技术领域
[0001] 本
发明涉及布里渊光时域反射仪，属于分布式光纤传感技术领域，更具体地说，本发明涉及一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪。
背景技术
[0002] 近年来，分布式光纤传感检测技术得到了迅猛发展，与准分布式光纤传感相比，分布式光纤传感技术将传感与传输合二为一，可测量整条光纤沿线所有
位置的环境变化信息，具有抗
电磁干扰、耐
腐蚀、长距离传输、结构简单、动态测量范围大等特点，因此广泛应用于大型建筑、公路、大坝、
桥梁的结构健康监测，以及地
下管网、
油气管道等大范围、长距离下的安全监测。其中，布里渊光时域反射仪适用于长距离的应变检测，其原理是根据光纤中自发布里渊散射
信号产生的频移与应变对应的线性关系来检测应变信息，并结合OTDR（光时域反射）技术实现对应变发生处的
定位。目前基于布里渊光时域反射的分布式传感技术中，BOTDR(布里渊光时域反射技术)与BOTDA(布里渊光频域分析技术)是两种主流的技术。BOTDA系统需要双端的
光源注入，不能对光纤沿线断点进行检测，使用场合受到局限。BOTDR系统通过单端注入的方式进行传感测量，可实现对断点的定位，是目前大家使用最广泛的一种技术，但其信号微弱，
信噪比越来越小，对系统信号解调的要求较高。为了解决在测量时间与空间
分辨率不变的条件下，提升系统的信噪比问题，现有的方案中有的采用了累加平均时间法，有的采用增大脉冲宽度的办法，还有的采用Golay等编码方式，但这些方法都具有其自身的
缺陷：采用累加平均时间法会使系统的测量时间大大延长，影响系统的实时性；若增大脉冲宽度，势必会降低空间分辨率，影响系统对于微小事件的准确性；若采用Golay等编码方式容易使得四组编码脉冲在解码时发生码间串扰，影响系统的解调
精度。
现有的方法都无法解决系统空间分辨率、信噪比与测量精度的折中问题，因此，需要提出一种信噪比高的布里渊光时域反射仪。
发明内容
[0003] 本发明克服
现有技术中布里渊时域反射仪的不足，所要解决的技术问题为：提供一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪，通过物理随机数发生器模
块，一次注入一组真随机码，得到额外的编码增益，提高系统信噪比，在不出现码字间串扰，空间分辨率不改变的前提下，实时有效的还原布里渊散射光的全部功率信息。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪，包括第一DFB激光发射模块、第二DFB激光发射模块、第一光纤
耦合器、脉冲
光放大器、第二光纤耦合器、偏振
控制器、增益
开关调制器、物理随机数发生模块、DWDM密集型波分复用器、传感光纤、光纤环形器、连续
光放大器、光
滤波器、第三光纤耦合器、扰偏器、光电探测器、
混频器、
微波可调
频率源、电放大器、电滤波器、A/D转换模块和上位机；所述第一DFB激光发射模块发出的连续
光信号输出到第二光纤耦合器的输入端，经第二光纤耦合器分为参考光和探测光两部分，其中探测光从第二光纤耦合器的第一输出端输出，经偏振控制器、增益开关调制器后，输出到第一光纤耦合器的第一输入端；所述第二DFB激光发射模块发出连续光信号输出到第一光纤耦合器的第二输入端；所述第一光纤耦合器的输出端经脉冲光放大器、DWDM密集型波分复用器后与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口与传感光纤连接，光纤环形器的第三端口与连续光放大器的输入端连接，对微弱的后向布里渊散射信号进行功率放大，所述连续光放大器的输出端经光滤波器后与第三光纤耦合器的第一输入端连接；所述第二光纤耦合器的第二输出端输出的参考光经扰偏器后与第三光纤耦合器的第二输入端连接；所述第三光纤耦合器的
