窦蓉蓉-基于快速傅里叶变换的分布式光纤布里渊散射传感系统.doc

基于快速傅里叶变换的分布式光纤布里渊散射传感系统窦蓉蓉* 路元刚 王峰 张旭苹* 基金项目：国家自然科学基金（60644001）资助项目* 作者简介：窦蓉蓉，女，现为南京大学光通信工程研究中心硕士研究生。研究方向为基于布里渊散射的光纤传感系统的数据处理与分析。E-mail: * 通信作者：张旭苹，女，教授，博士生导师。主要研究方向为：光通信网络的监测与故障定位、分布式光纤传感技术、光通信系统关键器件与组件。E-mail: *（南京大学光通信工程研究中心 南京210093）摘要：基于布里渊散射的光纤传感技术是目前光纤传感技术中引人注目的传感技术，它利用光纤中的布里渊散射光频移与温度和应变呈线性关系来实现温度与应力的传感。本文提出基于快速傅里叶变换（FFT）的数据采集与信号处理方法，采用了高速A/D一次性获取整个布里渊散射谱带宽范围内的时域信号，再基于高效的FFT算法获得整个传感光纤上的布里渊散射频谱信息，从而实现快速高效的分布式应变或温度传感。基于这种方法，设计并实现了基于快速傅里叶变换的分布式光纤布里渊散射传感系统。该传感系统的温度测量实验结果表明，基于快速傅里叶变换的分布式光纤布里渊散射传感系统，在实现较高的温度测量精度与空间分辨率的同时，还能实现快速测量。关键词： 分布式光纤传感； 布里渊散射； 快速傅里叶变换； 微波电光调制 中图分类：TP212 文献标识码：A 国家标准学科分类与代码：140.3035Distributed Optical Fiber Sensing System based on Brillouin scattering Utilizing FFT signal processing method Dou Rongrong，Lu Yuangang，Wang Feng，Zhang Xuping（Institute of Optical Communication Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China）Abstract: Optical fiber sensing technique based on Brillouin scattering has been regarded as a attractive sensing mechanism for a distributed temperature or strain measurement in civil structures and materials with the linear dependency of the Brillouin frequency on the temperature or strain variation. In this paper, a novel data sampling and processing method based on Fast Fourier Transform (FFT) is proposed. A high-speed A/D converter is used to sample the wideband Brillouin scattered signals which are derived from coherent heterodyne detection. The Brillouin backscattered spectrum can be gained with high efficiency by FFT. The FFT-based Brillouin scattering distributed optical fiber sensing system is designed and realized. In the temperature measurement by the designed system, the experimental results show that the FFT-based Brillouin-DOFS can not only measure temperature with accurate and high spatial resolution, but also realize fast measurement as well.Key words: Distributed Optical Fiber Sensor (DOFS);Brillouin Scattering;FFT;Microwave Electro-optical Modulation 1 引 言 分布式光纤布里渊散射传感系统是目前长距离分布式光纤传感系统（DOFS）中最具实际应用前景的一种。