脉冲编码瑞利布里渊光时域分析温度传感技术

张立欣; 李永倩; 安琪; 李晓娟

doi:doi:10.3788/AOS201737.1106004

光学学报, 2017, 37 (11): 1106004, 网络出版: 2018-09-07

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Temperature Sensing Technology Based on Rayleigh Brillouin Optical Time Domain Analysis with Pulse Coding

论文大纲

张立欣李永倩 ^*安琪李晓娟

作者单位

华北电力大学电子与通信工程系, 河北保定 071003

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摘要

瑞利布里渊光时域分析系统(BOTDA)存在信号小、噪声大的问题,会导致系统空间分辨率与信噪比难以同时提高。将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,可在不降低空间分辨率的前提下有效地提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理,介绍了Golay互补序列的特性,并给出了单脉冲和编码脉冲系统的信噪比表达式;搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,测量了单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性及脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率和温度测量精度。实验结果表明,由瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010) MHz·℃ ^-1;当采用10 ns脉冲宽度、64 bit格雷编码时,在1.77 km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1 m、温度测量精度为1.39 ℃的传感测量。

Abstract

Spatial resolution and signal-to-noise ratio are difficult to be improved at the same time due to the small signal and big noise in Rayleigh Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) system. A technique of pulse coding is introduced into Rayleigh BOTDA system, and then the signal-to-noise ratio and Brillouin frequency shift measurement accuracy of the system can be improved effectively without decreasing spatial resolution. The principle of the temperature sensing system based on Rayleigh BOTDA is analyzed. The characteristic of Golay complementary sequence is introduced and the expressions of the signal-to-noise ratio between single pulse system and coded pulse system are achieved. Rayleigh BOTDA temperature sensing systems of single pulse and coded pulse are constructed. The temperature sensing characteristic of single pulse system and the spatial resolution and the accuracy of temperature measurement of coded pulse system are measured. The experimental results show that the Brillouin frequency shift obtained by the Rayleigh BOTDA system has a linear relationship with temperature, and the temperature coefficient is (1.109±0.010) MHz·℃ -1. The spatial resolution of 1 m and temperature accuracy of 1.39 ℃ are obtained on the heated section of 1.77 km fiber when Golay code is 64 bit and the pulse width is 10 ns.

1 引言

基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤温度与应变传感技术是一种新型传感技术^[1-2],具有一次测量可获取沿整个光纤被测场分布信息、精度高、定位准确、测量距离可达10⁵ m量级等优点^[3],在电力、石油、水利等行业的大型工程结构健康状况的在线监测和故障点定位中具有广阔的应用前景。

传统BOTDA系统需在光纤两端分别注入相向传输的抽运光和探测光,当抽运光与探测光的频率差为布里渊频移时,传感光纤中会出现受激布里渊散射(SBS)现象,通过直接检测经SBS作用后的探测光即可实现分布式温度/应变的测量。但是,传统BOTDA系统结构复杂,不适合用于大范围测量场合,且若光纤发生断裂便无法进行检测,可靠性低。因此,无需探测光支路、在光纤发生断裂时仍然能够进行检测的单端结构BOTDA系统以其独特的优势得到了广泛关注^[4-5]。

瑞利BOTDA系统^[4]是一种非破坏性的单端结构BOTDA传感系统,在传感光纤发生断裂时仍然能够进行检测。该系统以微波调制脉冲基底产生的背向瑞利散射光作为探测光,相对于传统BOTDA系统,探测光功率较小,SBS作用较小,存在信号小、噪声大的问题。增加脉冲宽度可增大信号强度,进而提高系统信噪比,但会降低系统空间分辨率,系统空间分辨率与信噪比相互制约,难以同时提高。脉冲编码技术^[6-8]可在不降低空间分辨率的前提下提高入纤功率,进而提高系统信噪比和测量精度;常用的编码序列为基于相关运算的序列和线性组合序列,其中最具代表性的相关运算序列和线性组合序列分别是Golay互补序列^[7]和Simplex序列^[8]。