输出信号由光电探测器探测，所述光电探测器的输出信号与微波可调频率源发射的微波信号经混频器混频后，依次经电放大器、电滤波器、A/D转换模块后输出到上位机；所述物理随机数发生模块用于产生两组相同的真随机码，其中一组真随机码发送到增益开关调制器的控制端，使连续光信号被调制成序列编码脉冲光信号，另一组真随机码发送到上位机，所述上位机用于根据所述真随机码对布里渊散射信号进行解码运算，解调出布里渊频移分布。
[0005] 所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器均为1×2的光纤耦合器，所述第一光纤耦合器和第三光纤耦合器的分光比为50：50，所述第二光纤耦合器的分光比为80:20。
[0006] 第一DFB激光发射模块用于发出中心
波长为1550.12nm的连续光信号，所述第二DFB激光发射模块用于发出中心波长为1560.12nm的连续光信号。
[0007] 所述上位机内设置有相关运算单元和累加平均处理单元，所述上位机进行相关运算与累加平均运算，解调出布里渊频移分布的具体方法为：
[0008] 相关运算单元对真随机码的第一部分编码串与第一条布里渊散射信号进行相关运算处理，得到第一条带有噪声的布里渊频移分布曲线；相关运算单元对真随机码的第二部分编码串与第二条布里渊散射信号进行相关运算处理，得到第二条带有噪声的布里渊频移分布曲线；……；相关运算单元对真随机码的第n部分编码串与第n条布里渊散射信号进行相关运算处理，得到第n条带有噪声的布里渊频移分布曲线，直到完成所有不同频率的布里渊频移分布曲线；相关运算单元与累加平均处理单元连接，将得到的n条带有噪声的布里渊频移分布曲线发送给所述累加平均处理单元；所述累加平均处理单元将得到的n条带有噪声的布里渊频移分布曲线进行累加平均处理，得到布里渊散射曲线，所述n表示真随机码中的编码串的数量。
[0009] 本发明的工作原理如下：物理随机数发生模块8同时发出两组相同的真随机码，其中一组送入增益开关调制器中，将探测光调制为序列编码脉冲光，打入光纤，得到的后向散射信号与通过扰偏器15的参考信号在光电探测器16中进行
拍频处理，得到布里渊频移信息；微波可调频率源18发出的不同频率信号通过混频器依次与布里渊频移进行差频处理，通过固定带宽的电滤波器20进行频率扫描，获得布里渊散射信号，经A/D转换后与物理随机数发生模块8发出的另一组真随机码在上位机中通过相关运算、累加平均的方式，提升系统的信噪比。序列编码脉冲是单脉冲的
叠加，而系统空间分辨率取决于单脉冲的脉宽，与脉冲串本身无关，因此序列脉冲编码只提高编码增益，不改变散射信号随时间的变化，从而实现在空间分辨率不变条件下高精度的测量。
[0010] 本发明提供的一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪及解码方案，与现有的分布式光纤应变检测相比，可靠性高，成本低、可实现高分辨率与高精度的应变检测，其优点与积极效果主要体现如下：
[0011] 一、物理随机数自身具有很好的相关特性，将序列编码脉冲注入传感光纤可以得到额外的编码增益，提高系统信噪比。同时，解码过程中利用物理随机数与编码布里渊散射信号的多次相关平均运算可进一步降低系统噪声，提高抗干扰性和测量精度。
[0012] 二、与传统电光脉冲调制方案相比，采用增益开关调制器可以获得稳定且较高的探测脉冲消光比，可省去传统电光调制方案所必须的
偏压控制装置，从而节约成本并降低系统复杂度；同时，可避免电光调制器的插入损耗，保证较高的入纤
峰值功率。
[0013] 三、采用1560.12nm波长的第二窄线宽DFB激光发射模块，可以减少脉冲光放大器放大不均匀对序列编码脉冲光产生的影响。
附图说明
[0014] 图1为本发明
实施例提供的一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪的结构示意图；
