（物理电子学专业论文）采用s编码提高分布式光纤传感系统性能的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 分布式光纤传感器( d o f s ) 可对一个连续空间进行温度或应力的分布式检测， 相较于传统的传感器，具有抗电磁干扰能力强，环境适应性强，检测范围大，测 量精度高等的优势。所以受到了广泛的关注。但对于分布式光纤传感器，系统测 量距离的空间分辨率与系统的信号精度之间存在互斥性。即当增加光源脉冲宽度 以提高系统的信号信噪比时，系统的空间分辨率也会因此而降低。为了克服系统 信噪比与空间分辨率之间的矛盾，人们考虑采用编码的方式改善分布式光纤传感 器系统。采用s i m p l e xc o d e 编码格式可在不改变光源脉冲宽度、强度及系统叠加 次数的前提下，提高系统信噪比。本文从理论及仿真上验证了s i m p l e xc o d e 编码 格式对于拉曼分布式光纤传感器和布里渊分布式光纤传感器的优化效果。并以拉 曼系统为例，在相关的实验研究中验证了当采用码长为7 的s 编码时，输出信号 的波动浮动变小，温度分辨率得以改善。 关键词：分布式光纤传感器，空间分辨率，信噪比，s 编码 v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e rs e n s o rd e t e c t st h et e m p e r a t u r eo rs t r a i ni nt h ec o n t i n u e d s p a c e c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lo p t i c a l f i b e rs e n s o r , i th a sm a n ya d v a n t a g e s ： i m m u n et oe l e c t r o m a g n e t i ce f f e c t s ，s t r o n ge n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y , l a r g ea r e a d e t e c t i n g ，h i g hs e n s i t i v i t y s oi t a t t r a c t sw i d ea t t e n t i o n b u tt h e r ei sac o n f l i c t b e t w e e nt h es p a t i a lr e s o l u t i o na n dt h es e n s i t i v i t yi nt h es y s t e m i n c r e a s i n gp u l s ew i d t h o ft h ep r o b ep u l s ei m p r o v e st h es i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) o ft h ed e t e c t e ds i g n a l ，a n d d e g r a d e st h es p a t i a lr e s o l u t i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h i sc o n f l i c tb e t w e e nt h es n r a n dt h es p a t i a lr e s o l u t i o n ，p e o p l ew a n tt oo v e r c o m ei tb yu s i n gc o d e st e c h n i q u e s b y s i m p l e xc o d e ，w ec a l li m p r o v et h es n r ，b u td o n ti n c r e a s et h ep u l s ew i d t ha n dp u l s e r a n g eo ft h ep r o b ep u l s e ，a n dt h es a m en u m b e ro fa c q u i r e dt r a c e s i nt h i sp a p e r , w e v a l i d a t et h ee f f e c t so fs i m p l e xc o d e si nt h er a m a nd i s t r i b u t e do p t i c a l - f i b e rs e n s o ra n d b r i l l o u i nd i s t r i b u t e do p t i c a l - f i b e rs e n s o ri nt h e o r y t h e na7 一b i ts i m p l e x c o d e di su s e d i nt h er a m a nd i s t r i b u t e do p t i c a l - f i b e rs e n s o re x p e r i m