快速布里淵光時(shí)域分析型應(yīng)變測(cè)量裝置及數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)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(shù)相結(jié)合的高性能快速B0TDA(布里淵光時(shí)域分析型）應(yīng) 變測(cè)量裝置及數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[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(diǎn)，在通信光纜、河堤、混凝土、管道、隧道、橋梁等結(jié)構(gòu)檢測(cè)中有廣泛應(yīng)用?；谑?激布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖傳感器是利用受激布里淵頻移量與應(yīng)變之間的線性關(guān)系， 通過(guò)測(cè)量光纖各處的布里淵頻移量得到該位置處相應(yīng)的應(yīng)變變化，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的分布式 測(cè)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(shí)域分析（B0TDA)型、 布里淵光頻域分析（B0FDA)型和布里淵散射光時(shí)域反射（B0TDR)型。B0TDA系統(tǒng)由于利用 光纖受激布里淵散射效應(yīng)測(cè)量應(yīng)變，布里淵增益線寬直接影響到應(yīng)變的測(cè)量精度，布里淵 增益線寬越寬，應(yīng)變的測(cè)量精度越低。B0TDA系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間也是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，目前 采用的降低時(shí)間的方法是采用編碼技術(shù)提高信噪比進(jìn)而減少測(cè)量次數(shù)，縮短測(cè)量時(shí)間，但 是編碼的階數(shù)過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間也不利于減少。

【發(fā)明內(nèi)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(shù)相結(jié)合的高性能的B0TDA應(yīng)變測(cè)量裝置。
[0005] 本發(fā)明所述的高性能的B0TDA應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由激光器1、第一 光親合器2、第一調(diào)制器3、第一微波信號(hào)源20、第一光濾波器4、第二調(diào)制器5、第二微波信 號(hào)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(diào)制器9、頻率綜合器 14、第二光濾波器10、第四調(diào)制器11、脈沖信號(hào)發(fā)生器15、擾偏器12、光環(huán)形器13、傳感光 纖19、光電探測(cè)器16、數(shù)據(jù)采集卡17和計(jì)算機(jī)18組成，第一調(diào)制器3、第二調(diào)制器5、第三 調(diào)制器9、第四調(diào)制器11均為強(qiáng)度調(diào)制器。
[0006] 激光器1輸出頻率為f。的光信號(hào)（圖2(1))經(jīng)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(hào)作為光載波被送到第一調(diào)制器3中，然后被第 一微波信號(hào)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(hào)調(diào)制，由于是小幅度微波信號(hào)調(diào)制，僅考慮載波和一階邊帶（f。、f；+2fB、f>2fB)，第一調(diào)制 器3輸出的信號(hào)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(hào)（圖2 (2))，將第一光濾波器4輸出的頻率為f>2fB信號(hào)再送入第二調(diào)制 器5中，被第二微波信號(hào)源21輸出的頻率為4的信號(hào)調(diào)制，調(diào)整直流電源22輸出的直流 電壓改變第二調(diào)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(gè)信號(hào)（圖2 (3))，第二調(diào)制器5輸出信號(hào)（fc-2fB+f；和fc-2fB-fJ的強(qiáng)度可以通過(guò)光放大器6放大；第二支路201中頻率為（的光信號(hào)與第一支 路101中經(jīng)光放大器6放大的光信號(hào)經(jīng)第二光耦合器7后再經(jīng)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(yīng)的栗浦信號(hào)，三個(gè)栗浦信號(hào)的頻率分別 為f。、f「2fB+f；和f(強(qiáng)度可以通過(guò)光放大器6控制），栗浦信號(hào)f。產(chǎn)生的增益譜 的中心頻率為f；-fB，栗浦信號(hào)f>2fB+f；和f產(chǎn)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(shù)可以改變栗浦信號(hào)f；-2fB+fV和f強(qiáng) 度，從而改變損耗譜f>fB+fV和f 的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)受激布里淵增益譜線寬的窄化處理（圖2(5))， 從而提高測(cè)量精度。