本發(fā)明涉及一種并行微波掃頻裝置及方法，尤其是涉及了一種用于布里淵傳感的并行微波掃頻裝置及信號拼接方法。

背景技術(shù)：

基于布里淵散射原理的光纖傳感技術(shù)是一種新型和前沿的分布式光纖傳感技術(shù)，該技術(shù)相比于傳統(tǒng)的傳感技術(shù)具有傳感距離長、空間分辨率和測量精度高、抗電磁干擾、防水、抗高壓、耐腐蝕、可實現(xiàn)分布式檢測等優(yōu)點，并且可進行溫度和應(yīng)變的同時測量，在大型工程建設(shè)、石油和天然氣管道監(jiān)測和邊境安全監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，因此成為了國內(nèi)外光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點。目前用于光纖傳感技術(shù)的原理主要包括：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射；基于瑞利散射的光纖傳感技術(shù)只能測量光纖的損耗和斷點，不能測量溫度和應(yīng)變等物理量；基于拉曼散射原理的光纖傳感，雖然可以測量溫度變化，但拉曼散射的光信號相對較弱，而且只對溫度敏感，難以用于需要應(yīng)力檢測的場合；而基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)對溫度和應(yīng)變都敏感，溫度和應(yīng)變都會引起布里淵散射的頻移，可同時檢測溫度和應(yīng)變。傳統(tǒng)的布里淵傳感信號檢測方法是采用單一掃頻模塊的掃頻法，此方法雖然可以獲得完整連續(xù)的布里淵散射頻譜，但是，受到掃頻模塊工作原理的限制，獲取完整布里淵散射頻譜的時間比較長，不能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于布里淵傳感的并行微波掃頻裝置及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

用于布里淵傳感的并行微波掃頻裝置中采用的光源是DFB高穩(wěn)定性激光光源，光源的輸出接第一分束器一個輸入端，第一分束器的兩個輸出端分別接斬波電路輸入端和第二分束器輸入端；斬波電路輸出端通過第一摻鉺光纖放大器接擾偏器輸入端，擾偏器輸出端接第一環(huán)形器輸入端口，第一環(huán)形器的一個輸出口接傳感光纖；第一環(huán)形器的另一個輸出端口接第二環(huán)形器的輸入端口，第二環(huán)形器的一個輸出端口接光纖光柵濾波器，第二環(huán)形器的另一個輸出端口接第二摻鉺光纖放大器輸入端；第二摻鉺光纖放大器輸出端接第三分束器的一個輸入端，第三分束器的另一輸入端與第二分束器的一個輸出端相連接，第三分束器的輸出端和光電探測器輸入端相連，光電探測器輸出端接高通濾波器輸入端，高通濾波器輸出端與低噪聲放大電路輸入端連接；多通道并行微波掃頻模塊輸入端與連低噪聲放大電路輸出端連接，多通道并行微波掃頻模塊輸出端與多通道數(shù)據(jù)采集卡輸入端相連，多通道數(shù)據(jù)采集卡輸出端與計算機相連。

利用上述裝置進行微波掃頻的方法如下：DFB高穩(wěn)定性激光器提供連續(xù)穩(wěn)定的泵浦光源，用分束器1將激光器提供的光源按照1:9的比例分開，其中10％的光經(jīng)由斬波電路被轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖光，該脈沖光再經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA1放大后送給擾偏器，擾偏器用來減少被放大后的脈沖光中由于偏振引起的損耗，環(huán)形器1除了用來提供傳感光纖的入射端口1，和傳感光纖的反射入口2外，還提供了傳感光纖反射光的出口3；環(huán)形器2入射端口1將傳感光纖的反射信號經(jīng)端口2送到光纖光柵濾波器中，經(jīng)過光纖光柵濾波器后，反射信號中的拉曼散射和瑞利散射等無用信號被濾除，只留下布里淵散射信號經(jīng)環(huán)形器2的端口2進入環(huán)形器2，再由環(huán)形器2的端口3送入摻鉺光纖放大器EDFA2中，放大后的信號和由分束器2分出的信號在分束器3處匯合并發(fā)生干涉，發(fā)生干涉之后的信號被光電探測器檢測到，高通濾波器將光電探測器的輸出信號進行濾波后傳送給低噪聲放大電路進行放大；被放大后的信號被同時傳輸給多個并行工作的微波掃頻模塊，每一掃頻模塊的本振信號工作在不同頻率并各自負責一個頻率區(qū)間，完成對布里淵散射信號頻譜不同分段的同時掃描。布里淵散射信號與參考信號拍頻后經(jīng)高速光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，含有布里淵散射頻譜信息的電信號同時送入微波掃頻模塊1～N，假定并行微波掃頻模塊需要掃描的頻率范圍為f_min～f_max，則每個模塊的掃頻寬度為W和第t掃頻模塊負責的掃頻范圍D如下式所示：

