一种光时域反射仪的编码装置及方法与流程

1.本申请涉及光纤传感技术领域，具体为一种光时域反射仪的编码装置及方法。


背景技术：

2.光时域反射探测技术的主要应用之处为光时域反射仪(optical time domain reflectometer,otdr)，同时在分布式光纤传感器中也有非常广泛地应用，并成为它的主要实现技术。光时域反射仪是最常见的光纤链路测试仪器，它是在后向散射理论可以用于测量损耗的基础上开始发展起来的，而这一理论是在1975年，由barnoski和jensen首次提出的。personik在1976年，对barnoski和jensen提出的后向散射理论进行了更深层次的研究，并进行多次实验，从而得到了多种实验数据，通过对这些实验数据的分析建立起关于多模光纤的瑞利后向散射光功率表达式。brinkmeyer在1980年，在单模光纤中应用了此后向散射理论，并且推导出与多模光纤一样的瑞利后向散射光功率表达式，brinkmeyer的这一研究成果有力地证明了无论在多模光纤中还是在单模光纤中都可以运用后向散射光功率表达式。h.hartog和m.p.gold在1984年，对单模光纤的后向散射理论从理论层面作了更进一步地探讨和阐述，并且分析了瑞利后向散射系数与光纤结构参数间的关系。从otdr的发展到现在，已四十多年，它现在仍然被广泛运用于光缆线路的维护、施工之中，并衍生出一些新的产品，如光子计数光时域反射仪(pc
‑
otdr)、相干光时域反射仪(co
‑
otdr)及光频域反射仪(ofdr)等。随着光时域反射技术的出现，分布式光纤传感技术也逐步发展起来并逐步走向成熟。
3.光时域反射探测技术不仅是光纤链路损耗测试的重要方法，同时也是实现分布式光纤传感器的主要技术。传统光时域反射探测技术是用单脉冲作为探测信号注入待测光纤中获取后；向散射信号，比如测试小于10km长光纤链路，注入10ns脉宽激光脉冲，空间分辨率1米；测试大于200km长光纤链路，注入200ns脉宽激光脉冲，空间分辨率20米，这表明系统动态范围与空间分辨率之间存在矛盾。
4.高空间分辨率和高动态范围在分布光纤传感器中具有十分重要的作用，可以提高光纤的测量精度、空间分辨率和测量长度，为光纤传感系统中的结构参数精确定位提供有力保障。
5.高空间分辨率受光脉宽、光接收机带宽、a/d采样率的影响。动态范围受注入光脉冲的峰值功率、脉宽、光在光纤中的传输损耗、光接收机损耗的影响。可以看出同时得到大的高空间分辨率和高动态范围是不可能的，二者不可兼得。
6.运用现代数字信号处理技术(即脉冲编码的方式)，将注入光脉冲信号调制成编码光脉冲信号作为分布光纤传感器的探测信号时，它的入纤光功率得到了增加，而此种光功率的增加方式并不是利用传统的增加脉宽来得到的，即脉宽仍保持不变。入纤光功率的增加会使分布光纤传感器的动态范围得到提高，而脉冲宽度保持不变即空间分辨率保持不变。
7.在工程实际中使用的编码方式至今有辛普森编码(simplex code)、格雷编码
(golay code)和互补相关标准正交序列编码(complementary correlated prometheus orthonormal sequence，ccpons)。辛普森编码矩阵由hadamard矩阵去除第一行和第一列转换而成，阶数n＝2
m
‑
1(m是自然数),格雷编码和互补相关标准正交序列编码矩阵按树型追加法转换而成，阶数n＝2
m
(m是自然数)。它们的编码都存在不等长的连续码(参考中国申请专利cn201210170373)，最坏情况达到阶数的一半，这些连续码合并成脉宽更宽的单脉冲，降低了系统的空间分辨率并使空间分辨率不可控。
8.申请内容
9.本申请的目的是提供一种光时域反射仪的编码装置及方法，由一组单极性奇数阶编码发射矩阵(单极性脉冲指发射0或1，而不是
‑
