快速布里淵光時域分析型應變測量裝置及數據處理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于分布式光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于受激布里淵增益譜線寬 窄化處理、脈沖編碼和小波變換技術相結合的高性能快速B0TDA(布里淵光時域分析型）應 變測量裝置及數據處理方法。
【背景技術】
[0002] 光纖傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、耐高壓、耐腐蝕、電絕緣性好、抗電磁 干擾等優(yōu)點，在通信光纜、河堤、混凝土、管道、隧道、橋梁等結構檢測中有廣泛應用?；谑?激布里淵散射效應的分布式光纖傳感器是利用受激布里淵頻移量與應變之間的線性關系， 通過測量光纖各處的布里淵頻移量得到該位置處相應的應變變化，從而實現應變的分布式 測量。
[0003] 受激布里淵分布式光纖傳感器主要有三種類型：布里淵光時域分析（B0TDA)型、 布里淵光頻域分析（B0FDA)型和布里淵散射光時域反射（B0TDR)型。B0TDA系統(tǒng)由于利用 光纖受激布里淵散射效應測量應變，布里淵增益線寬直接影響到應變的測量精度，布里淵 增益線寬越寬，應變的測量精度越低。B0TDA系統(tǒng)的測量時間也是一個很關鍵的因素，目前 采用的降低時間的方法是采用編碼技術提高信噪比進而減少測量次數，縮短測量時間，但 是編碼的階數過高時，系統(tǒng)的測量時間也不利于減少。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于受激布里淵增益譜線寬窄化處理、脈沖編碼和小波 變換技術相結合的高性能的B0TDA應變測量裝置。
[0005] 本發(fā)明所述的高性能的B0TDA應變測量系統(tǒng)的結構如圖1所示，由激光器1、第一 光親合器2、第一調制器3、第一微波信號源20、第一光濾波器4、第二調制器5、第二微波信 號源21，直流電源22、光放大器6、第二光耦合器7、光隔離器8、第二調制器9、頻率綜合器 14、第二光濾波器10、第四調制器11、脈沖信號發(fā)生器15、擾偏器12、光環(huán)形器13、傳感光 纖19、光電探測器16、數據采集卡17和計算機18組成，第一調制器3、第二調制器5、第三 調制器9、第四調制器11均為強度調制器。
[0006] 激光器1輸出頻率為f。的光信號（圖2(1))經第一光親合器2 -分為三，分別記 為第一支路101、第二支路201和第三支路301，第一支路101、第二支路201、第三支路301 的分光比為3 :3 :4,其中，第一支路的光信號作為光載波被送到第一調制器3中，然后被第 一微波信號源20輸出的頻率為2fB (fB為傳感光纖19的受激布里淵散射頻移量）的微波信 號調制，由于是小幅度微波信號調制，僅考慮載波和一階邊帶（f。、f；+2fB、f>2fB)，第一調制 器3輸出的信號輸入到第一光濾波器4中，濾掉載波和一階上邊帶，僅剩頻率為&-2&的 一階下邊帶信號（圖2 (2))，將第一光濾波器4輸出的頻率為f>2fB信號再送入第二調制 器5中，被第二微波信號源21輸出的頻率為4的信號調制，調整直流電源22輸出的直流 電壓改變第二調制器5的直流偏置電壓，使其工作在載波抑制的雙邊帶輸出狀態(tài)，其輸出 頻率為f；-2fB+fV和fc-2fB-fV的兩個信號（圖2 (3))，第二調制器5輸出信號（fc-2fB+f；和fc-2fB-fJ的強度可以通過光放大器6放大；第二支路201中頻率為（的光信號與第一支 路101中經光放大器6放大的光信號經第二光耦合器7后再經光隔離器8送入到傳感光 纖19中，作為傳感光纖19中受激布里淵散射效應的栗浦信號，三個栗浦信號的頻率分別 為f。、f「2fB+f；和f(強度可以通過光放大器6控制），栗浦信號f。