针对空间分辨率与测量精度之间的矛盾,将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统中,首先分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理;接着分析了Golay互补序列的特性,并对比了单脉冲和编码脉冲瑞利BOTDA系统的信噪比;最后设计并搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,对瑞利BOTDA系统的温度传感特性进行测量,并在50 ℃温度下对脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统的性能进行分析。

2 理论分析

2.1 瑞利BOTDA温度传感系统原理

瑞利BOTDA温度传感系统原理示意图如图1所示, $\begin{matrix} I_{p}^{0} \end{matrix}$ 为脉冲抽运光在传感光纤z=0处的光强, $\begin{matrix} I_{b}^{0} \end{matrix}$ 为微波调制脉冲基底1阶边带在传感光纤z=0处的光强,I_R为微波调制脉冲基底1阶边带在传感光纤中产生的背向瑞利散射光的光强。经频率在布里渊频移附近的微波调制脉冲基底光和未经微波调制的传感脉冲光先后进入传感光纤,在光纤中,经微波调制的脉冲基底光的0阶基带通过电致伸缩效应预激发声波场,微波调制脉冲基底光的1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光,未经微波调制的脉冲光作为抽运光,两者在传感光纤中发生SBS作用,瑞利探测光经过SBS作用后会携带沿光纤分布的温度信息,因此,通过检测瑞利探测光相对抽运光的频移即可获得沿传感光纤长度分布的温度信息。

传感脉冲光与微波调制脉冲基底1阶边带产生的瑞利散射光之间的SBS作用可以由稳态耦合波方程组描述^[9],即

图 1. 瑞利BOTDA温度传感系统原理示意图

Fig. 1. Principle diagram of Rayleigh BOTDA temperature sensing system

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\begin{matrix} \begin{matrix} \frac{d I_{p}}{dz} = - g I_{R} I_{p} - α I_{p}, (1) \\ \frac{d I_{R}}{dz} = - g I_{R} I_{p} + α I_{R}, (2) \end{matrix} \end{matrix}

式中I_p为传感脉冲光强,α为光纤衰减系数,g为布里渊增益系数。

微波调制脉冲基底1阶边带在光纤某点(z处)的瑞利散射光强为在光纤中[z,L]范围内各点处产生的瑞利散射光强的叠加,可以表示为^[9]

\begin{matrix} I_{R} (z) = \frac{α_{s} S}{2 α} {I^{0}}_{b} {\exp (- αz) - \exp [- α (2 L - z)]}, (3) \end{matrix}

式中α_s为瑞利散射系数,S为背向瑞利散射光捕获系数,L为传感光纤长度。

在瑞利BOTDA传感系统中,传感光纤中发生的SBS作用会引起瑞利散射光功率变化,因此忽略光纤的损耗,在传感光纤始端检测到的散射光功率为

\begin{matrix} P_{R} (z, v) \approx \frac{α_{s} S A_{eff}}{2 α} {I^{0}}_{b} [1 - \exp (- 2 αL)] \exp [\int_{z}^{z} g (z', v) I_{p} (z', v) dz'], (4) \end{matrix}

式中A_eff为纤芯的有效面积;Δz为空间分辨率最小单元对应的光纤长度;v=v_s-v_p+v_B为包含布里渊频移v_B的失谐参量,v_s为探测光频率,v_p为抽运光频率。

使传感光纤保持松弛状态,可忽略应变对布里渊频移的影响,此时布里渊频移v_B与温度T的关系可以表示为^[10]

\begin{matrix} v_{B} = v_{B 0} + C_{vT} (T - T_{0}), (5) \end{matrix}

式中T₀为参考温度,C_v_T为布里渊频移的温度系数,v_B0为参考温度下的布里渊频移。

根据 (5) 式和v与v_B的关系,当光纤上的温度发生变化时,光纤的v_B会发生相应的变化,同时会引起P_R的变化,因此,通过测量散射功率谱即可实现对温度信息的检测。

2.2 Golay互补序列

Golay互补序列是两个由1和-1组成的序列组,设A_k、B_k为一对长度为N的Golay互补序列,根据互补序列的频域特性,它们自相关函数的和为单位冲击函数(δ函数)的整数倍,可以表示为^[11-12]

\begin{matrix} A_{k} \otimes A_{k} + B_{k} \otimes B_{k} = 2 N δ_{k}, δ_{k} = \{\begin{matrix} 1, & k = 0 \\ 0, & k \neq 0 \end{matrix}, (6) \end{matrix}