e n t t h eo u t p u ts i g n a lf l u c t u a t i o n b e c o m e ss m a l l e r s ot h er e s o l v i n gp o w e ro fs y s t e mi si m p r o v e d k e y w o r d s ：t h ed i s t r i b u t e do p t i c a l - f i b e rs e n s o r ，t h es p a t i a lr e s o l u t i o n ，t h es i g n a lt o n o i s er a t i o ，s i m p l e xc o d e v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多包科签字同期：2 。j 口年；月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝江盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鲍羽寸 签字日期：工i 口年；月3 日 i l l ，曰vd1li、目 3 弋 炫 f 谶 年 吖 名 期 签 r 师 字 导 签 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 岁月如梭，转眼之间两年半时间的研究生生活已经进入尾声。在这两年半 的学习生活中，我在各方面的能力都得到了充分的锻炼和培养，为我在下一阶段 步入社会中去打下了扎实的基础。而在这期间，在老师和同学的帮助下，我能够 克服困难，实现自我的超越、提高。 首先，我要向导师叶险峰老师表示由衷的感谢。从论文的选题、项目的开展 到论文的完成各个阶段，叶老师自始至终都给予了极大的关注和帮助。以其渊博 的专业知识和透彻理解，给予我许多具体及时的指导。其次我还要感谢宋牟平老 师在实验中给予我的极大的帮助和指导，让我能更快的学习、成长。同时，还要 感谢周金海老师在实验中给予的帮助。 同时我还要感谢钱一波师兄、陈翔师兄在学业上给予我的帮助，以及裘超同 学、邹良港同学、吴忠敏同学等人在实验和生活中给予的帮助。 最后，我还要向我的家人表示感谢，感谢他们的无私奉献和支持、爱护。 i v 鲍种 2 0 1 0 年于浙大 浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 随着掺铒光纤放大器技术( e d f a ) 、密集型光波波复用技术( d w d m ) 和光时域反 射技术( o t d r ) 的发展和成熟，光通信技术正朝向着超高速、大容量的通信系统 方向发展，并且逐步向全光网络方向演进。而在光通信迅速发展的带动下，光纤 传感器作为传感器家族中的年轻一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、精度等方面的 优势随之而迅速发展起来，并得到了广泛的关注和深入的研究。 根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以划分成功能型与结构型两大 类。功能型的光纤传感器是利用环境变化使传输或散射的光的强度、相位、频率 或偏振态等特性发生变化，把需要检测的物理量转换调制到光信号上。例如光纤 受到外界环境因素如温度、应力、电磁场的影响时，光信号的相位和光强会发生 相应的变化。通过测量光信号的相位、光强的变化量便可得到所需检测的温度、 应力等物理量的变化。结构型光纤传感器是由光检测器件与光纤传输回路和测量 电路等组成，光纤在其中仅仅起到传输媒介的作用，因此又被称为非功能型光纤 传感器。而根据测量范围划分，光纤传感器还可以分为单点式、准分布式和分布 式三类，其中分布式传感器最适宜于在大型设施和区域进行实时监测。【l 】 与传统的传感器相比，分布式光纤传感器具有以下的诸多优点：它集传感和 传输于一体，能实现远距离的测量与监控；仅经过一次的测定就可以获得整个光 纤区域的一维情况分布图，而若将光纤架设成光栅状时，还可以实现对被测区域 的二维甚至三维分布情况的测定；只用一套系统便可实现在一个长达数公里甚至 几十公里的传感器光纤环路上获得大量相对连续的数据信息情况( 连续性即对应 于系统的空间分辨率，由光源脉冲宽度决定) ，因此在事实上单位距离的信息成 本得到显著的降低；测量范围宽大，而且具有较高的空间分辨率和精度；在具有 强电磁干扰或易燃易爆区域等其他传统传感器难以接近的恶劣环境下，光纤传感 器更具适应性；在其他传统传感器难以施工进入的区域如海底、地底深处等，光 纤传感器更具优势。因此，自上世纪8 0 年代以来，人们对分布式光纤传感的各 种技术展开了大量的研究。 浙江大学硕士学位论文绪论 由于分布式光纤传感的上述优势，目前基于该项技术的应用和研究越来越广 泛。如今光纤传感器正逐渐应用于许多各种不同的领域：油气管道泄漏检测【2 1 ； 油井高温测试【3 1 ；大桥安全监测【4 】；崩塌滑坡岩土检测【5 1 ；隧道、地铁等的火灾 报警；海底管道监测；水利土木工程监测和地质勘探等各种领域，在社会发展中 正起着越来越重要的作用。 