產生的增益譜 的中心頻率為f；-fB，栗浦信號f>2fB+f；和f產生損耗譜的中心頻率為f^fB+f；和 (圖2 (4))，改變光放大器6的放大倍數可以改變栗浦信號f；-2fB+fV和f強 度，從而改變損耗譜f>fB+fV和f 的強度，中心頻率為f。_4的增益譜和中心頻率為 f>fB+fV和f 損耗譜相互作用，實現受激布里淵增益譜線寬的窄化處理（圖2(5))， 從而提高測量精度。第三支路301中的光信號輸入到第三調制器9中，被頻率綜合器14輸 出的頻率為fT(fT的頻率是以f8為中心在300M的范圍內按一定頻率間隔變化）的小幅信 號調制，第二光濾波器10濾掉調制信號中的載波和一階上邊帶信號（由于是小信號調制， 只有載波和一階邊帶），只保留頻率為f>fT的一階下邊帶信號，頻率為f的信號輸入到 第四調制器11中，被脈沖信號發(fā)生器15輸出的脈沖信號調制（脈沖信號的高電平寬度為 10ns~100ns，脈沖頻率為10kHz~100kHz)，第四調制器11輸出的信號輸入到擾偏器12 中，擾偏器12是為了將光的偏振態(tài)隨機化，以消除偏振態(tài)對受激布里淵散射效應的影響， 經擾偏器12處理的光信號作為傳感光纖19中受激布里淵散射效應的脈沖光從光環(huán)形器13 的I端口輸入，II端口輸出后進入到傳感光纖19中。從光隔離器8輸出的窄化處理的三個 栗浦信號和從環(huán)形器的II端口輸出的脈沖光在傳感光纖19中相互作用，當兩路光的頻率 差之間滿足受激布里淵散射條件時會發(fā)生受激布里淵散射現象，攜帶受激布里淵散射信息 的栗浦光信號經光環(huán)行器的端口II輸入，從光環(huán)形器13的端口III輸出后被光電探測器16 探測，然后通過數據采集卡17將采集到的數據送入計算機18處理，計算機18還需要控制 頻率綜合器14輸出的頻率值和脈沖信號發(fā)生器15輸出脈沖的起始時刻，最后通過光譜擬 合可以得到受激布里淵增益譜峰值頻率，進而確定應變的大小，通過脈沖發(fā)出的時間和增 益譜峰值出現的時間差可以判斷應變發(fā)生的位置。
[0007] B0TDA測量系統(tǒng)的應變測量精度公式
增益譜線寬，SNR為系統(tǒng)信噪比，可見，減小布里淵增益線寬ΔvB和增加信噪比均可以提高 系統(tǒng)的測量精度。
[0008] 本發(fā)明通過采用S-codes(Simplexcodes)編碼和小波變換技術相結合來提高系 統(tǒng)的性噪比（SNR)進而提高測量精度并且縮短系統(tǒng)的測量時間。采用S-codes編碼技術是 通過對S矩陣（S-matrix)進行哈達碼（hadmard)變換，然后通過疊加來減小噪聲，提高信 噪比，S-matrix是一個單極性矩陣，由1和0組成，對于S-codes編碼，當S矩陣的階數增加 時，解碼時間變長，使系統(tǒng)的測量時間增加，采用適當的S矩陣的階數，在數據處理端解碼 采集到的數據之后再利用小波變換技術進行去噪處理，提高系統(tǒng)的性噪比進而提高測量精 度并且縮短系統(tǒng)的測量時間。該編碼技術的關鍵是構建S-matrix矩陣，以同時測量光纖沿 線不同位置的布里淵散射強度。以一個三階S-matrix矩陣為例來說明采用該編碼技術提 高SNR，假設對于一個單脈沖Pi(t)被發(fā)射到被測量光纖中，得到的響應為Φi(t)。同時定義 新的脈沖卩2(0zPjt-ThPjt)zPjtlT)，它們的響應分別為：φ2α) =iMt-τ)， Φ3⑴=Φτ);通過發(fā)身才S-codes序列可以得至lj:
[0012] 于是可以采用S-matrix寫成hadamard變換的形式：
[0014] 式中e(t)為測量的噪聲。由上式可知，碼長即為S-matrix的階數。為了恢復出Φi⑴需要進行Hadmard反變換，得到如下表達式：
[0020] 于是可以得到處理后的結果為：
[0022] 最后的平均平方誤差為：
[0024] 而對于通常的單脈沖情況，三次迭代的平均平方誤差為〇 2/3,對于碼長為3時得