基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，包括可將激光分束為本振光和泵浦光的第一激光單元、可將激光調(diào)制成可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號的第二激光單元、非同軸多芯光纖及光纖傳感單元，非同軸多芯光纖一端接收第一激光單元的泵浦光，另一端接收正交頻分復(fù)用光信號，光纖傳感單元分別與第一激光單元和第二激光單元連接。上述基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，采用非同軸多芯光纖取代單模單芯光纖作為傳感光纖，可區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。采用正交頻分復(fù)用光信號取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測光，可增加掃描速度，一次性完成多個頻點的掃描，提高了檢測響應(yīng)時間。還提供了一種基于布里淵散射的分布式測量方法。
【專利說明】基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力系統(tǒng)中，電纜、風(fēng)電設(shè)備等長期暴露在空氣中，容易受到外力及外界環(huán)境變化的影響。如大風(fēng)、地震和冰災(zāi)等將使設(shè)備發(fā)生形變產(chǎn)生弧垂，從而導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，設(shè)備強度下降，造成線路中斷故障。而應(yīng)力對設(shè)備影響并不能直觀表現(xiàn)出來，一旦應(yīng)力積累到一定程度，造成設(shè)備工作中斷，會嚴重影響電力系統(tǒng)輸供電的安全。另一方面，在電力系統(tǒng)中，高溫、火災(zāi)也是影響電力系統(tǒng)安全運行的常見事故，所以溫度在線監(jiān)測的質(zhì)量同樣對電力系統(tǒng)安全運行舉足輕重。因此，及時監(jiān)測和掌握設(shè)備應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況，并及時發(fā)現(xiàn)故障而采取有效地預(yù)防措施，對提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。
[0003]布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，布里淵散射與入射光之間具有一定的頻差，該頻差與溫度和應(yīng)變之間具有良好的線性關(guān)系，同時與功率與溫度呈正比關(guān)系。光纖作為傳感介質(zhì)，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾以及易于組網(wǎng)等優(yōu)點。通過測量光纖中的布里淵頻譜可以實現(xiàn)環(huán)境中溫度和應(yīng)變的分布式傳感，基于光纖布里淵散射的分布式傳感技術(shù)應(yīng)用而生。
[0004]但是，由于光纖中布里淵頻移同時受應(yīng)變和溫度的影響，僅由單一的布里淵頻移無法分辨出該頻移是由應(yīng)變還是由溫度引起，使得這種傳感技術(shù)的實用場合受到了很大限制，這種現(xiàn)象，稱為布里淵散射光纖傳感器的“交叉敏感”問題。
[0005]為了解決這一問題，提出了多種解決方案。例如，通過研究大有效面積非零色散位移光纖的布里淵散射譜與應(yīng)變和溫度的關(guān)系，從而提出的解決布里淵散射光纖傳感器交叉敏感問題的方案。此外，還提出了采用溫度補償?shù)姆椒▉斫鉀Q交叉敏感問題。但是，大有效面積非零散射光纖的使用，系統(tǒng)成本增加，且無法與已鋪設(shè)的光纜融合，且檢測響應(yīng)時間長，測量精度不高。采用溫度補償法，測量精度不高，檢測響應(yīng)時間長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，有必要針對響應(yīng)時間長、測量精度不高的問題，提供一種基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)及方法。
[0007]—種基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng),包括:
[0008]可將激光分束為本振光和泵浦光的第一激光單元；
[0009]可將激光調(diào)制成可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號的第二激光單元；
[0010]非同軸多芯光纖，一端接收所述第一激光單元的泵浦光，另一端接收所述正交頻分復(fù)用光信號；
[0011]可得到所述非同軸多芯光纖纖芯布里淵頻移的光纖傳感單元，分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述本振光和探測光均輸入所述光纖傳感單元。[0012]在其中一實施例中，所述第一激光單元包括泵浦激光器、將激光分束的第一光耦合器、進行脈沖或隨機序列調(diào)制的第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器、光環(huán)形器，所述泵浦激光器與所述第一耦合器連接，所述泵浦激光器輸出的激光一束輸入光纖傳感單元，另一束依次通過第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器和光環(huán)形器輸入所述非同軸多芯光纖，所述光環(huán)形器與所述光纖傳感單元連接。
[0013]在其中一實施例中，所述光環(huán)形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光纖放大器通過第一端口與所述光環(huán)形器連接，所述非同軸多芯光纖一端與所述第二端口連接，所述光纖傳感單元通過第三端口與所述光環(huán)形器連接。