1 2 分布式光纤传感技术 如上所述，分布式光纤传感器( d o f s ) 可以沿光纤路径上同时得到被测量场 在时间和空间上的分布信息，显示出十分广阔的应用前景。受到国内外的广泛关 注和研究。事实上，分布式光纤传感技术是随着光时域反射技术( o t d r ) 的出 现而发展成熟起来的。激光源发出一束光脉冲并射入光纤中时，会在光纤中发生 后向散射，包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。而检测光纤中的某些参数会 在散射过程中调制到脉冲光上，因此利用o t d r 技术，系统就可以通过测定后 向散射光强随着时间的变化关系来检测光纤参数的分布情况，从而确定光纤的长 度和各处的参数分布情况。虽然相对于传统传感器，以0 t d r 系统为代表的d o f s 系统具有如上的许多优点，但也有自身的一些缺点，如它信号分辨率与空间分辨 率存在相互制约的关系，且检测信号一般比较微弱，并且需要对大量信号进行繁 琐的运算处理。 依据信号的性质，分布式光纤传感技术可分为4 类【6 1 ：1 利用后向瑞利散射 的传感技术；2 利用前向传输模耦合的传感技术；3 利用拉曼效应的传感技术； 4 利用布里渊效应的传感技术。目前实际主要应用的是拉曼散射型和布里渊散射 型。在光纤中最强的散射过程是瑞利散射，大约是人射光的千分之几。瑞利散射 是光纤的一种固有特性，当光波在光纤中传输的时侯，由纤芯折射率在微观上的 随机起伏变化所引起的线性散射效应。1 7 但由于光纤中瑞利散射系数对温度的灵 敏度极其微弱，因此基于瑞利散射的全固光纤的温度分布系统难以实现以及温度 分辨率较低；利用前向传输模耦合的传感技术的光纤传感器是利用可同时存在两 个传输模或以上的光纤作传感光纤，当光纤完好而没有任何损伤时，由光源输出 的偏振光便将以同一种模式在光纤中传输，从而不会探测到模式问的干涉效应。 但若光纤中的某一点存在应力的分布，便会沿光纤分布导致模式耦合。利用这一 2 浙江大学硕士学位论文绪论 特性，我们便可利用受频率调制的连续波探测系统获得该处的位置和应力分布情 况。不同时刻的频率量即对应于传感光纤不同的位置，从而实现分布检测。但此 系统需要实时调频，光源部分将较为复杂。且应力与模式耦合后的光强分布的对 应关系较复杂，实现高精度的应力值较困难。 7 - 8 1 拉曼散射相对于瑞利散射，对 温度的灵敏度较大，而布里渊散射更是对温度和应力都较为敏感。能够得到精度 更高的温度就、应力分布情况，且只需获得脉冲光经传感光纤后，散射光随时间 的分布情况便可实现相应的空间分布。因而基于拉曼散射或布里渊散射的传感技 术得到了广泛的重视和应用。1 9 - 1 0 但无论是拉曼型还是布里渊型d o f s 系统，都 存在着信号分辨率和空间分辨率之间的相互制约关系。因而人们考虑在原有系统 的基础上通过各种改进手段来克服这一矛盾。本文借鉴国外的一些研究成果，在 实现拉曼散射型和布里渊散射型d o f s 系统的基础上，再采用s i m p l e x 实现对系 统的改善。 分布式光纤拉曼散射温度传感器系统是一种实时测量空间温度场分布的传 感系统。尽管现在国内有多种解调方案，但它主要是利用利用光纤反斯托克斯拉 曼背向散射的温度效应来实现对光纤传输距离上温度的分布式检测。在过去的二 十多年的研究中该系统得到了迅速的发展和完善，并已得到广泛的应用。其发展 趋势已由短程、中程发展到了远程可实现3 0 千米的远程分布式光纤温度测量。 【l l 】现在主要的拉曼散射温度传感器系统由脉冲光源、光纤波分复用系统、光电接 收和放大模块、信号采集系统和计算机等模块组成。相对后面的布里渊分布式传 感系统结构较为简单，实现方便，价格相较较低。但它无法实现对应力的检测， 且后者能实现更长的传感距离。 布里渊散射是一种光与物质作用后的一种光现象。由布里渊在1 9 2 2 年提出。 利用布里渊散射的分布式光纤传感技术可大致分为两种：布里渊光时域反射 ( b o t d r ) 技术和布里渊光时域分析( b o t d a ) 技术。由于它们具有不同的布 里渊散射作用机制和光信号处理结构，因此两者具有不同的性能特点和使用场 合。基于自发布里渊散射的b o t d r 系统为单端光信号处理，实现结构较为简单， 但散射信号光较微弱，导致信号分辨率相较较低。而基于受激布里渊散射的 b o t d a 系统的检测信号相对较强，因此相比而言传感器的分辨率和精度可得到 浙江大学硕士学位论文绪论 进一步的有效提高，但b o t d a 系统一般需要进行两端光信号处理，整体结构相 对更复杂。 1 3 关于编码方式运用的研究 为了克服d o f s 系统中空间分辨率与信号分辨率之间的相互制约关系，于保 持空间分辨率不变的情况下，在传统叠加方式的基础上进一步提高系统信号分辨 率，考虑到编码方式对通信系统中信噪比的改善效果，人们开始将编码方式也引 入到d o f s 系统。 目前，人们已经开始考虑采用伪随机序列码、格雷码和s i m p l e x 码 1 2 1 3 1 的 方式来改善系统的信号分辨率。最初人们采用周期伪随机信号进行编码，但由于 周期序列伪随机码的特性( 会有不规则旁瓣对测量产生影响) 使它并不适合于实 际的系统。于是人们提出了g o l a y 编码。对于码长为l 的格雷码，它使得系统的 厅 信噪比提高了半倍。