其中，由于基于布里渊散射的光时域反射技术（BOTDR）具有单端测量的特点，在实际应用中更易实现，应用前景广泛。由于布里渊散射谱具有较大的半峰全宽，目前通常使用的布里渊散射谱探测方法，是依次获得布里渊散射谱中各频率点对应的传感光纤各位置处的功率，将这些频率点处的功率分布组成一个完整的三维布里渊散射谱，通过对该三维频谱进行曲线拟合，从而得到整个传感光纤上的布里渊频移曲线。这种方法被称为频率扫描法。这一频率扫描的方法通常需要几分钟的时间才能获得整个布里渊散射谱，因而难以对光纤的状态进行实时的传感测量。为此，本文提出采用高速A/D一次性获取整个布里渊散射谱带宽范围内的时域信号，再利用信号处理中快速傅里叶变换方法获得整个传感光纤上的布里渊散射信息，可实现快速高效的分布式应变或温度传感。2 原理与方法2.1 传感机理和实验系统分布式光纤布里渊散射传感系统是基于光纤中布里渊散射光的频移和强度与温度和应变成线性关系的原理实现传感的1-2。其中，布里渊频移和温度T、应力有如下关系： （1） （2） 式中，是参考温度，是光纤未受应变时的布里渊频移，是光纤在参考温度下的布里渊频移，和分别是应变频移和温度频移的比例系数。可见，光纤中某处反射回来的布里渊散射信号的布里渊频移取决于该处所受的应变和温度。因此，通过检测传感光纤沿线各处的布里渊频移，即可得到沿光纤一维分布的应变或温度的信息。由于自发布里渊散射信号非常微弱，因此需要合适的检测方法。光相干检测方法是一较好的微弱信号检测法，它利用探测光入射到传感光纤中产生的背向布里渊散射光和参考光进行相干检测，从而有效增大散射信号的光强。再通过光电转换、信号采样和处理可获得布里渊散射谱。34图1是我们设计的基于快速傅里叶变换的微波电光调制BOTDR实验系统。系统中窄带连续波激光器是可调谐的分布式反馈激光器，工作波长在1550nm附近（根据实验中光纤光栅具体的中心波长确定），光源的线宽为100KHz，波长稳定性（24小时）为。光源发出的连续光经耦合器分为两路，探测光路和本地参考光路。探测光路中，探测光被调制成探测脉冲光后，经由EDFA放大，光纤光栅1滤除ASE噪声后，经环行器注入到传感光纤图1 基于快速傅里叶变换的微波电光调制BOTDR实验系统Fig.1 Experimental system for FFT-based BOTDR system utilizing microwave electro-optical modulation中，探测光在传感光纤中产生后向自发布里渊散射光（包含斯托克斯与反斯托克斯光）和瑞利散射光，然后经过光纤光栅2滤波后就得到斯托克斯布里渊背向散射光；本地参考光路中，耦合器分出的另一路连续光经微波电光调制器调制，产生与斯托克斯布里渊散射光频率相距约数百兆赫兹的光信号，作为本地参考光与探测光路反射回来的斯托克斯布里渊散射光相干。经1GHz带宽的光电探测器光电转换和4G Sa/s（Sa/s表示每秒采样的点数，Sampling/second）的高速A/D采样获得布里渊散射谱频率范围内对应的时域信号，再采用基于快速傅里叶变换的信号处理方法，最终得到布里渊散射谱信息，并由计算机显示。经高速A/D采样得到的本地参考光与斯托克斯布里渊散射光的差频信号是一带通的幅度调制信号5，并且在时域上呈周期变化，在每个周期的末端信号幅度突然变小，这是由于当探测脉冲光传播至传感光纤末端的时候，光功率急剧下降，这时高速A/D采样到的是连续光产生的布里渊背散射信号及探测器固有的噪声信号。其中的连续光是由于电光调制器自身消光比系数的限制，在没有脉冲调制时，仍有小功率的连续光通过调制器。由于探测与参考光路中使用了对偏振态敏感的电光调制器（EOM），故两光路中都需用光纤偏振控制器进行偏振态控制，使经过电光调制器后的光信号尽可能最强。为了减弱偏振噪声，提高系统的探测精度，在光电探测器前的探测光路中加了扰偏器（PS）。根据扰偏器的原理，在对采集到的相干光电信号进行多次累加平均后，可实现使偏振光在总体效果上表现为失去偏振特性，即采集的光电信号整体的信噪比提高。2.2 基于快速傅里叶变换的系统信号处理方法基于布里渊散射的DOFS的传感是基于光纤中的布里渊频移与温度和应变成线性关系的原理实现的。因此，为了获得光纤中的布里渊频移，在通过高速A/D采样获得差频后的整个布里渊带宽范围内的时域信号后，需要将其转换到频率域分析。傅里叶变换是现代数字信号处理中进行时频域转换最常用的方法。由于系统获得的是高速A/D采样所得的有限长序列的离散点，因此采用离散傅里叶变换（DFT）是基于傅里叶变换理论且适用于计算机计算的最有效的信号处理方法。利用离散傅里叶变换的周期性及对称性，可通过采用快速傅里叶变换（FFT）提高运算速度。图2所示为系统采用的基于快速傅里叶变换的信号处理方法。高速A/D一次性采集到一个脉冲光在沿整个传感光纤传播时产生的布里渊散射信号的离散数据点。