第三支路301中的光信號(hào)輸入到第三調(diào)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(nèi)按一定頻率間隔變化）的小幅信 號(hào)調(diào)制，第二光濾波器10濾掉調(diào)制信號(hào)中的載波和一階上邊帶信號(hào)（由于是小信號(hào)調(diào)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(hào)，頻率為f的信號(hào)輸入到 第四調(diào)制器11中，被脈沖信號(hào)發(fā)生器15輸出的脈沖信號(hào)調(diào)制（脈沖信號(hào)的高電平寬度為 10ns~100ns，脈沖頻率為10kHz~100kHz)，第四調(diào)制器11輸出的信號(hào)輸入到擾偏器12 中，擾偏器12是為了將光的偏振態(tài)隨機(jī)化，以消除偏振態(tài)對(duì)受激布里淵散射效應(yīng)的影響， 經(jīng)擾偏器12處理的光信號(hào)作為傳感光纖19中受激布里淵散射效應(yīng)的脈沖光從光環(huán)形器13 的I端口輸入，II端口輸出后進(jìn)入到傳感光纖19中。從光隔離器8輸出的窄化處理的三個(gè) 栗浦信號(hào)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(dāng)兩路光的頻率 差之間滿足受激布里淵散射條件時(shí)會(huì)發(fā)生受激布里淵散射現(xiàn)象，攜帶受激布里淵散射信息 的栗浦光信號(hào)經(jīng)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(cè)器16 探測(cè)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡17將采集到的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)18處理，計(jì)算機(jī)18還需要控制 頻率綜合器14輸出的頻率值和脈沖信號(hào)發(fā)生器15輸出脈沖的起始時(shí)刻，最后通過(guò)光譜擬 合可以得到受激布里淵增益譜峰值頻率，進(jìn)而確定應(yīng)變的大小，通過(guò)脈沖發(fā)出的時(shí)間和增 益譜峰值出現(xiàn)的時(shí)間差可以判斷應(yīng)變發(fā)生的位置。
[0007] B0TDA測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量精度公式
增益譜線寬，SNR為系統(tǒng)信噪比，可見(jiàn)，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(cè)量精度。
[0008] 本發(fā)明通過(guò)采用S-codes(Simplexcodes)編碼和小波變換技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高系 統(tǒng)的性噪比（SNR)進(jìn)而提高測(cè)量精度并且縮短系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間。采用S-codes編碼技術(shù)是 通過(guò)對(duì)S矩陣（S-matrix)進(jìn)行哈達(dá)碼（hadmard)變換，然后通過(guò)疊加來(lái)減小噪聲，提高信 噪比，S-matrix是一個(gè)單極性矩陣，由1和0組成，對(duì)于S-codes編碼，當(dāng)S矩陣的階數(shù)增加 時(shí)，解碼時(shí)間變長(zhǎng)，使系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間增加，采用適當(dāng)?shù)腟矩陣的階數(shù)，在數(shù)據(jù)處理端解碼 采集到的數(shù)據(jù)之后再利用小波變換技術(shù)進(jìn)行去噪處理，提高系統(tǒng)的性噪比進(jìn)而提高測(cè)量精 度并且縮短系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間。該編碼技術(shù)的關(guān)鍵是構(gòu)建S-matrix矩陣，以同時(shí)測(cè)量光纖沿 線不同位置的布里淵散射強(qiáng)度。以一個(gè)三階S-matrix矩陣為例來(lái)說(shuō)明采用該編碼技術(shù)提 高SNR，假設(shè)對(duì)于一個(gè)單脈沖Pi(t)被發(fā)射到被測(cè)量光纖中，得到的響應(yīng)為Φi(t)。同時(shí)定義 新的脈沖卩2(0zPjt-ThPjt)zPjtlT)，它們的響應(yīng)分別為：φ2α) =iMt-τ)， Φ3⑴=Φτ);通過(guò)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(cè)量的噪聲。由上式可知，碼長(zhǎng)即為S-matrix的階數(shù)。為了恢復(fù)出Φi⑴需要進(jìn)行Hadmard反變換，得到如下表達(dá)式：
[0020] 于是可以得到處理后的結(jié)果為：
[0022] 最后的平均平方誤差為：
[0024] 而對(duì)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(duì)于碼長(zhǎng)為3時(shí)得