式中⊗为相关运算符号。

Golay互补序列为双极性互补序列,而在光纤传感系统中仅能传输单极性光脉冲信号,因此需要将双极性的互补序列转换成单极性的正脉冲进行传送。将A_k和B_k分别分解成编码脉冲U_k₁、U_k₂和W_k₁、W_k₂,则A_k、B_k可以表示为

\begin{matrix} A_{k} = U_{k 1} - U_{k 2}, B_{k} = W_{k 1} - W_{k 2}, (7) \end{matrix}

式中U_k₁= $\begin{matrix} \{\begin{matrix} 1, A_{k} = 1 \\ 0, A_{k} = - 1 \end{matrix} \end{matrix}$ ,U_k₂= $\begin{matrix} \{\begin{matrix} 0, A_{k} = 1 \\ 1, A_{k} = - 1 \end{matrix} \end{matrix}$ ,W_k₁= $\begin{matrix} \{\begin{matrix} 1, B_{k} = 1 \\ 0, B_{k} = - 1 \end{matrix} \end{matrix}$ ,W_k₂= $\begin{matrix} \{\begin{matrix} 0, B_{k} = 1 \\ 1, B_{k} = - 1 \end{matrix} \end{matrix}$ 。

由(7)式可知,Golay互补序列在光纤中传输时需转化为单极性正脉冲,因此为获得一组编码序列的实验结果需进行4次实验测量。

2.3 系统信噪比

由第2.1节的分析可知,单脉冲瑞利BOTDA传感系统获得的不含噪声的理想信号为P_R(z,v),P_R(z,v)不仅是v的函数,还是光纤位置z的函数,因此雪崩二极管(APD)探测器的输出光电流i(z,v)=MRP_R(z,v),其中M为APD探测器的平均倍增因子,R为APD探测器的响应度。为了简化计算,下述分析中不再写出变量v。考虑到探测器的噪声,可将APD探测器检测到的含噪声的光电流表示为

\begin{matrix} I (z) = i (z) + e_{s h} (z) + e_{t h}, (8) \end{matrix}

式中e_sh(z)和e_th分别为单脉冲瑞利BOTDA系统经APD探测器检测到的与散粒噪声和热噪声相关的电流波动。散粒噪声和热噪声均为不相关的零均值随机噪声,e_sh(z)和e_th的方差分别为 $\begin{matrix} σ_{s h}^{2} \end{matrix}$ =2qBF(M)MRP_R(z)和 $\begin{matrix} σ_{t h}^{2} \end{matrix}$ =4kTB/R_L,其中q为电子电荷,B为探测器的带宽,F(M)为探测器的过剩噪声系数,k为玻尔兹曼常数,R_L为探测器的负载电阻。

单脉冲瑞利BOTDA系统的信噪比可表示为

\begin{matrix} R_{SN} = \frac{[MR P_{R} {(z)]}^{2}}{4 kTB / R_{L} + 2 qBMRF (M) P_{R} (z)} 。 (9) \end{matrix}

U_k₁在瑞利BOTDA传感系统中产生的不含噪声的理想信号为C_Uk₁(z)= $\begin{matrix} \sum_{n}^{=} \end{matrix}$ U_k₁P_R(z-nV_gT_c/2),其中T_c为码元周期即传感脉冲宽度,N为Golay编码位数,V_g为光在光纤中传播的群速度,则APD探测器探测到的电流i_Uk₁(z)=MRC_Uk₁(z)。考虑到探测器的噪声,APD探测器检测到的含噪声的光电流可表示为

\begin{matrix} I_{Uk 1} (z) = i_{Uk 1} (z) + e_{Uk 1 s} (z) + e_{Uk 1 t}, (10) \end{matrix}