[0014]在其中一實施例中，所述第一激光單元還包括光濾波器，所述光濾波器的一端與所述光環(huán)形器連接，另一端與所述光纖傳感單元連接。
[0015]在其中一實施例中，所述第二激光單元包括探測光激光器、可將激光調(diào)制成正交頻分復(fù)用光信號的第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器，所述探測光激光器輸出的激光依次通過第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器輸入非同軸多芯光纖。
[0016]在其中一實施例中，所述第二電光調(diào)制器包括正交頻分復(fù)用光信號發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器和電光調(diào)制裝置，所述正交頻分復(fù)用光信號發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器和電光調(diào)制裝置依次連接，所述探測光激光器與所述電光調(diào)制裝置連接，所述第二光纖放大器與所述電光調(diào)制裝置連接。
[0017]在其中一實施例中，所述光纖傳感單元包括光電接收檢測裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信道估計裝置和主控顯示設(shè)備，所述光電接收檢測裝置分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電接收檢測裝置連接，所述信道估計裝置與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述主控顯示設(shè)備與所述信道估計裝置連接和第一激光單元連接。
[0018]在其中一實施例中，所述光電接收檢測裝置包括第二光耦合器和光電檢測器，所述第二光耦合器分別與第一激光單元和第二激光單元連接，所述光電檢測器與所述第二光耦合器連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電檢測器連接。
[0019]一種基于布里淵散射的分布式測量方法，包括以下步驟:
[0020]鋪設(shè)非同軸多芯光纖；
[0021]產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，調(diào)制泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，分別輸入泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號于所述非同軸多芯光纖兩端；
[0022]接收并檢測所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖發(fā)生布里淵散射光信號的正交頻分復(fù)用光信號；
[0023]對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移；
[0024]通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
[0025]在其中一實施例中，所述對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移的步驟，具體包括以下步驟:
[0026]對檢測出的正交頻分復(fù)用光信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0027]對正交頻分復(fù)用電信號進行串并轉(zhuǎn)換；[0028]對串并轉(zhuǎn)換的正交頻分復(fù)用電信號進行去循環(huán)前綴；
[0029]對去循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用電信號進行快速傅氏變換；
[0030]對快速傅氏變化的正交頻分復(fù)用電信號進行信道估計，并得出纖芯的布里淵頻移。
[0031]上述基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)及方法，米用非同軸多芯光纖作為傳感光纖，接收并檢測光信號，光信號包括本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖發(fā)生布里淵散射的光信號的正交頻分復(fù)用探測光，然后對檢測出的光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移，通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
[0032]如此，采用非同軸多芯光纖取代單模單芯光纖作為傳感光纖，可以區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。采用正交頻分復(fù)用光信號取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個頻點的掃描，提高了檢測響應(yīng)時間。采用經(jīng)過調(diào)制的正交頻分復(fù)用光信號作為探測光，經(jīng)過正交頻分復(fù)用解調(diào)，得出非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵頻移，降低了系統(tǒng)計算復(fù)雜度，簡化傳統(tǒng)方式中的平均過程，減少了檢測時間。此外，正交頻分復(fù)用光信號傳輸可長距離傳輸，傳送精度高，提高了測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為一實施方式的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為另一實施方式的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3為一實施方式的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)的第二電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為一實施方式的基于布里淵散射的分布式測量方法的流程示意圖；
