快速布里渊光时域分析型应变测量装置及数据处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊增益谱线宽 窄化处理、脉冲编码和小波变换技术相结合的高性能快速B0TDA(布里渊光时域分析型）应 变测量装置及数据处理方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、耐高压、耐腐蚀、电绝缘性好、抗电磁 干扰等优点，在通信光缆、河堤、混凝土、管道、隧道、桥梁等结构检测中有广泛应用。基于受 激布里渊散射效应的分布式光纤传感器是利用受激布里渊频移量与应变之间的线性关系， 通过测量光纤各处的布里渊频移量得到该位置处相应的应变变化，从而实现应变的分布式 测量。
[0003] 受激布里渊分布式光纤传感器主要有三种类型：布里渊光时域分析（B0TDA)型、 布里渊光频域分析（B0FDA)型和布里渊散射光时域反射（B0TDR)型。B0TDA系统由于利用 光纤受激布里渊散射效应测量应变，布里渊增益线宽直接影响到应变的测量精度，布里渊 增益线宽越宽，应变的测量精度越低。B0TDA系统的测量时间也是一个很关键的因素，目前 采用的降低时间的方法是采用编码技术提高信噪比进而减少测量次数，缩短测量时间，但 是编码的阶数过高时，系统的测量时间也不利于减少。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于受激布里渊增益谱线宽窄化处理、脉冲编码和小波 变换技术相结合的高性能的B0TDA应变测量装置。
[0005] 本发明所述的高性能的B0TDA应变测量系统的结构如图1所示，由激光器1、第一 光親合器2、第一调制器3、第一微波信号源20、第一光滤波器4、第二调制器5、第二微波信 号源21，直流电源22、光放大器6、第二光耦合器7、光隔离器8、第二调制器9、频率综合器 14、第二光滤波器10、第四调制器11、脉冲信号发生器15、扰偏器12、光环形器13、传感光 纤19、光电探测器16、数据采集卡17和计算机18组成，第一调制器3、第二调制器5、第三 调制器9、第四调制器11均为强度调制器。
[0006] 激光器1输出频率为f。的光信号（图2(1))经第一光親合器2 -分为三，分别记 为第一支路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 的分光比为3 :3 :4,其中，第一支路的光信号作为光载波被送到第一调制器3中，然后被第 一微波信号源20输出的频率为2fB (fB为传感光纤19的受激布里渊散射频移量）的微波信 号调制，由于是小幅度微波信号调制，仅考虑载波和一阶边带（f。、f；+2fB、f>2fB)，第一调制 器3输出的信号输入到第一光滤波器4中，滤掉载波和一阶上边带，仅剩频率为&-2&的 一阶下边带信号（图2 (2))，将第一光滤波器4输出的频率为f>2fB信号再送入第二调制 器5中，被第二微波信号源21输出的频率为4的信号调制，调整直流电源22输出的直流 电压改变第二调制器5的直流偏置电压，使其工作在载波抑制的双边带输出状态，其输出 频率为f；-2fB+fV和fc-2fB-fV的两个信号（图2 (3))，第二调制器5输出信号（fc-2fB+f；和fc-2fB-fJ的强度可以通过光放大器6放大；第二支路201中频率为（的光信号与第一支 路101中经光放大器6放大的光信号经第二光耦合器7后再经光隔离器8送入到传感光 纤19中，作为传感光纤19中受激布里渊散射效应的栗浦信号，三个栗浦信号的频率分别 为f。、f「2fB+f；和f(强度可以通过光放大器6控制），栗浦信号f。产生的增益谱 的中心频率为f；-fB，栗浦信号f>2fB+f；和f产生损耗谱的中心频率为f^fB+f；和 (图2 (4))，改变光放大器6的放大倍数可以改变栗浦信号f；-2fB+fV和f强 度，从而改变损耗谱f>fB+fV和f 的强度，中心频率为f。_4的增益谱和中心频率为 f>fB+fV和f 损耗谱相互作用，实现受激布里渊增益谱线宽的窄化处理（图2(5))， 从而提高测量精度。第三支路301中的光信号输入到第三调制器9中，被频率综合器14输 出的频率为fT(fT的频率是以f8为中心在300M的范围内按一定频率间隔变化）的小幅信 号调制，第二光滤波器10滤掉调制信号中的载波和一阶上边带信号（由于是小信号调制， 只有载波和一阶边带），只保留频率为f>fT的一阶下边带信号，频率为f的信号输入到 第四调制器11中，被脉冲信号发生器15输出的脉冲信号调制（脉冲信号的高电平宽度为 10ns~100ns，脉冲频率为10kHz~100kHz)，第四调制器11输出的信号输入到扰偏器12 中，扰偏器12是为了将光的偏振态随机化，以消除偏振态对受激布里渊散射效应的影响， 经扰偏器12处理的光信号作为传感光纤19中受激布里渊散射效应的脉冲光从光环形器13 的I端口输入，II端口输出后进入到传感光纤19中。从光隔离器8输出的窄化处理的三个 栗浦信号和从环形器的II端口输出的脉冲光在传感光纤19中相互作用，当两路光的频率 差之间满足受激布里渊散射条件时会发生受激布里渊散射现象，携带受激布里渊散射信息 的栗浦光信号经光环行器的端口II输入，从光环形器13的端口III输出后被光电探测器16 探测，然后通过数据采集卡17将采集到的数据送入计算机18处理，计算机18还需要控制 频率综合器14输出的频率值和脉冲信号发生器15输出脉冲的起始时刻，最后通过光谱拟 合可以得到受激布里渊增益谱峰值频率，进而确定应变的大小，通过脉冲发出的时间和增 益谱峰值出现的时间差可以判断应变发生的位置。
[0007] B0TDA测量系统的应变测量精度公式
增益谱线宽，SNR为系统信噪比，可见，减小布里渊增益线宽ΔvB和增加信噪比均可以提高 系统的测量精度。
[0008] 本发明通过采用S-codes(Simplexcodes)编码和小波变换技术相结合来提高系 统的性噪比（SNR)进而提高测量精度并且缩短系统的测量时间。采用S-codes编码技术是 通过对S矩阵（S-matrix)进行哈达码（hadmard)变换，然后通过叠加来减小噪声，提高信 噪比，S-matrix是一个单极性矩阵，由1和0组成，对于S-codes编码，当S矩阵的阶数增加 时，解码时间变长，使系统的测量时间增加，采用适当的S矩阵的阶数，在数据处理端解码 采集到的数据之后再利用小波变换技术进行去噪处理，提高系统的性噪比进而提高测量精 度并且缩短系统的测量时间。该编码技术的关键是构建S-matrix矩阵，以同时测量光纤沿 线不同位置的布里渊散射强度。以一个三阶S-matrix矩阵为例来说明采用该编码技术提 高SNR，假设对于一个单脉冲Pi(t)被发射到被测量光纤中，得到的响应为Φi(t)。同时定义 新的脉冲卩2(0zPjt-ThPjt)zPjtlT)，它们的响应分别为：φ2α) =iMt-τ)， Φ3⑴=Φτ);通过发身才S-codes序列可以得至lj:
[0012] 于是可以采用S-matrix写成hadamard变换的形式：
[0014] 式中e(t)为测量的噪声。由上式可知，码长即为S-matrix的阶数。为了恢复出Φi⑴需要进行Hadmard反变换，得到如下表达式：
[0020] 于是可以得到处理后的结果为：
[0022] 最后的平均平方误差为：
[0024] 而对于通常的单脉冲情况，三次迭代的平均平方误差为〇 2/3,对于码长为3时得