1或1)，接收数据后解码矩阵完成，可提高光时域反射仪的稳定性，高动态范围和高空间分辨率，获得稳定的、更高的测量精度、空间分辨率和测量长度。
10.为实现上述技术效果，本申请具体方案如下：
11.一种光时域反射仪的编码装置，包括测试光纤，计算机，编码调制器，激光器，光纤环形器(或光纤耦合器或波导耦合器)其中光纤耦合器或波导耦合器与光纤环形器实现相同功能，所以可以相互替换，实现分光功能，光纤耦合器或波导耦合器比光纤环形器多损耗6db，探测器模块和a/d模块；计算机与编码调制器相连，a/d模块与计算机连接，激光器与编码调制器光纤连接，激光器与光纤环形器输入端连接，光纤环形器输出端与测试光纤连接，探测器模块与a/d模块相连。
12.进一步地，计算机与编码调制器通过usb、rs232或rj485连接，a/d模块经接口或网口与计算机连接。
13.再进一步地，所述接口为pci、pcie、局域网口或usb。
14.进一步地，编码调制器是以半导体光放大器为核心器件的编码调制器，激光器选用pd或dfb半导体激光器，光纤环形器选用单模光纤1x2光纤环形器，探测器模块选用pin探测器，计算机选用pc104或单片机，a/d模块选用北京坤驰qt1144.x或tia/d100mhz16bits。
15.一种光时域反射仪的编码方法，包括如下步骤：
16.步骤一：编码调制器预存2n+1(n自然数)阶编码矩阵s＝(a
ij
),当i＝j时a
ij
＝0，当i>j,i
‑
j是偶数时a
ij
＝0，当i>j,i
‑
j是奇数时a
ij
＝1，当i<j,j
‑
i是偶数时a
ij
＝1，当i<j,j
‑
i是奇数时a
ij
＝0，这样每行有n
‑
1个“1”，每个“1”被“0”隔开，没有连续码，其中a为矩阵元素，i表示矩阵s中第i行，j表示矩阵s中第j列，0<＝i，j<2n+1；计算机执行程序初始化时根据设置的激光脉宽n纳秒、平均次数m和测量长度l米，产生最大奇数阶2n+1<10l/n，最小测量时间(2n+1)ml/10纳秒，这是单脉冲测量时间的2n+1倍，编码解调实质是以时间换空间方式提高动态范围和空间分辨率，s的可逆阵s
‑1＝(b
ij
)，当i＝j或i>j，j＝i
‑
1或i＝0，j＝2n时b
ij
＝(1
‑
n)/n，不满足上述条件时b
ij
＝1/n；b为s的逆矩阵。
17.步骤二：计算机执行测量程序时，对编码调制器发出启动信号，编码调制器依次输出矩阵s每行编码调制激光器脉冲注入光纤环形器和测试光纤，测试光纤上返回背散射光经过光纤环形器进入探测器模块，探测器模块后接a/d模块，a/d模块与计算机相连；编码调制器依次输出矩阵s每行编码时输出同步电脉冲开启a/d模块同步采集背散射瑞利光信息存储于a/d缓冲区中，流水线方式传入计算机内存中，以矩阵为单位周期可多次循环进行数字平均；
18.步骤三：计算机11执行程序获取数字平均的背散射瑞利光信息时，计算背向散射的瑞利光信息时利用s
‑1解出传感光纤上每点的背散射瑞利光信息，并判断是否有断纤或其他结构参数。
19.编码解码对比一般意义上的数字平均的信噪比比较：
20.传统单脉冲光时域反射仪累加平均测量2n+1次后得到的曲线的均方误差为而用2n+1阶s矩阵编码作为探测信号的光时域反射仪，每次发射编码包括了n个光脉冲，而不是1个光脉冲，其测量曲线的均方误差为由此可以得使用阶数为2n+1的s矩阵编码作为探测信号后，传感器检测信噪比与传统单脉冲经过2n+1次普通累加平均处理后得到的信噪比改善，即编码增益cg：
[0021][0022]
其中σ表示任一过程参数的平均值的分布或离散程度。此编码当阶数大于5的奇数阶时产生好的益处。
[0023]
光时域反射仪的散射原理:
[0024]
当入射激光i0与光纤分子产生线性相互作用而散射，其中一部分沿光纤信道返回，返回量i(l)(l是传感光纤长度)与入射光频率v的4次方成正比：
[0025][0026]