[0037]圖5為一實施方式的基于布里淵散射的分布式測量方法正交頻分復(fù)用電信號調(diào)制解調(diào)流程示意圖。
【具體實施方式】
[0038]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
[0039]需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術(shù)語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。
[0040]除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
[0041]如圖1所示，一種基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，包括可將激光分為兩束的第一激光單元110、可將激光調(diào)制成可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號的第二激光單元120、非同軸多芯光纖130和可得到非同軸多芯光纖130纖芯布里淵頻移的光纖傳感單兀140。第一激光單兀110可將激光分為兩束,一束為本振光,另一束為泵浦光，非同軸多芯光纖130 —端接收第一激光單元110的泵浦光，另一端接收可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號。第一激光單元110和第二激光單元120均與光纖傳感單元140連接，本振光和探測光均輸入光纖傳感單兀140。
[0042]在本實施例中，米用非同軸多芯光纖130作為傳感光纖,非同軸多芯光纖130是一種共用外包層，內(nèi)含有多根纖芯，每根纖芯又有自己的內(nèi)包層的光纖。非同軸多芯光纖130可提高成纜的集成密度，同時也可降低施工成本。
[0043]由于非同軸多芯光纖130纖芯間隔大，互相不發(fā)生光耦合現(xiàn)象，受溫度影響時，每個纖芯的布里淵頻移變化相同，而每個纖芯位置不同，受到應(yīng)力影響時的布里淵頻移變化不同。因此，可以分辨出布里淵頻移是由溫度還是由于應(yīng)力變化引起，從而解決了布里淵散射傳感的交叉敏感問題。
[0044]第一激光單元110可將激光分為兩束，一束可作為本振光，另一束可作為泵浦光。在其中一個實施例中，第一激光單元110可包括泵浦激光器112、第一光耦合器114、第一電光調(diào)制器116、第一光纖放大器118和光環(huán)形器119。泵浦激光器112發(fā)射的激光可作為泵浦光源，第一光耦合器114可將激光分為兩束，第一電光調(diào)制器116可對泵浦光進行脈沖或隨機序列調(diào)制，第一光纖放大器118對泵浦光進行放大，光環(huán)形器119 一端口與非同軸多芯光纖130連接，另一端口與光纖傳感單元140連接。
[0045]其中，泵浦激光器112輸出的激光經(jīng)過第一耦合器114分為兩束，一束作為泵浦光經(jīng)過第一電光調(diào)制器116脈沖或隨機序列調(diào)制后輸入第一光纖放大器118放大，再進入光環(huán)形器119從而輸入到非同軸多芯光纖130產(chǎn)生布里淵散射,另一束激光作為本振光輸入光纖傳感單元140。
[0046]光環(huán)形器119是一種多端口非互易光學(xué)器件,具有N個端口，其中N大于等于3, N個端口形成一個連續(xù)的通道，可以完成正反向傳輸光的分離。在本實施例中，光環(huán)形器119包括3個端口，第一光纖放大器118通過第一端口 1192與光環(huán)形器119連接,非同軸多芯光纖130的一端與第二端口 1194連接，光纖傳感單元140與第三端口 1196連接。如此，當(dāng)泵浦光從第一光纖放大器118進入光環(huán)形器119的第一端口 1192，可毫無損失的由第二端口 1194進入非同軸多芯光纖130，由于光環(huán)形器119的非互易特性，第三端口 1196沒有光輸出。
[0047]第一光耦合器114為普通光纖耦合器，可以理解的是，在其他實施例中，第一光耦合器114的耦合比可根據(jù)實際激光條件和輸出功率的需要進行選擇，只要實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的目的即可。泵浦激光器112可為端面泵浦固體激光器，也可以為側(cè)面泵浦固體激光器，只要實現(xiàn)低功耗、性能可靠、壽命長、輸出光質(zhì)量好的目的即可。在本實施例中，泵浦激光器112采用分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)。第一光纖放大器118為可為慘耳放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)。
[0048]第二激光單元120可將激光調(diào)制成可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號。
[0049]在其中一個實施例中，第二激光單元120包括探測光激光器122、第二電光調(diào)制器124、第二光纖放大器126,探測光信號由探測激光器122輸出后通過第二電光調(diào)制器124、第二光纖放大器126輸入非同軸多芯光纖130另一端。
[0050]探測光激光器122與第一激光單元110的泵浦激光器112相比有一定的頻差，作為相干光源，普通石英非同軸多芯光纖在常溫?zé)o應(yīng)變時產(chǎn)生的布里淵頻移約為11GHz，故在本實施例中，頻差為11GHz，在溫度和應(yīng)變變化時，根據(jù)布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系即可得出溫度和應(yīng)變的變化信息。