D＝[f_min+w·(t-1)]～[f_min+w·t] (t＝1,2,3...n)

最后數(shù)據(jù)被多通道數(shù)據(jù)采集卡采集并送入計算機機匯合，以實現(xiàn)對布里淵散射信號整個頻譜的掃描。對于多通道并行微波掃頻方法，其每一個通道上獲取的是布里淵散射信號頻譜的一個片段，需要將全部頻譜片段進行拼接，才能得到完整的布里淵散射信號頻譜，進而確定布里淵散射信號的中心頻率，進一步實現(xiàn)溫度和應(yīng)變信息提取。

等比例移位的拼接方法如下：相鄰頻譜片段的拼接，可能會因不同通道特性差異而在拼接處產(chǎn)生信號強度錯位，不能拼接成一個理想的光滑輪廓。通常，中心頻率處強度最強，若中心頻率落在某一頻譜片段邊緣附近，拼接處的頻譜因錯位而引起強度起伏，造成中心頻率處強度幅值低于拼接處，則會給中心頻率的確定帶來干擾，引起誤差。為了解決這個問題，兩個相鄰頻譜片段拼接時，先求出已經(jīng)進行了移位拼接的前一段頻譜P_i′中最后一個數(shù)據(jù)P_im′和后一段頻譜P_i+1中第一個數(shù)據(jù)P_(i+1)1的比值為Q_i+1，即為頻譜片段P_i+1的修正系數(shù)；然后將該段頻譜P_(i+1)的數(shù)據(jù)P_(i+1)j同時乘以修正系數(shù)Q_i+1后得到P_(i+1)′，將頻譜片段P_(i+1)′與前一段頻譜P_i′拼接即可。頻譜信號拼接順序為先拼接第二段P₂和第一段P₁′，再拼接第三段P₃和已經(jīng)進行移位拼接的第二段P₂′，如此循環(huán)往復，直至將所有頻譜片段拼接完成為止。等比例移位拼接公式如下：

Q₁＝1

P_(i+1)j′＝P_(i+1)j ·Q_i+1 (i＝1,2...n-1；j＝1,2...m)

P_1j′＝P_1j

式中的i代表頻譜片段編號，取值為1～(n-1)；P_(i+1)j代表第i+1段頻譜的第j個數(shù)據(jù)，j代表某一頻譜片段內(nèi)數(shù)據(jù)編號，取值為1～m，且m的大小由每個模塊的掃頻寬度為W和掃頻間隔決定；Q_i+1代表第i+1段頻譜的修正系數(shù)。由于，此拼接方法是從第一段開始拼接，故第一段頻譜不需進行移位修正，因此Q₁＝1，即P₁′＝P₁。

與背景技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明中的用于布里淵傳感的多通道并行微波掃頻裝置是一套用于布里淵傳感的信號采集裝置，采用多通道并行采集的方式，可大大縮短信號采集時間。