式中e_Uk_1s(z)和e_Uk_1t分别为脉冲编码瑞利BOTDA系统经APD探测器检测到的与散粒噪声和热噪声相关的电流波动,e_Uk_1s(z)和e_Uk_1t的方差分别为 $\begin{matrix} σ_{Uk 1 s}^{2} \end{matrix}$ =2qBMRF(M)K_Uk₁P_R(z)和 $\begin{matrix} σ_{Uk 1 t}^{2} \end{matrix}$ =4kTB/R_L,其中K_Uk₁为U_k₁序列中1的个数。

同理,可以得到U_k₂在瑞利BOTDA传感系统产生的经APD探测器探测到的含噪声的光电流为

\begin{matrix} I_{Uk 2} (z) = i_{Uk 2} (z) + e_{Uk 2 s} (z) + e_{Uk 2 t}, (11) \end{matrix}

式中e_Uk_2s(z)和e_Uk_2t分别为脉冲编码瑞利BOTDA系统经APD探测器检测到的与散粒噪声和热噪声相关的电流波动,e_Uk_2s(z)和e_Uk_2t的方差分别为 $\begin{matrix} σ_{Uk 2 s}^{2} \end{matrix}$ =2qBMRF(M)K_Uk₂P_R(z)和 $\begin{matrix} σ_{Uk 2 t}^{2} \end{matrix}$ =4kTB/R_L,其中K_Uk₂为U_k₂序列中1的个数。

经A_k序列编码后APD探测器检测到的含噪声的光电流为

\begin{matrix} \begin{matrix} I_{Ak} (z) = \\ I_{Uk 1} (z) - I_{Uk 2} (z) = i_{Uk 1} (z) + e_{Uk 1 s} (z) + e_{Uk 1 t} - i_{Uk 2} (z) - e_{Uk 2 s} (z) - e_{Uk 2 t} = \\ MR \sum_{n}^{=} A_{k} P_{R} (z - n V_{g} T_{c} / 2) + i_{As} (z) + i_{At}, (12) \end{matrix} \end{matrix}

式中i_A_s(z)=e_Uk_1s(z)-e_Uk_2s(z),i_A_t=e_Uk_1t-e_Uk_2t。i_A_s(z)和i_A_t的方差可以分别表示为 $\begin{matrix} σ_{As}^{2} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} σ_{Uk 1 s}^{2} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} σ_{Uk 2 s}^{2} \end{matrix}$ ≈2qBMRF(M)NP_R(z), $\begin{matrix} σ_{At}^{2} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} σ_{Uk 1 t}^{2} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} σ_{Uk 2 t}^{2} \end{matrix}$ =8kTB/R_L。

同理,经B_k序列编码后APD探测器检测到的含噪声的光电流为

\begin{matrix} I_{Bk} (z) = I_{Wk 1} (z) - I_{Wk 2} (z) = MR \sum_{n}^{=} B_{k} P_{R} (z - n V_{g} T_{c} / 2) + i_{Bs} (z) + i_{Bt}, (13) \end{matrix}

式中i_B_s(z)=e_Wk_1s(z)-e_Wk_2s(z),i_B_t=e_Wk_1t-e_Wk_2t,i_B_s(z)和i_B_t的方差可以分别表示为 $\begin{matrix} σ_{Bs}^{2} \end{matrix}$ (z)= $\begin{matrix} σ_{Wk 1 s}^{2} \end{matrix}$ (z)+ $\begin{matrix} σ_{Wk 2 s}^{2} \end{matrix}$ (z)≈2qBMRF(M)NP_R(z), $\begin{matrix} σ_{Bt}^{2} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} σ_{Wk 1 t}^{2} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} σ_{Wk 2 t}^{2} \end{matrix}$ =8kTB/R_L。

热噪声和散粒噪声均为不相关的零均值随机噪声,解码结果可表示为^[13]

\begin{matrix} X (z) = I_{Ak} (z) \otimes A_{k} (z) + I_{Bk} (z) \otimes B_{k} (z) = 2 NMR P_{R} (z, v) + 16 kTBN / R_{L} + 4 qBMF (M) R N^{2} P_{R} (z) 。 (14) \end{matrix}