不久人们又提出了性能更高的s i m p l e xc o d e 格式，它使系 z 统信噪比提高了三善倍。s i m p l e x 码是h a d a m a r d 编码单极化转化后的编码方式。 2 q l 而h m a m a r d 编码是一种更高效的消弱噪声影响的编码方式。但由于它是一种包含 “+ 1 ”和“一1 ”的编码格式，而光路系统却是具有非负性。因此便采用s 编码格 式。s 码的信噪比提高倍数低于h a d a m a r d 编码，但仍高于伪随机序列码和格雷码。 且伪随机码在进行相关处理后会有旁瓣干扰，影响系统测量的精度。【1 文献1 5 提出了格雷互补码对于d o f s 系统的改善效果。但在编码长度较小的情况下对信 噪比的提高量仍低于s i m p l e x 码，且计算较为复杂。 1 4 本文的研究内容 本文主要是实现拉曼型和布里渊型d o f s 系统，并在此基础上对分布式光纤 传感器进行s 编码改进的研究。文章中为了对s 编码改进作用有个较直观的预判 和预演，我们首先采用m a t l a b 程序对d o f s 系统进行了模拟仿真，对比了采用s 编码与传统的只采用叠加方式的两个系统之间信号分辨率之间的差别。之后，文 章以拉曼分布式光纤传感器为主，实验论证了s 编码对系统的具体改善效果。 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 论文的主要章节安排如下： 第一章主要进行系统背景的简单介绍，包括光纤传感器的基本分类和运用场 合；分布式光纤传感器的机理和各种不同的实际传感器件；以及拉曼和布里渊分 布式光纤传感系统的基本机理背景。 第二章讲述了实验系统的原理，包括拉曼分布式温度传感器的温度检测机理 和基本的原理；布里渊散射型分布式光纤传感器的温度及应力检测机理和基本的 原理。并介绍了s i m p l e x 码的结构和计算方法，在理论上进行论证推导对于一个 码长为l 的s 码，它对系统的信噪比的改善情况。 第三章通过建立简单的分布式光纤传感器数学模型并使用m a t l a b 编程的方 法来对整个系统进行模拟仿真，并在此基础上对仿真结果进行初步的分析、论证， 与理论计算结果对比研究以决定实际系统的实现方案。 第四章搭建和实现了拉曼型和布里渊型分布式光纤传感系统，并进行相关实 验。通过实际实验论证s 编码对系统性能的改善效果。并将实验结果与理论分析 和仿真结果相对比，进行分析得出结论。 第五章通过对前面理论、仿真和实现的总结，得出本文的论点。并指出实验 中遇到的一些问题和还需进一步改进的地方。 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 第二章d o f s 系统及s 编码原理 本文主要基于拉曼散射型d o f s 系统和布里渊散射型d o f s 系统进行相关的实 验和编码优化处理工作。 2 1 拉曼型i ) o f s 系统 拉曼散射是光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发 生变化的散射。斯梅卡尔于1 9 2 3 年在理论上预言了这种频率发生改变的散射。 而1 9 2 8 年，印度物理学家拉曼在气体和液体中观察到了散射光频率发生改变的 现象。拉曼散射可分为两个类型：共振拉曼散射和表面增强拉曼散射。共振拉曼 散射的原理是：当化合物被入射光激发时，且激发频率处于该化合物的电子吸收 谱带内，由于电子跃迁和分子振动的耦合，会令一些拉曼谱线的强度陡然增加， 这个效应即被成为共振拉曼散射。而表面增强拉曼散射的原理是：当一些分子被 吸附到某些粗糙的金属如金、银、铜等的表面时，它们的拉曼谱线强度会受到极 大地增强，这种不寻常的拉曼散射增强现象就被称为表面增强拉曼散射效应。在 严格意义上说，布里渊散射也属于拉曼效应。拉曼散射遵守如下的规律：散射光 中在每条原始入射谱线( 频率为1 l d ) 两侧对称地伴有频率为( i = 1 ，2 ， 3 ，) 的谱线，长波一侧的谱线被称为斯托克斯线，短波一侧的谱线被称为反 斯托克斯线。而其中的频率差k 与入射光频率无关，它是由散射物质的性质决 定的。每种散射物质都有它们各自特定的频率差。而在光纤中，拉曼效应中的反 斯托克斯光强较显著的受光纤温度的影响。故此人们利用光纤中拉曼散射的这一 特性搭建分布式光纤拉曼散射温度传感器系统。但拉曼散射的强度比瑞利散射 ( 可见光的散射) 要弱得多。 对于自发拉曼散射，拉曼反斯托克斯光强受光纤的温度影响，通过比较反 斯托克斯光强与瑞利反射光强或斯托克斯光强在光纤各点的比值，便可计算出光 纤各点的温度情况。假设系统接收到距离入射端，处的后向散射光，则式2 1 ， 6 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 2 2 分别为反斯托克斯背向散射光在入射端的光子数，斯托克斯背向散射光在入 射端的光子数。其中m 为射进光纤的每个激光脉冲含有的光子数，k ，k s 分别 为与光纤反斯托克斯、斯托克斯散射截面相关的系数，s 为光纤背向散射因子， 屹，匕为反斯托克斯光和斯托克斯光频率，a o ，a a ，a s 分布为入射光、反斯托 克斯光、斯托克斯光的平均传输损耗系数，t 为该处光纤的温度。