[0051]第二電光調(diào)制器124可將產(chǎn)生正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, OFDM)模擬信號，并與探測光激光器122輸出的激光進行OFDM調(diào)制，將激光調(diào)制為OFDM光信號，并經(jīng)過第二光纖放大器126輸入非同軸多芯光纖130的另一端,經(jīng)歷布里淵增益。第二光纖放大器126可為摻耳放大器。需要說明的是，OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其在多個正交的子載波上傳遞不同的信息符號，如4一QAM符號，頻率分辨率為子載波間隔。
[0052]在本實施例中，第二電光調(diào)制器124可采用馬赫一曾德爾調(diào)制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)，MZM調(diào)制器將輸入光分成兩路相等的信號分別進入調(diào)制器的兩個支路，這兩個光支路采用的材料是電光性材料，其折射率隨外部施加的電信號大小而變化。由于光支路的折射率變化會導(dǎo)致信號相位的變化，當(dāng)兩個支路信號調(diào)制器輸出端再次結(jié)合在一起時，合作的光信號將是一個強度大小變化的干涉信號，相當(dāng)于把電信號的變化轉(zhuǎn)換成了光信號的變化，實現(xiàn)了光強度的調(diào)制。
[0053]如此，將OFDM模擬信號與探測光調(diào)制為OFDM光信號,并最后輸入非同軸多芯光纖130經(jīng)歷布里淵增益。采用OFDM光信號作為系統(tǒng)中的探測光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個頻點的掃描，減少檢測時間。此外，采用OFDM技術(shù)可有效對抗信號波形的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，通過各子載波的聯(lián)合編碼具有很強的抗衰落能力，可適用于長距離分布式光纖傳感。
[0054]可以理解的是，第二電光調(diào)制器124也可采用其他電光調(diào)制器，只要實現(xiàn)OFDM光信號調(diào)制的目的即可。第二光纖放大器126也可采用其他的光纖放大器，只要實現(xiàn)對OFDM光信號放大即可。
[0055]光纖傳感單元140可得到非同軸多芯光纖130纖芯的布里淵頻移，分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，本振光和探測光均輸入光纖傳感單元140。
[0056]在其中一個實施例中，光纖傳感單元140可包括光電接收檢測裝置142、模數(shù)轉(zhuǎn)換器144、信道估計裝置146和主控顯示裝置148，光電接收檢測裝置142分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器144與光電檢測裝置連接，信道估計裝置146與模數(shù)轉(zhuǎn)換器144連接，主控顯示裝置148與信道估計裝置146連接，還與第一激光單元110連接。
[0057]請參閱圖2，在其中一實施例中，光電接收檢測裝置142包括第二光耦合器1422和光電檢測器1424，第二光耦合器1422分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，光電檢測器1424與第二光稱合器1422連接。第一激光單兀110激光分為兩束,作為本振光的一束輸入第二光稱合器1422,第二激光單兀120通過光環(huán)形器119與第二光稱合器1422連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器144與光電檢測器1424連接。
[0058]第一激光單元110泵浦光輸入非同軸多芯光纖130，產(chǎn)生布里淵散射，當(dāng)泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，即布里淵增益，泵浦光與探測光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。OFDM光信號作為探測光輸入非同軸多芯光纖130經(jīng)歷布里淵增益，由于布里淵散射信號與泵浦光方向相反，OFDM光信號攜帶布里淵散射信號經(jīng)過光環(huán)形器119與本振光在第二光稱合器1422稱合進入光電檢測器1424。
[0059]其中，信道估計裝置146對經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的OFDM光信號進行了 OFDM解調(diào)，以便布里淵散射信號的數(shù)據(jù)處理。需要說明的是，解調(diào)是從攜帶消息的已調(diào)信號中恢復(fù)消息的過程，發(fā)送端用所欲傳送的消息對載波進行調(diào)制，產(chǎn)生攜帶這一消息的信號，接收端恢復(fù)所傳送的消息才可加以利用。上述檢測方法采用直接檢測法，通過OFDM光信號攜帶布里淵散射信號，然后將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，解調(diào)電路檢出信息，直接檢測算法使得成本大大降低。
[0060]可以理解的是，光電接收檢測裝置142也可以是相干接收機1426，第一激光單元110的本振光輸入相干接收機1426,第二激光單兀120的OFDM光信號攜帶布里淵散射信號經(jīng)過光環(huán)形器119輸入相干接收機1426。如此，只要實現(xiàn)接收并檢測出本振光和攜帶布里淵散射信號的OFDM光信號，以及對OFDM光信號進行解調(diào)的目的即可。上述檢測方案采用相干檢測方案，利用光的相干性對光載波所攜帶的信息信號進行檢測和處理，與直接檢測相比，相干檢測更容易獲得大的信噪比，可恢復(fù)的信號種類多，并且頻率選擇性較好，更適合密集波分復(fù)用系統(tǒng)，因此，傳輸過程中誤差小，提高了精確度。此外，相干接收機1426的靈敏度高，增加了光信號的無中繼傳輸距離，從而增加了測量距離。