因此,脉冲编码瑞利BOTDA系统的信噪比可以表示为

\begin{matrix} R_{SNC} = \frac{[2 NMR P_{R} {(z)]}^{2}}{16 kTBN / R_{L} + 4 qBMF (M) R N^{2} P_{R} (z)} 。 (15) \end{matrix}

3 实验及结果分析

3.1 实验系统

采用图2所示的瑞利BOTDA温度传感实验系统对单脉冲瑞利BOTDA温度传感系统的温度特性进行标定,并对脉冲编码瑞利BOTDA系统的性能进行测试。

图 2. 瑞利BOTDA温度传感实验系统

Fig. 2. Experimental system for Rayleigh BOTDA based temperature sensing

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中心波长为1550.12 nm、线宽为1.86 MHz的激光器光源的输出经耦合器1分成两路:一路经频率在光纤布里渊频移附近可调的微波信号发生器驱动的电光调制器1(EOM1)进行抑制载波的双边带调制,并以该双边带信号在光纤中产生的背向瑞利散射光作为系统的探测光;另一路进入任意波形发生器驱动的EOM2,EOM2对信号进行脉冲调制,产生的光脉冲用作系统的脉冲抽运光。两路光信号经耦合器2合成后由掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大,并由中心波长为1550.151 nm、带宽为0.25 nm的光栅滤波器1滤除自发辐射噪声,再经环行器、扰偏器(PS)后进入待测光纤(FUT)。探测光与抽运光在传感光纤中发生SBS,然后经中心波长为1550.362 nm、带宽为0.364 nm的光栅滤波器2滤除载波和反斯托克斯分量后进入APD探测器,APD探测器对携带SBS信息的作为斯托克斯分量的瑞利散射光信号进行直接强度检测,最后由示波器(OSC)进行数据显示和采集。

实验中,FUT由长度分别为70,800,900 m的3段G.652D标准单模光纤组成,总长度约为1.77 km,将长度为70 m的光纤置于恒温水浴中,进行温度控制。为了通过叠加平均提高系统的信噪比并缩短测量时间,选择抽运光脉冲的重复频率为50 kHz。

3.2 瑞利BOTDA系统温度传感特性

任意波形发生器输出单脉冲信号时,可进行瑞利BOTDA系统温度特性标定。设置传感脉冲宽度为100 ns、峰值功率为300 mW,微波调制脉冲基底功率为3 mW,在10.79~10.94 GHz范围内以步进5 MHz改变微波信号发生器的频率,以对光纤不同位置处的布里渊散射谱进行扫描测量;每次测量后,对探测光的时域波形进行10⁴次叠加平均。在20~80 ℃温度范围内对布里渊增益谱进行测量,并根据3次测量的实验结果对布里渊频移与温度的关系进行线性拟合,以得到瑞利BOTDA系统的布里渊频移对温度的依赖特性。布里渊频移与温度的关系曲线如图3所示,图中给出了3次测量平均后由布里渊增益谱得到的布里渊频移与温度的关系曲线。由图3可见,在20~80 ℃温度范围内,布里渊频移随温度的升高呈线性增加,布里渊频移的温度系数为1.109 MHz·℃^-1,且3次测量的拟合误差为0.010 MHz·℃^-1,与传统双端BOTDA技术测得的结果(1.200 MHz·℃^-1[12])具有良好的一致性。

由于100 ns脉冲宽度对应的系统空间分辨率为10 m,为了更好地与脉冲编码瑞利BOTDA传感系统的性能指标进行对比,将传感脉冲宽度减小至50 ns,此时环境温度为24.1 ℃,保持脉冲峰值功率为300 mW、微波调制脉冲基底功率为3 mW不变。将恒温水浴温度调整为50 ℃,在10.78~10.92 GHz范围内以5 MHz步进改变微波信号发生器的频率,每次测量对探测光的时域波形进行10⁴次叠加平均。取780~880 m光纤上的散射谱测量数据进行洛伦兹拟合,得到的加温段布里渊频移分布如图4所示,由图4可见,采用50 ns脉冲宽度时的空间分辨率约为5 m,加温段的布里渊频移约为10.859 GHz,频移波动约为8.91 MHz。