见( 丁) ，r ( 丁) 为与光纤拉曼散射相关的分子上、下能级的布居数，式2 3 ，2 4 即为其表达式， 式中l ，为拉曼声子频率，h 为普朗克常数，k 为波尔兹曼常数。 1 6 - 1 7 1 n o ( t ，) = m k s 以r ( 丁) e x p 一a + a o ) 1 ( 2 1 ) m ( r ，) = p k s r ( 丁) e x p 一a 。+ 致) ， ( 2 2 ) 坨( 丁) = 【e x p ( 办y 后丁) 一1 】叫 ( 2 3 ) 兄( 丁) = 1 - e x p ( 一h y 七丁) 】。1 ( 2 4 ) 将式2 1 与2 2 相除，便可得到反斯托克斯光强与斯托克斯光强的比值与光纤 温度的关系式2 5 。 n o ( t ，i ) n , ( t ，) = ( 疋以k m ) ( 兄( 丁) r ( 丁) ) e x p e - ( a , , - a , ) 1 ( 2 5 ) 此时若温度t o 时，反斯托克斯光强与斯托克斯光强分别为口( t o ，) 和札( t o ，) ， 则： s ( 丁) ：丝型! ! 丝型! ：e x p ( h a v k t o ) ( 2 6 ) 一 n o 吼，l 、) f ns ( t o ，l 、) e x p ( h a v k t 、) 通过对式2 6 的转化便可得到光纤温度的表达式2 7 ，2 8 ： 上一一1 ：k o l n ( s ( t ) ) ( 2 7 ) 一。1。一 、， 7 j th a v t = 二_ _( 2 8 ) 1 t o 一噼l n ( s ( t ) ) ( h a v ) 当我们得到作为参考温度的t o 和此时的反斯托克斯光强与斯托克斯光强的 比值( 一般将前端光纤放置于恒温下作参考值) ，便可利用公式2 8 ，计算得到 传感光纤上各点处的温度值，实现温度的分布式检测。 7 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 2 2 布里渊型d o f s 系统 布里渊散射的分布式光纤传感技术可分为两类：b o t d r 系统和b o t d a 系统。 b o t d r 是利用自发布里渊散射，它的原理是：在普通石英单模光纤中，光子和 光纤中由于自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，从而发生自发的布里渊 散射。散射光的频率相对入射光的频率变化主要由光纤介质的声学特性和弹性力 学特性决定，温度或应力发生变化时，光纤中声速和光纤的折射率都会随之变化， 从而使布里渊散射频率发生变化，因此通过测量光纤中不同位置获得的布里渊频 移量就可获得整根光纤的温度和应力分布情况。而b o t d a 是利用受激布里渊散 射，原理是：当进入光纤的入射光( 频率为) 泵浦功率超过某一阈值时，泵浦 光和斯托克斯光会通过声波进行非线性相互作用。光纤内产生的电致伸缩效应令 其沿光纤纵向产生周期性形变或弹性振动，光纤中产生频率为v 。的相干声波。 然后该声波沿其传播方向引起光纤折射率的周期性调制，从而形成了一个随声波 传播的折射率光栅，此折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦光。而满足波场相位 匹配的声波场将得到极大增强，使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场 的增强量大于它们各自的损耗量，出现声波场和散射光场的相干放大，导致大部 分传输光功率被转化为前向散射光，从而产生受激布里渊散射光。b 8 因此 b o t d a 是在传感光纤两端射入脉冲激励光和直流探测光，从而令其产生受激布 里渊散射。通过检测散射后的探测光，便可得到含有温度和应变信息的信号，从 中计算出传感量。 当窄线宽连续光对单模光纤进行泵浦时，布里渊散射是一个主要的非线性效 应。且其频移量与光纤的温度和应力分布相关。它们之间的关系可由下式2 9 ， 2 10 表述： v b ( e ) 2 v b ( o ) 1 + c 。s 】 ( 2 9 ) v b ( t ) 2 v b ( t o ) 1 + c v - ( t t o ) ( 2 1 0 ) 其中，为布里渊散射的频移量，g 为该处光纤所受应力，t 该处光纤的温 度，c c 与c t 分别为应力和温度的比例系数，且c s = 4 6 ，c t2 9 4 1 0 。 浙江大学硕士学位论文 o t d r 系统及s 编码原理 因此根据检测到的光纤某点处布里渊频移的大小便可依据公式反解出该处 光纤的温度或者应力的情况。 同时由于布里渊散射的功率亦受温度和应力调制，如下式 驰) = 丽 ( 2 p b ( t ) = 芸 ( 2 12 ) 其中足是瑞利散射系数，毛、如、a 是与温度应力都无关的参数。由于式2 9 与2 1 0 的和即为检测到的布里渊散射光频移量，而式2 1 1 与2 12 的和即为系 统检测到的布里渊散射光功率值。因此连立这两组方程时便可解出其中对应的温 度与应力，同时实现对检测区域的温度与应力分布情况的实时检测。 由于普通光纤存在双折射效应，且其受温度、应力等环境因素影响，使得 0 t d r 系统中的光在光纤中传输的偏振态不断地随机变化。