ζ是散射系数，f(z)是光纤链路参数。
[0027]
本申请的编码矩阵很容易产生。
[0028]
本申请的有益效果在于：
[0029]
1、与传统的三种simplex,golay code,ccpons编码比较，编码矩阵容易产生，奇数阶比指数阶更容易设置，跨度不大。
[0030]
2、编码无连续码，始终是固定脉宽的激光单脉冲，空间分辨率最小且稳定。
[0031]
3、编码脉冲比单脉冲产生更高的增益，传感器信噪比得到改善，提高了传感器的动态范围和测量精度。
附图说明
[0032]
图1是一种光时域反射仪的编码方法示意图。
[0033]
10
‑
测试光纤，11
‑
计算机，12
‑
编码调制器，13
‑
激光器，14
‑
光纤环形器，15
‑
探测器模块，16
‑
a/d模块。
具体实施方式
[0034]
以下将结合附图对本申请各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，
本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本申请所保护的范围。
[0035]
实施例1
[0036]
本申请采用的一种光时域反射仪的编码方法，承载该方法的装置包括测试光纤10，计算机11，编码调制器12，激光器13，光纤环形器14(或光纤耦合器或波导耦合器)，探测器模块15和a/d模块16。计算机11与编码调制器12经usb(或rs232或rj485)连接，a/d模块16经插口或网口与计算机11连接，激光器13与编码调制器12光纤连接，激光器13与光纤环形器14输入端连接，光纤环形器14输出端与测试光纤10连接，探测器模块15与a/d模块16相连。本实施例实现距离100km的光纤链路测量，选用单模(或多模)光纤，激光脉宽10纳秒，16位100mhza/d，实现奇数999(<10*100*1000/10)阶编码。
[0037]
计算机11执行测量程序时，对编码调制器12发出启动信号，编码调制器12依次输出矩阵s每行编码调制激光器13使脉冲10纳秒脉宽和峰值功率1mw经光纤环形器14注入测试光纤10上返回背散射光经过光纤环形器14进入探测器模块15，再到对应的a/d模块16，a/d模块16与计算机11相连。编码调制器12依次输出矩阵s每行编码时输出同步电脉冲开启a/d同步采集背散射瑞利光信息存储于a/d缓冲区中，流水线方式传入计算机11内存中，以矩阵为单位周期可多次循环进行数字平均，这里编码阶数最大，就不进行循环了，100mhza/d采样频率与10ns光脉冲对齐，当探测器模块带宽大于100mhz时，可获得测试光纤空间分辨率1m，信噪比提高当采样和计算双线程运行，每次测量时间最小0.999秒。
[0038]
实施例2
[0039]
一种光时域反射仪的编码装置，包括测试光纤10，计算机11，编码调制器12，激光器13，光纤环形器14(或光纤耦合器或波导耦合器)其中光纤耦合器或波导耦合器与光纤环形器14实现相同功能，所以可以相互替换，实现分光功能，光纤耦合器或波导耦合器比光纤环形器多损耗6db，探测器模块15和a/d模块16；计算机11与编码调制器12相连，a/d模块16与计算机11连接，激光器13与编码调制器12光纤连接，激光器13与光纤环形器14输入端连接，光纤环形器14输出端与测试光纤10连接，探测器模块15与a/d模块16相连。
[0040]
进一步地，计算机11与编码调制器12通过usb、rs232或rj485连接，a/d模块16经接口或网口与计算机11连接。
[0041]
再进一步地，所述接口为pci、pcie、局域网口或usb。
[0042]
进一步地，编码调制器12是以半导体光放大器为核心器件的编码调制器，激光器13选用pd或dfb半导体激光器，光纤环形器14选用单模光纤1x2光纤环形器，探测器模块15选用pin探测器，计算机11选用pc104或单片机，a/d模块16选用北京坤驰qt1144.x或tia/d100mhz16bits。