[0061]模數(shù)轉(zhuǎn)換器144與光電檢測裝置142連接，信道估計裝置146與模數(shù)轉(zhuǎn)換器144連接，主控顯示裝置148與信道估計裝置146連接，還與第一激光單元110連接。如此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器144可將OFDM光信號轉(zhuǎn)換為OFDM電信號，信道估計裝置146通過信道估計技術(shù)從而得到每個纖芯的布里淵增益譜，主控顯示裝置148從而經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出每個纖芯的布里淵頻移，得出溫度和應(yīng)力值。其中，主控顯示裝置148還與第一電光調(diào)制器116連接，從而控制第一電光調(diào)制器116的脈沖或隨機序列調(diào)制。
[0062]上述基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，包括可將激光分束成本振光和泵浦光的第一激光單元110，可將激光調(diào)制成可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號的第二激光單元120，一端接收第一激光單元110泵浦光，另一端接收正交頻分復(fù)用光信號的非同軸多芯光纖130，以及可得到非同軸多芯光纖130纖芯布里淵頻移的光纖傳感單元140。光纖傳感單元140分別與第一激光單元110和第二激光單元120連接，本振光與探測光均輸入光纖傳感單元140。
[0063]如此,第一激光單兀110將激光分束為本振光和泵浦光,第二激光單兀120將激光調(diào)制成正交頻分復(fù)用光信號，第一激光單兀110分束出的泵浦光輸入非同軸多芯光纖130的一端，產(chǎn)生布里淵散射，第二激光單元120將正交頻分復(fù)用光信號輸入非同軸多芯光纖130的另一端，并經(jīng)歷布里淵增益。由于布里淵散射信號的方向與泵浦光的方向相反，正交頻分復(fù)用光信號攜帶布里淵散射信號輸入光纖傳感單元140。第一激光單元110分束的本振光也輸入光纖傳感單元140，通過光纖傳感單元140的探測檢測、OFDM解調(diào)、信道估計等，最終得到每個纖芯的布里淵增益譜，找到峰值后得到每個纖芯的布里淵頻移。根據(jù)溫度變化引起的布里淵頻移在每個纖芯中是相同的，而應(yīng)力變化引起的布里淵頻移在每個纖芯中是不同的來區(qū)分溫度和應(yīng)力值，從而解決了交叉敏感問題。此外，采用分布式測量系統(tǒng)可適用于長距離的測量。
[0064]米用非同軸多芯光纖130取代單模單芯光纖作為傳感光纖,可以區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。非同軸多芯光纖130還可提高成纜的集成密度，同時也可降低施工成本。采用OFDM光信號取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個頻點的掃描，提高了檢測響應(yīng)時間，也提高了測量動態(tài)范圍。此外，采用OFDM技術(shù)可有效對抗信號波形的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，通過各子載波的聯(lián)合編碼具有很強的抗衰落能力，可適用于長距離分布式光纖傳感，大大增長了測量距離，也提高了測量精度。
[0065]請參閱圖1，在其中一實施例中，第一激光單元110還包括光濾波器115，光濾波器115的一端與光環(huán)形器119連接，另一端與光纖傳感單元140連接。信號在產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸過程中由于環(huán)境和干擾的存在而畸形，以至于信號及其所攜帶的信息被噪聲干擾，從而形成OFDM子載波間干擾(inter-carrier interference, ICI),所以，濾波器可大大提高OFDM的傳輸精度，從而保證了檢測精度。此外，濾波器還將信號中的瑞麗散射和系統(tǒng)中的端面反射光濾除，提聞了系統(tǒng)的檢測精度。
[0066]請參閱圖3，在其中一實施例中，第二電光調(diào)制器124包括正交頻分復(fù)用光信號發(fā)生器1242、數(shù)模轉(zhuǎn)換器1244、驅(qū)動器1246和電光調(diào)制裝置1248，正交頻分復(fù)用光信號發(fā)生器1242、數(shù)模轉(zhuǎn)換器1244、驅(qū)動器1246和電光調(diào)制裝置1248依次連接，探測光激光器122與電光調(diào)制裝置1248連接，第二光纖放大器126與電光調(diào)制裝置1248連接。正交復(fù)用光信號發(fā)生器輸出OFDM信號,數(shù)模轉(zhuǎn)換器1244將OFDM信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,驅(qū)動器1246驅(qū)動電光調(diào)制裝置1248將OFDM模擬信號和探測光激光器122輸出的激光調(diào)制成OFDM光信號，再輸入第二光纖放大器126放大后進入非同軸多芯光纖130。如此，以實現(xiàn)正交頻分復(fù)用技術(shù)進行傳輸，提高了掃描速度，減少了檢測時間。
[0067]如圖4所示，一種基于布里淵散射的分布式測量方法，包括以下步驟:
[0068]步驟S110，鋪設(shè)非同軸多芯光纖130 ;
[0069]步驟S120，產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，調(diào)制泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，分別輸入泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號于所述非同軸多芯光纖130兩端；