[0015] 图2为本发明实施例中布里渊光时域反射仪解码方案的示意图。
[0016] 图中：1为第一窄线宽DFB激光发射模块，2为第二窄线宽DFB激光发射模块，3为第一光纤耦合器，4为脉冲光放大器，5为第二光纤耦合器，6为偏振控制器，7为增益开关调制器，8为物理随机数发生模块，9为DWDM密集型波分复用器，10为传感光纤，11为光纤环形器，12为连续光放大器，13为光滤波器，14为第三光纤耦合器，15为扰偏器，16为光电探测器，17为混频器，18为微波可调频率源，19为电放大器，20为电滤波器，21为A/D转换模块，22为上位机，23为真随机码，24为布里渊散射信号，25为相关运算单元，26为累加平均处理单元，27为布里渊散射曲线。
具体实施方式
[0017] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018] 实施例一
[0019] 如图1所示，本实施例提供了一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪，包括第一DFB激光发射模块1、第二DFB激光发射模块2、第一光纤耦合器3、脉冲光放大器4、第二光纤耦合器5、偏振控制器6、增益开关调制器7、物理随机数发生模块8、DWDM密集型波分复用器9、传感光纤10、光纤环形器11、连续光放大器12、光滤波器13、第三光纤耦合器14、扰偏器15、光电探测器16、混频器17、微波可调频率源18、电放大器19、电滤波器20、A/D转换模块21和上位机22。
[0020] 其中，所述第一DFB激光发射模块1发出中心波长为1550.12nm的窄线宽连续光信号，该连续光信号输出到第二光纤耦合器5的输入端A，经第二光纤耦合器5分为20%的参考光与80%的探测光两部分，其中探测光从第二光纤耦合器5的第一输出端B输出，经偏振控制器6后从增益开关调制器7的输入端口D输入，从增益开关调制器的输出端口E输出到第一光纤耦合器3的第一输入端；所述第二DFB激光发射模块2发出中心波长为1560.12nm的连续光信号，该连续光信号输出到第一光纤耦合器3的第二输入端。偏振控制器6用于调整连续探测光的偏振态使光达到最佳的传输效果；增益开关调制器7的控制端F与物理随机数发生模块8的第一输出端连接，所述物理随机数发生模块8用于产生两组相同的真随机码，其中一组真随机码发送到增益开关调制器7的控制端F，使连续光信号被调制成序列编码脉冲光信号，其中，随机码的长度越长，控制增益开关调制器的增益系数越大，另一组真随机码发送到上位机22的输入端口M。
[0021] 其中，所述第一光纤耦合器3的输出端连接到脉冲光放大器4的输入端，对序列编码脉冲进行功率放大，以此获得更高的入纤峰值功率，同时第二DFB激光发射模块2输出的1560.12nm波长的连续光用于消耗脉冲光放大器4前端较多的铒离子，使铒离子的浓度保持恒定，从而减少脉冲光放大器放大不均匀对序列编码脉冲光产生的影响；所述脉冲光放大器4的输出端连接到DWDM密集型波分复用器9的输入端，滤除脉冲光放大器引起的自发
辐射噪声与1560.12nm波长的连续光，使1550.12nm的序列编码脉冲光进行向前传输；所述DWDM密集型波分复用器9的输出端连接到光纤环形器11的第一端口G，所述光纤环形器11的第二端口H连接到普通的G652单模的传感光纤10，此时序列脉冲编码经第一端口G进入光纤环形器11、从光纤环形器11的第二端口H输出进入传感光纤10后，产生后向布里渊散射信号，从传感光纤10中返回的微弱的后向布里渊散射信号经第二端口H进入光纤环形器11，并从所述光纤环形器11的第三端口I输出，所述光纤环形器11的第三端口I与连续光放大器12的输入端连接，连续光放大器12对微弱的后向布里渊散射信号进行功率放大后输出到光滤波器
13的输入端，光滤波器13滤除放大器自身的噪声、环境中的噪声后将布里渊散射信号输出到所述第三光纤耦合器14的第一输入端。
