[發明專利]一種布里淵散射譜實時頻譜分析裝置及其數據處理方法

無效

• 申請號: 201010152616.2
• 申請日: 2010-04-22
• 公開（公告）號: CN101813497A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 張旭蘋;王順;張益昕;朱帆
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D5/26;G01J3/28
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 周靜

技術領域

本發明屬于高速數據處理領域，涉及光纖傳感技術，是一種基于布里淵散射效應的光時域反射計(BOTDR)的布里淵散射譜實時頻譜分析裝置及其數據處理方法。

背景技術

布里淵散射是光在光纖中傳輸過程中發生的一種非線性效應。布里淵散射是由光子與聲子的相互作用產生的，其結果是散射光相對于入射光產生頻移，頻移的大小與材料的聲速成正比，而聲速與光纖應變或溫度相關，典型的頻移量約為幾十吉赫茲。由于它的存在使光信號產生傳輸損耗，這對信號傳輸而言是不利的，但可以利用這種效應對光纖應變或溫度的變化進行傳感測量。利用這種原理可以制成基于布里淵散射效應的光時域反射計，用來測量光纖沿線的應變或溫度分布。

目前對于BOTDR數據處理方法主要有兩種：掃頻的方式和基于FFT的時頻轉換方式。

1、掃頻的方法。這種方法在K.Shimizu，T.Horiguchi，Y.Koyamada?and?T.Kurashima，《Coherent?self-heterodyne?Brillouin?OTDR?for?measurement?of?Brillouin?frequency?shiftdistribution?in?optical?fibers》，Journal?of?Lightwave?Technology，Vol.12，No.5，pp.730-736，1994等文獻中有詳細描述。由于布里淵散射譜具有較大的半峰全寬(普通單模光纖的布里淵散射譜半峰全寬為幾十MHZ)，這種方法按照一定的頻率間隔，依次獲得布里淵散射半峰全寬譜中各頻率點對應的功率，再通過洛侖茲曲線擬合，得到整個傳感光纖上的布里淵頻移曲線。此外，由于布里淵散射信號十分微弱，所以需要通過對信號多次采樣平均，以從噪聲背景中恢復出布里淵散射信號?？s小掃頻間隔和增加采樣次數都能提高測量精度。但探測距離越長、掃頻范圍越寬、掃頻間隔越小，所需的時間就越長。為此，基于頻率掃描方法的BOTDR技術單次測量時間通常都在幾分鐘以上，難以對光纖狀態進行快速傳感測量。以100km長光纖、216次累加平均的測量為例，即使不考慮數據處理的時間，單個頻點的測量時間約為65秒。由于布里淵頻帶的典型寬度為35～100MHz，取掃頻步進為1MHz，則總測量時間約為2小時。此外，這種測量方法需要假定頻譜的形狀在整個測量時間中保持不變。實際上，由于對每一個頻點的有效測量時間只占整個測量時間的1/100，在剩余的99/100的死區時間內往往會漏掉許多瞬變的信號，無法捕捉瞬變的頻譜變化，因此，這種方法不具備實時性。一些改進的方案中使用高速數據采集卡實時采集布里淵信號的時域數據，但仍需要上傳到計算機后進行數據處理，才能獲得布里淵的頻譜信息。

2、基于FFT的時頻變換方式。在路元剛、張旭蘋、竇蓉蓉、王峰《基于快速傅立葉變換的布里淵光時域反射測量方法》(專利號200710133453.1)中對這種方法進行了詳細的闡述。這種方法的光路部分與掃頻的方法沒有太大的區別，仍然是把高頻的布里淵散射譜的中心頻率調整至低頻，再進行數據的采集和處理的，采樣頻率f高于2倍寬帶低通濾波器的帶寬。不同的是時域采樣信號被多次累加平均后，從頭至尾被分成時長為W的若干個單元，每個單元有W×f個采樣點，對每個單元都進行快速傅立葉變換后，將所得的布里淵散射譜進行洛倫茲擬合，得到各單元上的布里淵散射譜峰值對應的頻率，根據前述對布里淵散射譜電信號中心頻率的調整進行恢復，即得到整個光纖上每個單元的布里淵頻移。這種方法可以大大減小數據處理的時間，但是這種方法仍然很依賴上位機(即計算機)的運算能力，具體操作時是把采集到的數據先完整地保存在上位機中，全部采集完成后，再進行FFT運算，如此操作仍然需要較長的測試時間，無法實時的分析數據，給出布里淵頻譜。

發明內容

本發明要解決的問題是：目前對于BOTDR數據處理方法耗時長，不具備實時性，依賴上位機的處理能力進行數據分析處理，不能實時給出布里淵頻譜，需要一種能夠快速、實時的測繪BOTDR頻譜圖的實時頻譜分析裝置以及其數據處理方法。