[发明专利]基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪及其实现方法

说明书

本发明涉及一种基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪,该反射仪包括输入光产生单元(1)、保偏分束器(2)、编码序列调制单元(3)、环形器(4)、待测光纤(5)、零差移频器(6)、偏振控制单元(7)、探测单元(8)及信号解调单元(9)；同时还公开了基于Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的方法。本发明探测单元使用了I/Q解调系统，可以用精炼的结构实时有效地还原真实后向瑞利散射光的全部光场信息尤其是绝对相位信息；其本振光增益使得解调光纤尾端的极弱信号成为了可能，所以此系统有助于延长系统的传感距离。

技术领域

本发明涉及相位敏感型光时域反射仪，属于光纤测量与传感领域，更具体地说，本发明涉及一种新的基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪，以及基于Golay互补序列实现相位敏感型光时域反射仪的方法。

背景技术

分布式光纤传感(DFOS)在现代社会中有着极为广泛的运用，尤其在石油传输、电力监测、大型结构安全以及国境安防等领域占有非常重要的地位。分布式光纤传感的基本原理为外界环境因素的改变，诸如温度、振动等，导致光纤本身的特性如折射率发生改变，进而影响到光纤中传输光场，并且改变光纤中的散射光场。因此，通过检测散射光(瑞利散射光、布里渊散射光或者拉曼散射光)的特性，可以得到光纤受影响的位置，甚至于可以还原外界温度场或振动场。

相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)是分布式光纤传感领域发展最为迅猛的分支之一，不仅仅因其具备分布式光纤传感器都具备的高精度、高空间分辨率、鲁棒性以及对外界电磁环境不敏感等特点，还因其结构精炼、可单端测量，以及具备还原外界振动场的能力而广受关注。Φ-OTDR最为重要的运用之一为分布式声波传感(DAS)系统，即根据Φ-OTDR可以还原外界振动场的能力进行分布式监听，其在地震监测、高铁测速等领域具有极为巨大的应用前景。

Φ-OTDR的原理如下：当相干光源输出的窄脉冲进入待测光纤后，其沿光纤后向瑞利散射光(瑞利光)不断返回输入端(0点)；在某一个特定时刻光纤上长度为半个脉冲宽度的瑞利光在0点发生相干，最终输出系统；若外界振动场发生改变，其频率和幅值与瑞利光两点(一点位于扰动影响之前，另一点需经过扰动位置)之间的相位差成正比；因此可以通过解调传感系统的相位来还原外界振动场。从Φ-OTDR的原理可以看出，此系统的空间分辨率为半个脉冲宽度；且系统具有高度实时性，可以通过不断打入脉冲实现动态测量。

但是，现有的Φ-OTDR具有一定的局限性。更高的输入脉冲峰值功率一般会带来更高的传感信号信噪比，但是，高的脉冲峰值功率会造成光纤非线性现象的产生会使导致信号损伤，因此输入脉冲的峰值功率需受到限制；而系统要实现高空间分辨率则不可以使得脉冲宽度过大。上述两点缺陷是实现长距离Φ-OTDR实时测量需解决的关键问题。增加平均次数可以在一定程度上使得传感信号的信噪比提高，从而延长传感距离；但是，平均次数过多会牺牲实时性，使得最大可探测频率下降，这就突出了光脉冲编码技术在长距离Φ-OTDR系统中应用的必要性。

Golay(戈利)互补序列是相关码的一种，在通信领域与传感领域均用重要运用。该码的特点在于运用码字之间的相关性求出单脉冲的响应。Golay互补序列是双极性码，即由“+1”与“-1”组成；Golay互补序列包含两行，每一行的码字长度N需为2的正幂次方。设两行Golay互补序列为A和B。Golay互补序列符合如式(1)所示的相关特性。

式(1)中的“⊕”表示自相关运算，N为单行码字长度；k表示进行相关运算时的移位位数，且|k|≤N。δ(y)表示单位冲击函数，其表达式如式(2)所述。

由式(1)可以看出，Golay互补序列的两行码字做相关运算之后会得到单位冲击函数的倍数；又因为δ函数与任何函数卷积都等于函数自身，若某一系统可以写为卷积形式，即线性系统，则此系统可以使用Golay互补序列进行编码。