因而检测到的信号光 强是偏振相关起伏的，对光纤传感系统的性能产生较大的影响。这对进行s 编码 也会产生较大影响，需要进行先行的抑制处理。因此，在实验中我们考虑通过采 用正交偏振控制的方法来抑制系统中的偏振相关，提高系统性能。 常用的偏振控制方案包括偏振态反馈控制【1 9 1 ，采用保偏光纤来抑制偏振相关 损耗2 0 1 ，以及偏振分集处理等2 1 1 。在布里渊光时域分析系统中偏振态反馈控制 对方案的实时性要求较高，这会对偏振控制器和反馈控制算法的响应度有较高的 要求【2 2 1 。而采用保偏光纤，则增大了系统成本，且由于保偏光纤中存在较大的信 号衰减，会使检测距离受影响2 3 1 。偏振分集处理是通过分别检测接收在不同偏振 态的信号，并将各路信号作均方根处理并加以叠加，从而得到波动变小的信号。 但这会使接收系统变得更为复杂。文献【2 4 1 的方法与偏振分集处理类似，采用在 光源处分成两束正交激励光，并使其中一路延时一个脉冲宽度后重新合为一束光 加以检测。但此方法增加了光器件，而且使得每次变换光脉冲宽度时都需要更换 用以延时一路光信号的光纤长度。 对于偏振相关性的研究，前人已做了许多的工作。参照文献 2 5 】的分析，将 长度为l 的传感光纤分为n 等份。在光纤的每一微元上，几个采样周期内，传感 9 浙江大学硕士学位论文 o t d r 系统及s 编码原理 光纤有一相对不变的双折射率。 因此各段( l n ) 光纤中激励光a ：和探测光a ：在双折射光纤中相互作用的传 输耦合模方程可表示为下式2 13 和2 1 4 。式中j 包含j 和，方向；1 ，g 为群延迟 速度；口为衰减系数；9 8 是受激布里渊散射增益。 誓+ 丝o t + 竺2 么二：一鱼2i 码1 2 铭 ( 2 1 3 ) 瑟 v 。 刀 i 掣i 用 、7 誓丝o t 一竺2 彳刍：一鱼2 彳； ( 2 1 4 ) 瑟 v 。 掣 倒l 叫 、 经计算分析，接收到的探测光光强表示为： 圯= l ，【( 焉一e 譬) c o s 2 0 0c o s 2 q 。+ 焉+ 焉+ ( 砭一焉) s i n 2 穆os i n2 b ，s i n2 ( 2 1 5 ) 其中o o ，岛，分别表示探测光进入光纤的初始偏振方向角，探测光传输到光 纤中某一点的偏振方向角变化量；，o 表示探测光的初始相位延迟。探测光在与激 励光相互作用点时的光强为l 。而巴、匕是由受激布里渊散射引起的光耦合量。 参考2 15 式，由于光纤中偏振态的随机变化，光纤不同点上的b ，各不相同， 致使在保持鼠不变的前提下，检出的光功率也有较大起伏。因此需要偏振控制 来削弱偏振相关带来的起伏变化。对于正交偏振控制，仇交替取0 度和9 0 度。 当系统作叠加处理时，不同的c o s 2 0 0 和s i n2 0 0 各自相累加正好为0 ，从而减弱了 起伏，稳定地抑制了系统的偏振相关效应。在b o t d a 实验系统中，我们采用正交 偏振控制的方法来实现偏振消弱的有效抑制。 2 3 b o x c a r 数据采集系统 b o x c a r 积分器，是一种专门为恢复被噪声覆盖的微弱信号波形的系统，由 英国的神经专家d a w s o n 在2 0 世纪5 0 年代初提出相应概念，并于1 9 6 2 年由加利 福尼亚大学劳伦茨实验室的k l e i n 用电子技术予以实现的。它的原理是很利用周 l o 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 期性信号的重复特性，在每个周期内都对信号进行一次取样，并经过积分器算出 它们的平均值。由于信号在每个周期的平均值即为它本身，故各周期内采样平均 信号的总体便展现了待测信号的真实波形。同时由于噪声多次重复的统计平均值 为零，因此若以高于信号频率分量两倍以上的采样频率( 根据采样定理) 在经过 多次取样平均后，信号量保持基本不变而系统噪声得到了削减。从而提高信噪比， 再现被噪声淹没的信号波形。【2 6 】 基于b o x c a r 积分器的基本原理，在原有实验系统中，我们可以用它来实现 对布里渊及拉曼分布式光纤传感系统中对微弱的散射信号的波形恢复工作。事实 上，它也是在不降低空间分辨率的前提下提高了信号分辨率。但它需要多个脉冲 信号周期来实现信号的相对强化。而采用编码方式后，能在更少的脉冲信号周期 内即实现相同的信号强化。 2 4si m p le xc o d e 编码 在对前述的两种分布式光纤传感器( d o f s ) 中注入脉冲光进行检测时，由于 菲涅耳反射和瑞利后向散射等的影响，会降低整体系统的信噪比。从而导致背向 散射光非常微弱、易受噪声干扰。1 1 2 而在d o f s 系统中，信噪比决定了检测物 理量所能达到的实际精度和整个系统在一定平均次数下所能测量的最大距离。系 统的空间分辨率决定了系统所能区分的两个点间的最小距离。空间分辨率越高， 故障点的定位也就越准确。由于测量的空间分辨率取决于光源脉冲的宽度。脉冲 宽度越大，分辨率越低。【2 7 】其中空间分辨率为s = r c 2 。f 为光脉冲宽度，c 为光在光纤中传播的速度。而由于实际中激光器的峰值功率有限，为了提高入射 光脉冲的能量只能采用增加光脉冲宽度的方法。于是一旦增大光脉冲的宽度，就 能增加入射光脉冲的能量，进而提高信号的信噪比，但同时却也降低了系统的空 间分辨率。