[发明专利]基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。

背景技术

分布式光纤传感系统是一种用于连续测量光纤沿线任意位置温度、应变等物理量的传感系统，系统中的光纤既是光的传输介质同时也是传感载体，可实现长距离、大范围传感，是光纤传感的一个重要分支。在众多的分布式光纤传感系统中，基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(BOTDA)，由于其具有传感距离长、测量精度高以及空间分辨率高等优势，在通信光缆、油气管道及大型建筑物等的结构监测中有着广阔的应用前景。在BOTDA系统中，脉冲泵浦光和连续探测光分别从光纤两端注入，当这两者的频差处于布里渊增益范围内时，它们之间通过受激布里渊散射效应发生能量转移，在脉冲光注入端探测随时间变化的布里渊散射信号以获取温度、应变等信息。由于BOTDA系统采用脉冲时域定位技术，减小泵浦脉冲的宽度可提高系统空间分辨率，但当光脉冲宽度小于声子寿命时(～10ns)，光纤中不能建立起稳定的感应声场，这将导致布里渊增益减弱，系统的信噪比大大降低；而且随着泵浦脉冲变窄，布里渊增益谱会不断展宽，这将使得系统信噪比和测量精度下降。

由上述分析可知，传统的BOTDA系统中，空间分辨率和传感距离这两者之间相互制约，通过减小泵浦脉冲脉宽提高空间分辨率，会严重限制系统的传感距离。在保持空间分辨率不降低的前提下，为了增加系统的传感距离，通常需要提高泵浦脉冲的峰值功率以保持较高信噪比，但由于调制不稳定性、自相位调制等非线性效应的存在，脉冲光所允许的最大注入功率受到限制，传感距离的提升仍然十分有限。此外，在BOTDA系统中，光纤的固有损耗及泵浦消耗效应也会严重影响光纤末端的信噪比，进一步限制了传感距离的延伸。

研究者们提出了多种方法以增加BOTDA系统的传感距离。常见的技术包括脉冲编码(公开号：CN 102564481A，公开日：2012.07.11)、Raman远程分布式放大技术(专利号：201110340681.2)、随机激光法(公开号：CN 103376124A，公开日：2013.10.30)等。其中，Raman远程分布式放大技术可以在传感光纤中为布里渊泵浦光和探测光建立一个近似无损信道，实现100km以上的超长距离无中继传感，但该技术需在BOTDA的终端添加高功率Raman泵源，其相对强度噪声RIN通常较大，会导致BOTDA系统的强度噪声增大，对系统信噪比产生影响；随机激光法是近年来新提出的一种方法，具有结构简单、成本低等优势，适合用于长距离分布式光纤传感系统，实现真正意义上的低噪声分布式光放大，但其技术不够成熟，较少见于实际应用；脉冲编码技术不需要在原有系统中增加其他器件，不会增加系统的复杂度，技术成熟，且可以明显改善系统信噪比，因此近年来脉冲编码技术在长距离布里渊分布式传感领域得到了广泛应用。然而采用脉冲编码技术时，布里渊增益谱仍会随着泵浦脉宽变窄而不断展宽，导致系统的测量精度下降，这限制了脉冲编码对系统传感距离的提升效果。

发明内容

本发明针对现有BOTDA系统采用窄泵浦脉冲导致的布里渊增益减弱、系统信噪比恶化、传感距离受限以及布里渊增益谱展宽带来的系统测量精度下降的问题，提出了一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。

本发明基于以下原理：本发明将脉冲预泵浦技术和基于Golay码的脉冲编码技术相结合，利用一个高消光比的电光强度调制器(EOIM)产生所需的预泵浦脉冲序列，经过扰偏器、光放大器之后注入传感光纤，在脉冲光注入端探测布里渊散射信号，并采用基于相关运算的解码算法以获得原始的单脉冲响应信号。本发明中，脉冲预泵浦技术保证了窄脉冲条件下布里渊增益谱不展宽，而基于Golay码的脉冲编码技术则有效提高了系统的信噪比。本发明的技术目的是在保持BOTDA系统高空间分辨率的前提下，同时保证系统的传感距离和测量精度，提升BOTDA系统的传感性能。

本发明采用的技术方案为：