[0070]步驟S130，接收并檢測所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖130發(fā)生布里淵散射光信號的正交頻分復(fù)用光信號；
[0071]步驟S140，對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖130每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移；
[0072]步驟S150，通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移計算出溫度和應(yīng)力值。
[0073]上述基于布里淵散射的分布式測量方法，鋪設(shè)非同軸多芯光纖130,產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，分別輸入泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號于所述非同軸多芯光纖130兩端。接收并檢測所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖130發(fā)生布里淵散射光信號的正交頻分復(fù)用光信號。對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖130每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移；，再根據(jù)溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
[0074]如此，采用非同軸多芯光纖130取代單模單芯光纖作為傳感光纖，可以區(qū)分溫度和應(yīng)力交叉敏感問題。非同軸多芯光纖130還可提高成纜的集成密度，同時也可降低施工成本。采用OFDM光信號取代單束激光作為系統(tǒng)中的探測光，可大大增加掃描速度，一次性完成多個頻點的掃描，提高了檢測響應(yīng)時間。
[0075]采用經(jīng)過調(diào)制的OFDM作為探測光，經(jīng)過OFDM解調(diào)，得出非同軸多芯光纖130每個纖芯的布里淵頻移，可降低系統(tǒng)計算復(fù)雜度，避免需要經(jīng)過電光調(diào)制、偏振控制、信號平均等過程，簡化傳統(tǒng)方式中的平均過程，減少了檢測時間。OFDM光信號傳輸可長距離傳輸，傳送精度聞，提聞了測量精度。
[0076]請參閱圖5，在其中一實施例中，步驟S140對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移的步驟，具體包括以下步驟:
[0077]步驟S141，對檢測出的正交頻分復(fù)用光信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0078]步驟S142，對正交頻分復(fù)用電信號進行串并轉(zhuǎn)換；
[0079]步驟S144，對串并轉(zhuǎn)換的正交頻分復(fù)用電信號進行去循環(huán)前綴；
[0080]步驟S146，對去循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用電信號進行快速傅氏變換；
[0081]步驟S148，對快速傅氏變化的正交頻分復(fù)用電信號進行信道估計，并得出纖芯的布里淵頻移。
[0082]如此，可對OFDM電信號調(diào)制解調(diào)，快速和準確計算出每個纖芯的布里淵頻移，經(jīng)過OFDM解調(diào)、模數(shù)變換和信道估計等步驟可降低系統(tǒng)計算復(fù)雜度，簡化傳統(tǒng)方式中的平均過程，減少了檢測時間。
[0083]在其中一實施例中，步驟S148對快速傅氏變化的正交頻分復(fù)用電信號進行信道估計具體為:
[0084]設(shè)OFDM探測光信號上第k個子載波上的符號為Xk，在光電接收檢測裝置142中處理OFDM信號時接收到的該子載波上的`符號為Yk，則該子載波的信號相對強度為
Y 2
[0085]Hk =子
Xk
[0086]根據(jù)相對強度Hk，求得其最大值的子載波的頻率即為布里淵頻移Ub(T)或υΒ( ε )。然后利用公式:
[0087]T = Tr+ [ υ B (T) / υ B (Tr) -1 ] /Crl
[0088]ε = ε r+[ υΒ( ε ) / υΒ( ε r)-l]/CrE
[0089]可以得出溫度值T或應(yīng)力值ε。其中式中Tr、為參考溫度和參考應(yīng)力，
為溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)力靈敏度系數(shù)，uB(ig為參考溫度?;下的布里淵頻移，Ub(l)為參考應(yīng)力L下的布里淵頻移。
[0090]如此，通過計算可得出每個纖芯的布里淵頻移，從而確定溫度和應(yīng)力的分布，實現(xiàn)準確測量。
[0091]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
【權(quán)利要求】
