述環(huán)形器4和探測單元8相互信號連接。

在上述相位敏感型光時域反射儀中，保偏分束器2包括一路輸入端a和兩路輸出端b、輸出端c，環(huán)形器4包括一路輸入端a’和兩路輸出端b’、輸出端c’。

輸入光產(chǎn)生單元1產(chǎn)生光信號作為輸入光；保偏分束器2在不改變輸入光信號偏振態(tài)的情況下把輸入端a輸入的光產(chǎn)生單元輸出光信號分為兩路，輸出端b輸出的一路作為輸入待測光纖的信號光，輸出端c輸出的一路作為相干解調(diào)所需的本振光；編碼序列調(diào)制單元3把保偏分束器2端口b輸出的信號光調(diào)制為golay互補序列；環(huán)形器4把調(diào)制好的序列從輸入端a’輸入到輸出端b’連接的待測光纖；待測光纖5的后向瑞利散射光從環(huán)形器4的輸出端b’輸出至輸出端c’；零差移頻器6把保偏分束器2輸出端c輸出的用作本振光的光信號做移頻處理，使得其頻率與后向瑞利散射光的頻率相同；偏振控制單元7調(diào)整從零差移頻器輸出的連續(xù)光偏振態(tài)，使得探測單元擁有最優(yōu)化的本振光增益；探測單元8運用i/q解調(diào)技術(shù)，把環(huán)形器4輸出端c’輸出的后向瑞利散射光(即待測信號)與偏振控制單元輸出的本征光進行混頻，最后輸出擁有本振光增益的golay互補序列后向瑞利散射光光場；信號解調(diào)單元9把探測單元輸出的擁有本振光增益的后向瑞利散射光光場的進行解調(diào)，得到單脈沖響應(yīng)；之后通過計算后向瑞利散射光的相位，得到采樣點之間的相位差，從而還原出外界振動場的幅度與頻率。

上述相位敏感型光時域反射儀使用時，先調(diào)整輸入光產(chǎn)生單元1的輸入功率，即之后輸入碼字的峰值功率，然后通過保偏分束器2的輸出端b輸入到編碼序列調(diào)制單元產(chǎn)生golay互補序列，然后通過環(huán)形器4輸出端b’輸入到待測光纖。其后向瑞利散射光通過環(huán)形器4的輸出端c’，與經(jīng)過零差頻移器6與偏振控制單元7優(yōu)化過的本振光一起輸入到探測單元8進行i/q調(diào)制，使得信號光與本征光進行混頻，并輸入瑞利散射光光場。探測信號最后進入信號解調(diào)單元9，解調(diào)出單脈沖響應(yīng)，之后通過解卷繞算法解調(diào)出信號相位，并根據(jù)相位差還原出外界振動場的頻率與振幅。

下面，結(jié)合具體的實施例來說明本相位敏感型光時域反射儀的用法。

設(shè)待測光纖的長度為2km；單個碼字(單脈沖)的時長為80ns，對應(yīng)的空間分辨率約為8m；碼字的重復(fù)周期為40μs；golay互補序列的單行長度為32位。

運用90度光學(xué)混頻器與兩個帶寬為10m的探測器構(gòu)成探測單元8進行i/q解調(diào)。在光纖的尾端加入一個纏繞10m光纖的壓電陶瓷(pzt)用于模擬外界振動場，其外加施加振動頻率為355hz。

圖4為打入適用于單極性系統(tǒng)的golay互補序列之后，從探測單元輸出的4行碼字的后向瑞利散射光光強(革除直流響應(yīng))。圖4(a)、(b)、(c)和(d)分別表示golay互補序列的第1行、第2行、第3行與第4行碼字打入傳感系統(tǒng)后在0點探測到的后向瑞利散射光光強。從圖4可以看出，每一行碼字的響應(yīng)均有如下的趨勢：中部的強度較大而兩端的強度較低。造成此現(xiàn)象的原因在于前端碼字還未完全“進入”而后端已有部分碼字“走出”光纖。由于越大的強度會帶來越好的解調(diào)信噪比，而從圖4可以看出，golay互補序列對于信號的強度增強有顯著的幫助。

圖5與圖6分別表示信號解調(diào)單元解調(diào)出的外界振動場的時域與頻域信號。圖5表示時間與相位差之間的關(guān)系；圖5中的解調(diào)曲線呈現(xiàn)正弦形式，與施加在尾端pzt上的信號遙相呼應(yīng)。圖6表示的為圖5所示的解調(diào)時域信號所對應(yīng)的頻域信號，從圖6可以看出，解調(diào)信號在355hz附近取得峰值，并且呈現(xiàn)較高的信噪比。圖5與圖6證明了此系統(tǒng)可以較高程度地還原外界振動場。

如上所述即為本發(fā)明的實施例。前文所述為本發(fā)明的各個優(yōu)選實施例，各個優(yōu)選實施例中的優(yōu)選實施方式如果不是明顯自相矛盾或以某一優(yōu)選實施方式為前提，各個優(yōu)選實施方式都可以任意疊加組合使用，所述實施例以及實施例中的具體參數(shù)僅是為了清楚表述發(fā)明人的發(fā)明驗證過程，并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，本發(fā)明的專利保護范圍仍然以其權(quán)利要求書為準，凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。