图 3. 布里渊频移与温度的关系

Fig. 3. Brillouin frequency shift versus temperature

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图 4. 加温段布里渊频移分布

Fig. 4. Brillouin frequency shift distribution along heated section

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3.3 脉冲编码瑞利BOTDA温度传感

任意波形发生器输出编码脉冲信号时可进行脉冲编码瑞利BOTDA温度传感测量,设置编码脉冲宽度为10 ns,Golay编码位数为64,峰值功率为150 mW,微波调制脉冲基底功率为2.5 mW,在10.78~10.92 GHz范围内以步进5 MHz改变微波信号发生器的频率,以便对光纤不同位置处的布里渊散射谱进行扫描测量。每次测量对探测光的时域波形进行1000次叠加平均。

设定恒温水浴温度为50 ℃,对布里渊增益谱进行测量可以得到整条光纤上的温度信息,取780~880 m光纤上的散射谱测量数据进行洛伦兹拟合,可得加温段光纤的布里渊频移和功率分布如图5所示,此时的环境温度为25.9 ℃。从图 5(a)中可以看出,光纤未加温部分的布里渊频移约为10.836 GHz,加温段光纤的布里渊频移约为10.861 GHz,频移波动约为1.54 MHz,空间分辨率约为1 m,由温度测量精度与布里渊频移测量精度的关系公式ΔT=δv_B/C_v_T可知,布里渊频移温度系数仅与光纤材料特性和光波长有关,并且已由第3.2节获得C_v_T=(1.109±0.010) MHz·℃^-1,因此可以得到加温段的温度测量精度约为1.39 ℃。

图 5. 加温段光纤的(a)布里渊频移和(b)功率分布

Fig. 5. (a) Brillouin frequency shift and (b) power distribution along heated section

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在加温段光纤的820 m处对测量数据进行洛伦兹拟合,得到光纤820 m处的布里渊增益谱如图6所示,由图6可见,此位置处的v_B约为10.862 GHz,测量值相对于拟合值的均方根误差为0.87722 MHz,布里渊谱宽Δv_B=26.7 MHz;布里渊增益谱的自然线宽约为30~40 MHz,而加温会引起布里渊谱宽的下降^[14],因此在加温段获得的布里渊谱宽小于自然线宽是合理的。对光纤加温段中间3 m (约820~823 m)长度上的布里渊功率进行线性拟合,可得到测量值相对于拟合值的均方根误差σ²=0.01046,即R_SNC=P/σ²=95.603,其中P为拟合后的归一化布里渊功率平均值(近似为1)。根据布里渊频移测量精度公式δv_B=Δv_B/(4R_SNC)^1/4可得布里渊频移测量精度为6.038 MHz,再依据温度测量精度与布里渊频移测量精度的关系公式ΔT=δv_B/C_v_T和 C_v_T=(1.109±0.010) MHz·℃^-1,可以得到温度测量精度约为5.45 ℃。

图 6. 光纤820 m处的布里渊增益谱

Fig. 6. Brillouin gain spectrum at position of 820 m of fiber

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3.4 分析与讨论

在瑞利BOTDA温度传感系统中,将微波调制脉冲基底光在光纤中产生的背向瑞利散射光作为探测光,但探测光功率很小,存在信号小、噪声大的问题,从而会限制系统的传感距离。在单脉冲下,通过增加脉冲宽度可增加信号强度并提高测量精度,但同时伴随着空间分辨率的降低。由第3.2节的分析可知,采用50 ns传感脉冲宽度时,对应的空间分辨率为5 m,根据加温段布里渊频移的分布情况可以看出,此时布里渊频移波动较大,系统信噪比和布里渊频移的测量精度低。若进一步减小传感脉冲宽度,则会导致系统信噪比和频移测量精度降低,难以有效地提取布里渊频移信息。因此,在不依靠其他性能提升手段的情况下,单脉冲瑞利BOTDA系统难以实现高性能的传感测量。

