[发明专利]一种布里渊散射谱实时频谱分析装置及其数据处理方法

说明书

技术领域

本发明属于高速数据处理领域，涉及光纤传感技术，是一种基于布里渊散射效应的光时域反射计(BOTDR)的布里渊散射谱实时频谱分析装置及其数据处理方法。

背景技术

布里渊散射是光在光纤中传输过程中发生的一种非线性效应。布里渊散射是由光子与声子的相互作用产生的，其结果是散射光相对于入射光产生频移，频移的大小与材料的声速成正比，而声速与光纤应变或温度相关，典型的频移量约为几十吉赫兹。由于它的存在使光信号产生传输损耗，这对信号传输而言是不利的，但可以利用这种效应对光纤应变或温度的变化进行传感测量。利用这种原理可以制成基于布里渊散射效应的光时域反射计，用来测量光纤沿线的应变或温度分布。

目前对于BOTDR数据处理方法主要有两种：扫频的方式和基于FFT的时频转换方式。

1、扫频的方法。这种方法在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等文献中有详细描述。由于布里渊散射谱具有较大的半峰全宽(普通单模光纤的布里渊散射谱半峰全宽为几十MHZ)，这种方法按照一定的频率间隔，依次获得布里渊散射半峰全宽谱中各频率点对应的功率，再通过洛仑兹曲线拟合，得到整个传感光纤上的布里渊频移曲线。此外，由于布里渊散射信号十分微弱，所以需要通过对信号多次采样平均，以从噪声背景中恢复出布里渊散射信号。缩小扫频间隔和增加采样次数都能提高测量精度。但探测距离越长、扫频范围越宽、扫频间隔越小，所需的时间就越长。为此，基于频率扫描方法的BOTDR技术单次测量时间通常都在几分钟以上，难以对光纤状态进行快速传感测量。以100km长光纤、216次累加平均的测量为例，即使不考虑数据处理的时间，单个频点的测量时间约为65秒。由于布里渊频带的典型宽度为35～100MHz，取扫频步进为1MHz，则总测量时间约为2小时。此外，这种测量方法需要假定频谱的形状在整个测量时间中保持不变。实际上，由于对每一个频点的有效测量时间只占整个测量时间的1/100，在剩余的99/100的死区时间内往往会漏掉许多瞬变的信号，无法捕捉瞬变的频谱变化，因此，这种方法不具备实时性。一些改进的方案中使用高速数据采集卡实时采集布里渊信号的时域数据，但仍需要上传到计算机后进行数据处理，才能获得布里渊的频谱信息。

2、基于FFT的时频变换方式。在路元刚、张旭苹、窦蓉蓉、王峰《基于快速傅立叶变换的布里渊光时域反射测量方法》(专利号200710133453.1)中对这种方法进行了详细的阐述。这种方法的光路部分与扫频的方法没有太大的区别，仍然是把高频的布里渊散射谱的中心频率调整至低频，再进行数据的采集和处理的，采样频率f高于2倍宽带低通滤波器的带宽。不同的是时域采样信号被多次累加平均后，从头至尾被分成时长为W的若干个单元，每个单元有W×f个采样点，对每个单元都进行快速傅立叶变换后，将所得的布里渊散射谱进行洛伦兹拟合，得到各单元上的布里渊散射谱峰值对应的频率，根据前述对布里渊散射谱电信号中心频率的调整进行恢复，即得到整个光纤上每个单元的布里渊频移。这种方法可以大大减小数据处理的时间，但是这种方法仍然很依赖上位机(即计算机)的运算能力，具体操作时是把采集到的数据先完整地保存在上位机中，全部采集完成后，再进行FFT运算，如此操作仍然需要较长的测试时间，无法实时的分析数据，给出布里渊频谱。

发明内容

本发明要解决的问题是：目前对于BOTDR数据处理方法耗时长，不具备实时性，依赖上位机的处理能力进行数据分析处理，不能实时给出布里渊频谱，需要一种能够快速、实时的测绘BOTDR频谱图的实时频谱分析装置以及其数据处理方法。