设高速A/D的采样率为，脉冲光的脉宽为，每次取个点做FFT，若点数不足2的整数次幂，则通过补零的方法使数据点增加到2的整数次幂。由数据信号处理知识可知，这样做不但可以克服“栏栅效应”，平滑谱的外观，还可以消除由于数据截短时引起的频域泄露现象6。而个点就对应了光纤上的一段距离，我们定义这段距离为一个光纤单元，如图2所示。每进行一次傅里叶变换即可获得该光纤单元上的整个布里渊散射谱，如图2所示。沿光纤传感方向每隔的距离依次选取个点做傅里叶变换，这样就得到了沿光纤传感方向上的布里渊散射三维频谱。布里渊散射是由于光波中的光子与传感光纤中的声学声子发生非弹性碰撞产生的，考虑到声波是呈指数衰减的，则布里渊增益谱具有洛仑兹曲线形状，如式（3）所示： （3）其中，是布里渊散射峰值增益系数，为布里渊散射谱半峰全宽（FWHM），为布里渊散射谱峰值功率所对应的中心频率。7将所得的每个光纤单元上的布里渊散射谱进行图2 基于快速傅里叶变换的信号处理方法Fig.2 The signal processing method based on FFT洛仑兹曲线拟合，得到每个光纤单元上布里渊散射谱峰值对应的中心频率，将该中心频率与光纤未受任何应变和温度下的布里渊参考频率比较，得到光纤单元上的布里渊频移。利用布里渊频移与温度和应变的关系可以得到传感光纤上任一位置处的应变和温度信息，从而实现应变或温度的全分布式测量。由于布里渊散射信号十分微弱，因此还需要进行多次累加平均以提高信噪比，从而提高系统的探测精度。3 实验结果及分析采用图1所示的微波电光调制的BOTDR实验系统来进行分布式温度测试实验。实验中，将约6km的单模光纤中部约43.6m的光纤盘绕后放入特制的加热水箱中，传感光纤构成如图3所示。设定加热水箱的水温为70摄氏度，稳定一段时间，以保证加热段光纤全部均匀受热。此时的室温为26。在本次实验 图3 实验中所用的传感光纤构成Fig.3 Construction of the sensing fiber for experiment中，光源发出波长为1550.028nm的连续光，经过95/5的耦合器分成探测光路与本地参考光路两路光信号。探测光路中的连续光经脉冲调制、EDFA放大及光纤光栅滤波后注入到传感光纤中的探测脉冲光的脉宽为20ns，周期65us，脉冲光功率为25.02dBm，连续光功率为-6.33dBm，脉冲光信噪比为31.35dB。在本地参考光路中，本地连续光经过电光调制器和微波信号源10.5GHz射频信号的调制，产生的两个边频。调节偏振控制器使主频功率尽可能小，两个边频功率尽可能大。这样产生的两个边频与布里渊散射光的斯托克斯与反斯托克斯光的频率分别对应相差三百多兆赫兹。图4所示为从传感光纤中反射回的布里渊散射光。图5所示为经EOM调制后的本地参考光。图中两个边频的频率与主频频率分别相差。在探测光路后端，从传感光纤中反射回的布里渊散射光经过光纤光栅滤波后得到的主要是斯托克斯布里渊散图4 从传感光纤中反射回来的布里渊散射光光谱Fig.4 Optical spectrum of Brillouin backscattered signals图5 经EOM调制后的本地参考光光谱Fig.5 Optical spectrum of reference optical signals by EOM射光的能量。经调制后的本地参考光与斯托克斯布里渊散射光差频，经光电探测器转化为电信号后，由高速A/D采集布里渊散射信号信息。由于实验中光电探测器本身探测频率受限，因此只能探测到斯托克斯布里渊散射光与波长较长的那个边频相干后的光信号。将这些离散的数据点按照2.2节中所述的数据处理方法处理分析，得到的实验结果如图6所示。图中纵轴所示的频移值是布里渊散图6 利用基于快速傅立叶变换的信号处理方法分析得到的布里渊频移曲线Fig.6 The Brillouin frequency shift curve acquired by FFT-based signal processing method射信号与经10.5GHz相位调制后的本地参考光差频后的频差值。由图6可以看出在传感光纤中受热段的布里渊频移明显高于其余未加热段光纤的布里渊频移。通过对受热光纤处的细节观察，可以得到受热段长度为44m，受热段的布里渊频移与未受热段的布里渊频移之间的差为45.99454MHz。由布里渊频移与温度之间的线性关系8可得受热段与未受热段的温差约为43.8，这个结果与实际温差44吻合。基于快速傅里叶变换的微波电光调制BOTDR传感系统的空间分辨率主要取决于探测脉冲光脉宽和每次做傅里叶变换时所用点数所对应的光纤单元的长度，设每次做傅里叶变换的实际采样点数为N，系统中A/D的采样率为4G Sa/s，光在光纤中的传播速率，入射光脉冲宽度为，则基于快速傅里叶变换的本系统的空间分辨率为： （4）在这次温度实验中，脉冲宽度为20ns，每次做傅里叶变换的实际采样点数为80个点，高速A/D的采样率为4G Sa/s，光在光纤中的传播速率为，所以本次实验所测得的结果的空间分辨率为2m，与图7所示实验结果吻合。