脉冲编码技术作为提升系统信噪比的有效技术手段,已广泛应用于BOTDA和布里渊光时域反射系统中,在第3.3节中,利用传感脉冲宽度为10 ns、编码序列为64位的Golay编码,可达到的空间分辨率为1 m,根据布里渊频移波动[图5(a)]和功率分布[图5(b)],获得的温度测量精度分别为1.39 ℃和5.45 ℃。得到的两种温度测量精度差别较大的原因在于布里渊散射功率受相干噪声、偏振噪声等乘性噪声的影响较大,布里渊散射功率起伏较大,因此在布里渊传感技术中普遍依据布里渊频移值来获取温度值。通过上述实验结果可以看出,脉冲编码瑞利BOTDA系统性能可提高系统空间分辨率,且布里渊频移波动远小于50 ns单脉冲系统中的频移波动,因此脉冲编码瑞利BOTDA系统较单脉冲系统性能有了很大的提升。虽然第3.1节中实验系统使用的传感光纤长度仅为1.77 km,但通过增大编码位数及调整系统参数可增加传感距离,从而实现长距离传感。

4 结论

针对瑞利BOTDA系统存在的信号小、噪声大的问题,将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,分析了瑞利BOTDA温度传感系统的工作原理,并对Golay互补序列及单脉冲和编码脉冲系统的信噪比进行分析;设计并搭建了单脉冲和脉冲编码的瑞利BOTDA温度传感系统,分别对单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性和脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率、温度测量精度等性能进行了测试。结果表明,在20~80 ℃温度范围内,瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010) MHz·℃^-1;传感脉冲宽度为10 ns时,使用64位Golay编码的条件下,脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统在1.77 km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1 m、温度测量精度为1.39 ℃的传感测量。研究结果表明,脉冲编码技术可有效地提高瑞利BOTDA系统的性能,并为实现非破坏性的单端BOTDA长距离传感提供了理论和实验依据。

参考文献

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[2] Hu J H, Zhang X P, Yao Y G, et al. A BOTDA with break interrogation function over 72 km sensing length[J]. Optics Express, 2013, 21(1): 145-153.

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1 引言

2 理论分析

2.1 瑞利BOTDA温度传感系统原理

图 1. 瑞利BOTDA温度传感系统原理示意图

Fig. 1. Principle diagram of Rayleigh BOTDA temperature sensing system

2.2 Golay互补序列

2.3 系统信噪比

3 实验及结果分析

3.1 实验系统

图 2. 瑞利BOTDA温度传感实验系统

Fig. 2. Experimental system for Rayleigh BOTDA based temperature sensing

3.2 瑞利BOTDA系统温度传感特性

图 3. 布里渊频移与温度的关系

Fig. 3. Brillouin frequency shift versus temperature

图 4. 加温段布里渊频移分布

Fig. 4. Brillouin frequency shift distribution along heated section

3.3 脉冲编码瑞利BOTDA温度传感

图 5. 加温段光纤的(a)布里渊频移和(b)功率分布

Fig. 5. (a) Brillouin frequency shift and (b) power distribution along heated section

图 6. 光纤820 m处的布里渊增益谱

Fig. 6. Brillouin gain spectrum at position of 820 m of fiber

3.4 分析与讨论

4 结论

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1 引言

2 理论分析

2.1 瑞利BOTDA温度传感系统原理

图 1. 瑞利BOTDA温度传感系统原理示意图

Fig. 1. Principle diagram of Rayleigh BOTDA temperature sensing system

2.2 Golay互补序列

2.3 系统信噪比

3 实验及结果分析

3.1 实验系统

图 2. 瑞利BOTDA温度传感实验系统

Fig. 2. Experimental system for Rayleigh BOTDA based temperature sensing

3.2 瑞利BOTDA系统温度传感特性

图 3. 布里渊频移与温度的关系

Fig. 3. Brillouin frequency shift versus temperature

图 4. 加温段布里渊频移分布

Fig. 4. Brillouin frequency shift distribution along heated section

3.3 脉冲编码瑞利BOTDA温度传感

图 5. 加温段光纤的(a)布里渊频移和(b)功率分布

Fig. 5. (a) Brillouin frequency shift and (b) power distribution along heated section

图 6. 光纤820 m处的布里渊增益谱

Fig. 6. Brillouin gain spectrum at position of 820 m of fiber

3.4 分析与讨论

4 结论

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