[發明專利]基于Bark序列的BOTDR系統及其長距離探測方法

有效

• 申請號: 201410182920.X
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103954378B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 李密;陳章;張旭蘋;陳海生;路元剛;焦文祥
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01B11/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 朱小兵

技術領域

本發明涉及一種基于Bark序列的BOTDR系統及其長距離探測方法，屬于分布式光纖傳感技術領域。

背景技術

基于布里淵散射的布里淵光時域反射計(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry,BOTDR)作為分布式光纖傳感器的一種，具有分辨率高、誤差小、傳感光纖布設簡單、成本低、容易實現。利用光纖中布里淵頻移與光纖某位置所受應變或溫度的關系，可用在電力行業，水利行業和土木建筑行業，建筑橋梁及其他混凝土結構裂變的監測，大型民用工程的結構健康監測，交通公路、地鐵隧道行業，石油天然氣行業故障點的檢測。當傳感光纖存在軸向應變或者溫度變化時，光纖中的背向布里淵散射光的頻率相對于注入的脈沖光頻率將發生頻移，布里淵散射光頻率的頻移量與光纖所受的軸向應變和溫度變化呈良好的線性關系。利用這一關系可以實現溫度和應變的傳感測量。

巴克序列(Barker Sequences)，是一種有限長的非周期序列信號單元，也稱其為Bark序列。巴克序列元素的取值為“+1”或者“-1”。巴克序列具有良好的自相關特性以及與其他普通序列良好的互相關性。它是信號設計中的優選信號單元之一，其應用十分廣泛。

傳統的BOTDR系統一般采用單脈沖直接探測的方法，系統的空間分辨率和動態范圍在一定程度上由脈沖的寬度決定。脈沖寬度較寬時，脈沖的總能量較大，可以得到較好的動態范圍，但是空間分辨率會下降，很難探測到較小事件點。而脈沖寬度較窄時，空間分辨率得到提升，由于脈沖自身能量下降，動態范圍降低。所以傳統的BOTDR系統在空間分辨率和動態范圍這兩個關鍵技術上是以一對矛盾。現有的基于編碼技術的BOTDR系統，如Gloay和Simplex技術在一定程度上可以解決空間分辨率和動態范圍之間的矛盾，但Gloay和Simplex技術沒有較好的峰平比，由于自發布里淵受激閾值的存在，使系統更加容易達到受激閾值，動態范圍并沒有得到較好提升。在實際工業應用中Gloay和Simplex技術在得到一組數據的時間和存儲空間開銷存在較大缺陷。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種基于Bark序列的BOTDR系統及其長距離探測方法，目的是利用Bark序列的自相關特性，并且通過相干掃頻的方式進行探測，獲取布里淵頻譜在光纖中的分布，利用溫度、應力與布里淵頻移關系來實現溫度和應力的傳感，在不降低系統的空間分辨率的條件下提高布里淵光纖傳感器的信噪比，從而提高探測距離。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種基于Bark序列的BOTDR系統長距離探測方法，包括以下步驟：

步驟A、將連續光分成一路作為探測光的連續光和另一路作為相干本振光的連續光；

步驟B、首先生成一組雙極性Brak序列，將所述雙極性Bark序列分成兩組單極性Bark序列；再對所述作為探測光的連續光利用一組單極性Bark序列控制電場進行光強度調制，調制后獲得一組單極性Bark序列的光脈沖信號；

步驟C、將所述單極性Bark序列的光脈沖信號放大后注入光纖,以獲得沿光纖分布的后向布里淵散射光信號；將根據作為相干本振光的連續光獲得的本振光信號與所述后向布里淵散射光信號耦合相干獲得布里淵散射光信號，經光電轉換得到布里淵散射電信號后，進行掃頻、濾波放大獲得后向布里淵散射電信號AH_k；

步驟D、將步驟B中另一組單極性Bark序列重復步驟B和步驟C，以獲得后向布里淵散射電信號NAH_k；

步驟E、將所得的后向布里淵散射電信號AH_k和NAH_k進行相關，獲得沿光纖分布的布里淵散射功率曲線；根據所述布里淵散射功率曲線獲取沿光纖分布每一點處的布里淵頻移，再根據布里淵頻移得到光纖周圍溫度或應變的變化。

進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：步驟E中對所述布里淵散射功率曲線進行尋峰獲取每一點處的布里淵頻移，具體為：

步驟E-1、將在所述布里淵散射功率曲線上取一段連續點的布里淵功率譜相加求平均，作為標準數據；

步驟E-2、將所述布里淵散射功率曲線上每一點處的布理淵功率譜與所得標準數據做相關運算，得到沿光纖每一點處的布理淵功率譜與標準數據的相關程度；

步驟E-3、選取所述相關運算結果中相關程度最高的點，即為每一點的布里淵頻移。