[0022] 此外，所述第二光纤耦合器5的第二输出端C输出的参考光经扰偏器15后与第三光纤耦合器14的第二输入端连接，扰偏器15可以保证参考光具有良好的偏振状态，第三光纤耦合器14的输入端的分光比为50：50；所述第三光纤耦合器14的输出信号由光电探测器16探测，光电探测器16将参考光与探测光进行拍频，以此获得布里渊频移信息；所述光电探测器16的输出端连接到混频器17的输入端J，进行降频处理；所述微波可调频率源18的输出端连接到混频器17的输入端K，以此改变布里渊频移的频率大小；所述混频器17的输出端L连接到电放大器19的输入端，将此微弱的连续信号进行放大；此信号进入电滤波器20中通过频率扫描的方式获得系统布里渊散射信号24。电滤波器20的输出端口通过A/D转换模块21的输出到上位机22的输入端口N，所述上位机用于根据从输入端口M输入的真随机码对从输入端口N输入的布里渊散射信号进行解码运算，解调出布里渊散射曲线。
[0023] 本实施例中 ，所述第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器5和第三光纤耦合器14均为1×2的光纤耦合器，所述第一光纤耦合器3和第三光纤耦合器14的分光比为50：50，所述第二光纤耦合器5的分光比为80:20。
[0024] 实施例二
[0025] 本实施例提供的一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪的结构与第一实施例相同，不同之处在于，本实施例中，上位机22进行解码运算时，是通过相关运算与累加平均运算，解调出布里渊频移分布的，如图2所示，上位机22中设置有相关运算单元25和累加平均处理单元26，相关运算单元25与累加平均处理单元26连接，其进行解码的具体过程为：
[0026] S1、所述物理随机数发生模块8发出的真随机码23输入上位机22的第一输入端口M，布里渊散射信号24经所述A/D转换模块21转换为
数字信号后输入上位机22的第二输入端口N。
[0027] S2、相关运算单元25进行相关运算，具体方法为：相关运算单元25对真随机码23的第一部分编码串与第一条布里渊散射信号24进行相关运算处理，得到第一条带有噪声的布里渊频移分布曲线；相关运算单元25对真随机码23的第二部分编码串与第二条布里渊散射信号进行相关运算处理，得到第二条带有噪声的布里渊频移分布曲线；……；相关运算单元25对真随机码23的第n部分编码串与第n条布里渊散射信号进行相关运算处理，得到第n条带有噪声的布里渊频移分布曲线，直到完成所有不同频率的布里渊频移分布曲线；所述n表示真随机码23中的编码串的数量。
[0028] S3、累加平均处理单元26进行累加平均处理，具体方法为：相关运算单元25将得到的n条带有噪声的布里渊频移分布曲线发送给所述累加平均处理单元26；所述累加平均处理单元26将这n条带有噪声的布里渊频移分布曲线进行累加后再进行平均处理，得到布里渊散射曲线27。
[0029] 本发明提出了一种物理随机数调制的布里渊光时域反射仪，由于物理随机数自身具有很好的相关特性，将序列编码脉冲注入传感光纤可以得到额外的编码增益，因此本发明提高了系统信噪比；同时，本发明在解码过程中利用物理随机数与编码布里渊散射信号的多次相关平均运算可进一步降低系统噪声，提高抗干扰性和测量精度，解决了系统空间分辨率不变的前提下，信噪比提升改善测量精度的问题，此外，本发明中采用增益开关调制器可省去传统电光调制方案所必须的偏压控制装置，从而节约成本并降低系统复杂度；同时，可避免电光调制器的插入损耗，保证较高的入纤峰值功率。本发明能够在保证空间分辨率的前提下，实时高精度的监测传感光纤沿线的应变大小及所在位置。
[0030] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