图7即是对图6中加热段部分放大的细节描绘。图7 受热段光纤布里渊频移曲线Fig.7 The Brillouin frequency curve of the heated sensing fiber in detail 4 结论针对传统的利用扫频的信号采集及数据处理方法在中长距离探测上时间效率较低的特点，提出了基于快速傅里叶变换的数据采集与信号处理方法。通过搭建实验系统，并进行温度实验，结果表明基于快速傅里叶变换的数据处理方法不仅可以得到较为准确的温度变化精度，也能得到较为精确的空间分辨率。但由于布里渊散射光信号中的噪声种类复杂，本身布里渊散射的光信号也十分微弱，因此还需要在此基础上进一步提高信噪比，目前正在开展这方面后续工作。虽然在本次实验中的信号处理过程是使用软件实现的，但若能将高速A/D采集与信号处理都采用硬件实现，那运行效率将会很高。目前FPGA的流水线技术已相当成熟，采用全并行结构FFT的FPGA技术就能实现数据采集与信号实时处理9。以采用XiLinx公司VirtexII Pro系列xc2vp1256ff1704器件为例，若每个光纤单元做FFT的点数为128个（实际有效数据点数为80个，其余48个为补零点），则单个时钟周期内完成这128个点FFT的功能只需44ns。若配合1G的高速A/D采样率，就完全可以实现对A/D采集数据的实时处理。即采用这种硬件技术后，对于1个脉冲光产生的布里渊信号，基于本文所提的FFT数据采集与处理方法的处理时间就等于一个脉冲周期的时间。以30km传感光纤为例，若探测脉冲周期为310us，平均1024次，基于FFT的数据处理方法在FPGA上处理的时间就是317.4ms。而目前商用BOTDR对30km的传感信号，仅对单个频点扫频并平均1024次就需要1s，则若要探得整个布里渊带宽范围内的频谱，所需的时间将更长。因此，基于快速傅里叶变换的布里渊散射分布式传感系统的处理效率极高，尤其在对中长距离的探测时，能够快速高效的实现分布式温度/应变的传感。由于使用高速A/D采集，单次测量可以探测较宽频率范围内的信号，因此本文所述方法的另一个优点是还适用于在实际应用中采用多条光路并行探测，单次测量即可获得多路光纤上的温度/应变信息。若将一组具有一定间隔布里渊频移差的特制传感光纤应用于FTTH系统中,利用本文的方法即可实现OLT单元对PON各分支光纤的实时监测。参考文献1 T. Horiguchi, T.Kurashima and M.Tateda, “Tenile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers,”J IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 1,no. 5,pp.107-108,may 1989.2 T. Kurashima, T. Horiguchi, and M. Tateda, ”Thermal effects on Brillouin frequency shift in jacketed optical silica fibers,”J Appl. Opt., vol. 29, no.15, pp. 2219-2222, May 1990.3 Kurashima T, Tateda M, Horiguchi T, et al. “Performance improvement of a combined OTDR for distributrd strain and loss measurement by randomizing the reference light polarization state”,J IEEE Photon Tech Lett.,1997,9(3):360-3624 Maughan S M, Kee H H, Newson T P. “A calibrated 27-km distributed fiber temperature sensor based on microwave heterodyne detection of spontaneous Brillouin backscattered power”.J IEEE Photon. Technol. Lett.,1997,9 (3):360-362 5 Dou Rongrong, Lu Yuangang, Zhang Xuping, Wang Feng. “Analysis on the signal processing of Brillouin backscattered signals in DFT-based Brillo