2.本發(fā)明中采用的不連續(xù)頻譜信號比例移位拼接算法，可以實現(xiàn)多段不連續(xù)相鄰頻譜信號的拼接。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是多通道并行微波掃頻模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖3是采集到的不連續(xù)頻譜圖示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明中采用DFB高穩(wěn)定性激光光源提供連續(xù)的穩(wěn)定的激光，用分束器1將激光器提供的光源按照1:9的比例分開，其中90％用作檢測時的參考光，另外10％的光經(jīng)由斬波電路被轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖光；該脈沖光再經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA1放大，擾偏器用來減少被放大后的脈沖光中偏振引起的損耗，環(huán)形器1除了用來提供傳感光纖的入射端口1，和傳感光纖的反射入口2外，還提供了傳感光纖反射光的出口3；環(huán)形器2入射端口1將傳感光纖的反射信號經(jīng)端口2送到光纖光柵濾波器中，經(jīng)過光纖光柵濾波器后，反射信號中的拉曼散射和瑞利散射被濾除，只留下布里淵散射經(jīng)環(huán)形器2的端口2回到環(huán)形器中，再由環(huán)形器2的端口3送入摻鉺光纖放大器EDFA2中，放大后的信號和1:1分束器2分出的信號在1:1分束器3處發(fā)生干涉，干涉之后的信號進入光電探測器，高通濾波器將光電探測器的輸出信號進行濾波后傳送給低噪聲放大電路進行放大；被放大后的信號被同時傳輸給多個并行工作的微波掃頻處理模塊，每一模塊的本振信號工作在不同頻率并各自負責一個頻率區(qū)間，通過改變每個通道對應(yīng)的掃頻模塊的本振頻率，使其完成對布里淵散射信號在對應(yīng)頻率區(qū)間的獲取，原理如圖2所示；每個通道將各自負責的頻率區(qū)間的信號交由數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)通道，最后由計算機獲取所有通道數(shù)據(jù)并匯總。經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡獲取的數(shù)據(jù)在計算機匯總之后，由于通道特性差異將出現(xiàn)如圖3所示的不連續(xù)錯位頻譜。根據(jù)采集到的頻譜片段，進行等比例移位拼接。移位拼接時根據(jù)兩個相鄰頻譜片段中前一段頻譜的最后一個數(shù)據(jù)和后一段頻譜的第一個數(shù)據(jù)的比值，將后一段頻譜整體等比例移位后拼接到前一段頻譜上。頻譜信號拼接時，按照順序先拼接第二段和第一段，再拼接第三段和已經(jīng)進行移位拼接的第二段，如此循環(huán)，直至將所有頻譜片段拼接完成為止。

本發(fā)明的掃頻過程如下：DFB激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過分束器和斬波電路后，被轉(zhuǎn)換成脈沖光，再經(jīng)過摻鉺光纖放大器EDFA1放大后送進擾偏器，擾偏器用來減少脈沖光中由于偏振引起的損耗，通過環(huán)形器1注入到傳感光纖中，從傳感光纖中反射回來的信號經(jīng)光纖光柵濾波器后濾除布里淵散射之外的雜波信號，留下來的布里淵散射信號經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA2放大后與分束器1分出的參考光在分束器3處匯合，拍頻之后由光電探測器檢測，光電探測器檢測到的信號通過高通濾波器濾波、放大電路放大之后信號送給多通道并行微波掃頻模塊，并行微波掃頻模塊由多個微波掃頻模塊組成，每一掃頻模塊的本振信號工作在不同頻率并各自負責一個頻率區(qū)間，通過改變每個通道對應(yīng)的掃頻模塊的本振頻率，使其完成對布里淵散射信號在對應(yīng)頻率區(qū)間的頻譜獲取，且每個掃頻模塊都接在多通道數(shù)據(jù)采集卡的一個通道上，數(shù)據(jù)采集卡將各個通道上的數(shù)據(jù)匯總到計算機，就可以得到一個完整但不連續(xù)的錯位頻率譜。頻譜片段進行移位拼接時，根據(jù)兩個相鄰頻譜片段中前一段頻譜的最后一個數(shù)據(jù)和后一段頻譜的第一個數(shù)據(jù)的比值，將后一段頻譜整體等比例移位后與前一段頻譜拼接。頻譜信號拼接照順序為先拼接第二段和第一段，再將第三段和已經(jīng)進行移位拼接的第二段拼接，如此循環(huán)往復，直至將所有頻譜片段拼接完成為止。