1.一種基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 可將激光分束為本振光和泵浦光的第一激光單元； 可將激光調(diào)制成可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號的第二激光單元； 非同軸多芯光纖，一端接收所述第一激光單元的泵浦光，另一端接收所述正交頻分復(fù)用光信號； 可得到所述非同軸多芯光纖纖芯布里淵頻移的光纖傳感單元，分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述本振光和探測光均輸入所述光纖傳感單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一激光單元包括泵浦激光器、將激光分束的第一光耦合器、進行脈沖或隨機序列調(diào)制的第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器、光環(huán)形器，所述泵浦激光器與所述第一耦合器連接，所述泵浦激光器輸出的激光一束輸入光纖傳感單元，另一束依次通過第一電光調(diào)制器、第一光纖放大器和光環(huán)形器輸入所述非同軸多芯光纖，所述光環(huán)形器與所述光纖傳感單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光環(huán)形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光纖放大器通過第一端口與所述光環(huán)形器連接，所述非同軸多芯光纖一端與所述第二端口連接，所述光纖傳感單元通過第三端口與所述光環(huán)形器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一激光單元還包括光濾波器，所述光濾波器的一端與所述光環(huán)形器連接，另一端與所述光纖傳感單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二激光單元包括探測光激光器、 可將激光調(diào)制成正交頻分復(fù)用光信號的第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器，所述探測光激光器輸出的激光依次通過第二電光調(diào)制器、第二光纖放大器輸入非同軸多芯光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電光調(diào)制器包括正交頻分復(fù)用光信號發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器和電光調(diào)制裝置，所述正交頻分復(fù)用光信號發(fā)生器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器和電光調(diào)制裝置依次連接，所述探測光激光器與所述電光調(diào)制裝置連接，所述第二光纖放大器與所述電光調(diào)制裝置連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖傳感單元包括光電接收檢測裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信道估計裝置和主控顯示設(shè)備，所述光電接收檢測裝置分別與所述第一激光單元和第二激光單元連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電接收檢測裝置連接，所述信道估計裝置與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述主控顯示設(shè)備與所述信道估計裝置連接和第一激光單元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于布里淵散射的分布式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光電接收檢測裝置包括第二光耦合器和光電檢測器，所述第二光耦合器分別與第一激光單元和第二激光單元連接，所述光電檢測器與所述第二光耦合器連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述光電檢測器連接。
9.一種基于布里淵散射的分布式測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 鋪設(shè)非同軸多芯光纖； 產(chǎn)生本振光、泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，調(diào)制泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號，分別輸入泵浦光和可作為探測光的正交頻分復(fù)用光信號于所述非同軸多芯光纖兩端； 接收并檢測所述本振光和攜帶所述非同軸多芯光纖發(fā)生布里淵散射光信號的正交頻分復(fù)用光信號； 對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移； 通過溫度和應(yīng)力變化引起的布里淵頻移確定溫度和應(yīng)力值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于布里淵散射的分布式測量方法，其特征在于，所述對檢測到的正交頻分復(fù)用光信號進行調(diào)制解調(diào)，得出所述非同軸多芯光纖每個纖芯的布里淵增益譜，并確定每個纖芯的布里淵頻移的步驟，具體包括以下步驟: 對檢測出的正交頻分復(fù)用光信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換； 對正交頻分復(fù)用電信號進行串并轉(zhuǎn)換； 對串并轉(zhuǎn)換的正交頻分復(fù)用電信號進行去循環(huán)前綴； 對去循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用電信號進行快速傅氏變換； 對快速傅氏變 化的正交頻分復(fù)用電信號進行信道估計，并得出纖芯的布里淵頻移。
【文檔編號】G01K11/32GK103698049SQ201310699063
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】黃琦, 程小蓉, 吳鐘博, 吳勁松, 張斌, 蔣康明, 吳贊紅 申請人:中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院, 廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心