为了解决这一问题，人们把经过编码后的光脉冲信号引入到d o f s 系统中，以期在不改变光脉冲宽度和叠加次数的前提下提高信号信噪比，从而克 服提高系统信号信噪比与提高系统的空间分辨率之间的矛盾关系。s 码曾在光谱 测定系统中用于降低系统的噪声，它是一个由1 和0 构成的单极矩阵。这个矩阵 的每一行即叫s i m p l e x 码。并可由h a d a m a r d 矩阵转化得到。1 2 8 2 9 1 浙江大学硕士学位论文 o t d r 系统及s 编码原理 h a d a m a r d 矩阵最早是作为正交矩阵由英国数学家詹姆斯约瑟夫西尔维斯特 在1 8 6 7 年开始研究的，被广泛应用于工程和通信上。在数学中，l q a d a m a r d 矩阵 是一个方阵，每个元素都是+ 1 或一1 ，且每行都是互相正交的。h a d a m a r d 矩阵 的阶数必须是1 ，2 ，或者是4 的倍数。f l 阶的h a d a m a r d 矩阵h 满足下面的式子： 这里厶是一个挖，2 的单位矩阵。 h 卑h t = n i ， ( 2 1 6 ) h a d a m a r d 矩阵最初的构造的例子是由西尔维斯特给出的。假设h 是一个f l 阶的h a d a m a r d 矩阵，则下面的矩阵便是一个2 n 阶的h a d a m a r d 矩阵。 连续使用这个方法，我们便可以给出下面的一系列的h a d a m a r d 矩阵： h 4 = ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 由上述例子可知，利用这种方法，我们可以构造任意2 k 阶的h a d a m a r d 矩 阵，其中k 为非负整数。h a d a m a r d 矩阵是一个双极矩阵，l 阶h a d a m a r d 矩阵的 逆矩阵即为它本身的1 l 。此时当进行编码后的噪声将得到大为削弱，系统信噪 1 2 j = q 小1 h 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 比得到显著提高。但在光系统中，光功率具有单极特性，即光功率非负，难以在 此基础上运用h a d a m a r d 矩阵。因此我们考虑引入将h a d a m a r d 矩阵经过转化后 的s 矩阵。s 矩阵是一个只由“+ 1 ”和“0 ”组成的单极矩阵。在实际光系统中， 我们可以将“+ 1 ”定义为有光功率输出，而将“0 ”定义为无光功率输出。 当去除h a d a m a r d 矩阵的第一行与第一列，并将矩阵中的元素“+ 1 ”改“0 ”， 将“一1 ”改为“1 ”，得到的新矩阵便是所需的s 矩阵。而n 阶s 矩阵的逆矩阵 的( n + 1 ) 24 菩恰好就是将s 矩阵中的元素“0 ”改为“一1 ”。例如： 7 阶s 矩阵为： 它的逆矩阵为： l0 o1 l1 1l 01 10 0o 从上面可以发现，由于s 阵的逆矩阵的元素只含有“1 ”和“一1 ”，在后续 的噪声均方差计算中，能得到较小的计算结果。 0 0 0 1 l 1 1 1 1 o 0 1 1 o 0 1 l 0 0 l 1 1 0 1 0 1 0 l 浙江大学硕二 学位论文o t d r 系统及s 编码原理 假设q ( ，) 为单脉冲光p l ( t ) 经o t d r 系统得到的不包含噪声的理想信号迹线。 同时定义经一定时延后输出的新的脉冲最( ，) = 二( ，一f ) ，只( f ) = p l ( t 一2 r ) ，其 中f 为单脉冲光墨( ，) 的脉冲宽度。相应于新的脉冲最( ，) ，e ( f ) ，我们得到一 系列相对应的新的理想信号迹线c 0 2 ( t ) = c o 。( t f ) ，q ( ，) = c o 。( t f ) 。若将s 编 码引入o t d r 系统中，则经过编码后在检测光纤输出端得到的实际光信号迹线定 义为7 7 1 ( f ) 、r 1 2 ( t ) 、7 7 3 ( ，) 。此时信号中各自包含的系统噪声设为巳( ，) 、e 2 ( f ) 、 e 3 ( t ) 。我们最终通过系统解码得到的相当于在( n 1 ) 叮时刻输出单脉冲光信号 得到的实际信号：反( ，) = 鼠- 1 【砀( f ) ，r h ( t ) ，巩( ，) 】7 。最1 为s 阵逆矩阵的第n 行。 为了直观说明采用s 编码对系统信噪比的改善效果，参考文献3 0 的内容， 我们先以3 阶s 码为例进行推导。此时，仇( ，) 、r h ( t ) 、( f ) 可用下式表示： r l ( 于) r 2 ( f ) r 3 ( f ) = s q ( f ) 哆( f ) c 0 3 ( t ) + q ( 于) 乞( f ) 巳( f ) ，其中s = l o 1 o 1 1 1 l o ( 2 2 1 ) 对于系统采集到的信号7 7 1 ( f ) 、r h ( t ) 、7 7 3 ( f ) ，需要进行相应的解码操作。即 将得到的信号阵列乘以s 矩阵的逆矩阵，并将得到的各元素值在时间域上对齐 后，求取平均数作为最终求得的信号波形。 