[0043]
一种光时域反射仪的编码方法，包括如下步骤：
[0044]
步骤一：编码调制器12预存2n+1(n自然数)阶编码矩阵s＝(a
ij
),当i＝j时a
ij
＝0，当i>j,i
‑
j是偶数时a
ij
＝0，当i>j,i
‑
j是奇数时a
ij
＝1，当i<j,j
‑
i是偶数时a
ij
＝1，当i<j,j
‑
i是奇数时a
ij
＝0，这样每行有n
‑
1个“1”，每个“1”被“0”隔开，没有连续码，其中a为矩阵元素，i表示矩阵s中第i行，j表示矩阵s中第j列，0<＝i，j<2n+1；计算机11执行程序初始化时根据设置的激光脉宽n纳秒、平均次数m和测量长度l米，产生最大奇数阶2n+1<10l/n，最小
测量时间(2n+1)ml/10纳秒，这是单脉冲测量时间的2n+1倍，编码解调实质是以时间换空间方式提高动态范围和空间分辨率，s的可逆阵s
‑1＝(b
ij
)，当i＝j或i>j，j＝i
‑
1或i＝0，j＝2n时b
ij
＝(1
‑
n)/n，不满足上述条件时b
ij
＝1/n；b为s的逆矩阵。
[0045]
步骤二：计算机11执行测量程序时，对编码调制器12发出启动信号，编码调制器12依次输出矩阵s每行编码调制激光器13脉冲注入光纤环形器14和测试光纤10，测试光纤10上返回背散射光经过光纤环形器14进入探测器模块15，探测器模块15后接a/d模块16，a/d模块16与计算机11相连；编码调制器12依次输出矩阵s每行编码时输出同步电脉冲开启a/d模块16同步采集背散射瑞利光信息存储于a/d缓冲区中，流水线方式传入计算机11内存中，以矩阵为单位周期可多次循环进行数字平均；
[0046]
步骤三：计算机11执行程序获取数字平均的背散射瑞利光信息时，计算背向散射的瑞利光信息时利用s
‑1解出传感光纤上每点的背散射瑞利光信息，并判断是否有断纤或其他结构参数。
[0047]
编码解码对比一般意义上的数字平均的信噪比比较：
[0048]
传统单脉冲光时域反射仪累加平均测量2n+1次后得到的曲线的均方误差为而用2n+1阶s矩阵编码作为探测信号的光时域反射仪，每次发射编码包括了n个光脉冲，而不是1个光脉冲，其测量曲线的均方误差为由此可以得使用阶数为2n+1的s矩阵编码作为探测信号后，传感器检测信噪比与传统单脉冲经过2n+1次普通累加平均处理后得到的信噪比改善，即编码增益cg：
[0049][0050]
其中σ表示任一过程参数的平均值的分布或离散程度。此编码当阶数大于5的奇数阶时产生好的益处。
[0051]
光时域反射仪的散射原理:
[0052]
当入射激光i0与光纤分子产生线性相互作用而散射，其中一部分沿光纤信道返回，返回量i(l)(l是传感光纤长度)与入射光频率v的4次方成正比：
[0053][0054]
ζ是散射系数，f(z)是光纤链路参数。
[0055]
本申请的编码矩阵很容易产生。
[0056]
与传统的三种simplex,golay code,ccpons编码比较，编码矩阵容易产生，奇数阶比指数阶更容易设置，跨度不大。编码无连续码，始终是固定脉宽的激光单脉冲，空间分辨率最小且稳定。编码脉冲比单脉冲产生更高的增益，传感器信噪比得到改善，提高了传感器的动态范围和测量精度。
[0057]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本申请的原理，应被理解为本申请的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的
普通技术人员可以根据本申请公开的这些技术启示做出各种不脱离本申请实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本申请的保护范围内。