如先恢复出三组相当于采用不同时延的单脉冲光输入到系统后得到的实际 信号迹线4 ( ，) 、破( f ) 、吐( ，) ( 4 ( f ) 相当于输入时延为0 时的单脉冲光后得到的 信号波形，吐( ，) 相当于输入时廷为f ，西( r ) 相当于输入时延为2 r ) ： 1 4 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 吐( f ) 畦( f ) 吐( f l ) = s 一1 7 1 l ( f ) 7 7 2 ( 矿) r 1 3 ( t ) a l 1 ，其中o = i 。 j 乙 ( 2 2 2 ) 然后我们对c o l ( t ) 、畦( f ) 、五( ，) 进行相应时延后取平均便得到了所需的信号 现) = 盟丝导塑型 ( 2 2 3 ) 假设当系统只采用单脉冲收发时的系统均方差误差为盯2 ，则采用s 编码后 的系统均方差误差仃可通过下列式子计算得到： 叫( f ) = 吉【，7 l ( f ) 一r 1 2 ( f ) + ，7 3 0 ) 】= q ( f ) + ! 兰l 掣( 2 2 4 ) 破( f ) = 虿1 一7 7 l o ) + 仍 ) + 7 7 3 0 ) 】= q ( f ) + 二兰兰l 掣( 2 2 5 ) 厶( f ) = 虿1 f ) + 哪) 一r 1 3 ( f ) 】= q ( f ) + e , ( t ) + e 广2 ( t ) - e 3 ( t ) ( 2 2 6 ) 历(f)：col(t)+c02(t+r)+c03(t+2*r) 训+ 业五些业警始幽q 2 7 此时，e 哆( f ) = o ，e 哆( f ) 哆( f ) ) = o ，e q 2 ( 纠= o ，i ，j = l ，2 ，3 ，i * j 浙江大学硕? t 学位论文o t d r 系统及s 编码原理 盯”= e 彩( ，) 一缈( r ) 2 = e 业业业业学业掣 2 ( 2 瑚， ：= 9 0 2 而单纯的三个脉冲相叠加的系统均方差误差为盯2 3 ，所以此时s 编码后， 系统信噪比提高了： ( 2 2 9 ) 同理，为了得到普遍意义的s 编码对于o t d r 系统的信噪比提高效果，我们 对l 阶的s 编码进行与上述类似的推导： 7 7 l ( 于) 7 7 2 ( f ) 仇一l ( f ) 吼( f ) = s l q ( f l ) 哇( f ) 吼一l ( r ) 酰( f ) q ( f ) 哆( f ) 吼一1 ( f ) c o l ( t ) = s _ + 编( f ) 7 7 2 ( f ) 白( f ) e 2 ( t ) e l 一1 ( 于) 气( f ) r l ( f l ) r ( f ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 矶) = 盟塑型= 血半业塑幽 = 啪) + 丽2 而。否酗硝h ( h ) 23 2 一f () 1 6 浙江大学硕士学位论文 o t d r 系统及s 编码原理 其中，五一l z + i s l l = i ，j 卜1 = 1 或一1 。 i 卜lt l ， t 2 卜lt 2 ，三 t - l l - l 互乒j 互z e 纯( f + ( 三一1 ) f ) 一仍( f ) 】2 ) = 一4 e 臆啪m 棚f ， 2 ) 仫3 3 ， 犯+ 1 ) 2 而此时l 次叠加处理后得到的噪声均方差为盯2 l 。因此s 编码后，系统信 噪比提高了： ( 2 3 4 ) 而由于系统中解码后的光信号脉冲的宽度并没有改变，故能在不影响分布式 检测的物理分辨率的基础上提高系统的信噪比。但相对于l 次叠加处理的方案， 码长为l 的s 编码的解码计算量大为增加，使系统实现更复杂。 虽然按照文献15 的论述，格雷互补码也能对系统进行类似的改善效果，但 由于它的信噪比提高效果只有丁4 7 ，较s 编码显得更差些。图2 1 是理论上，当 编码长度l 取不同值时，格雷互补码编码与s 编码对信噪比提高情况的比较图。 从图中我们可以看出当码长较短时，s 编码对信噪比的提高倍数要显著得多，而 1 7 2 0 t 乒 k k ；t l j j t ；r t 浙江大学硕士学位论文o t d r 系统及s 编码原理 当l 足够大时，两者的差异便变得不太明显。即当l 。时，延2 = 云l 瓦+ i 。【3 l 】 同时我们还可以看出s 编码在随编码长度增加的过程中，对信噪比提高的增量并 不是线性地增加。对于s 编码来说，当码长为7 时，信噪比提高了约1 5 倍，而 码长为1 5 时，信噪比提高了约2 倍，码长为6 3 时，信噪比提高了约4 倍，码长 为2 5 6 时，信噪比提高了约8 倍。 寺 蓦 耍 编 图2 1 格雷互补码编码与s 编码在各码长下信噪比提高情况图 2 5 本章小结 在本章中，我们首先简述了拉曼分布式温度传感器的检测机理及布里渊散射 型光纤传感器的温度和应力检测机理，同时说明了布里渊系统中存在的偏振相关 消弱现象。 其次简略地介绍了b o x c a r 采集系统基本原理和效用，并通过对s 码的结构分 析和对应的噪声分析，在理论上进行论证推导它对系统的进一步改善效果。 1 8 浙江大学硕士学位论文d o f s 系统数学建模和仿真 第三章d o f s 系统数学建模和仿真 3 1 系统数学建模 基于前述的原理