[发明专利]基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用光纤中的自发布里渊散射效应进行温度和/或应力监测的分布式光纤传感方法和装置，属于传感技术领域。

背景技术

单频光脉冲在光纤中传输会产生自发布里渊散射光，其中一部分会沿光纤返回，该部分布里渊信号称为背向布里渊散射信号。布里渊信号呈洛伦兹形，在普通单模光纤中其3dB带宽为35MHz左右，频谱持续范围大于200MHz，因此布里渊散射信号也称为布里渊散射谱。光纤中的布里渊散射谱对光纤上散射位置处的温度和应力敏感，而且，温度和应力的变化会引起布里渊散射谱中心频率线性地移动，于是通过测量布里渊散射谱中心频率的变化量就可以间接地推断出光纤中散射位置处承受的温度和/或应力大小。

布里渊光时域反射仪就是利用自发布里渊散射效应和光时域反射技术来对被测光纤沿线所处的温度和应力进行分布式测量的重要装置。布里渊散射谱反映散射位置处的温度和应力信息，而光时域反射技术实现对散射点的定位。布里渊光时域反射仪实现对光纤沿线温度和应力的分布式测量的过程是这样的：首先将单频的探测光脉冲注入到被测光纤，探测光脉冲在被测光纤中传输的同时，其与被测光纤作用产生的背向布里渊散射信号沿光纤返回并与一单频本振光混合，二者相干后经光电探测器将布里渊谱转变成电频谱，而布里渊散射信号返回光纤入射端的时间对应散射点的位置；接着，利用扫频的方法提取布里渊电频谱中一些离散的频率点对应的光时域反射曲线；扫频方案使用频率可调的微波信号与布里渊电频谱相作用，从而提取出该频率点处的功率信息；最后，通过对所有的离散频率点对应的光时域反射曲线进行数据拟合就可以得到各个散射位置处的布里渊散射谱，于是通过相应算法找到布里渊谱的中心频率并对比原始的布里渊谱的中心频率就可以计算出两次测量前后光纤沿线各个位置处温度和应力的变化量。

目前，商用的布里渊光时域反射仪如AQ8603就是利用扫频的方式来提取布里渊散射谱的。扫频的方式存在着明显的缺点，不能满足对温度和应力的动态测量需求。这是因为，每个探测光脉冲周期内仅存在一个固定的微波频率用于对布里渊电频谱进行扫频，所以，要完整地提取出一个布里渊频谱则需要进行多次扫频，通常需要扫频5次。如果，考虑到布里渊光时域反射仪的量程的话，扫频的次数会成倍的增加。比如，温度在定标状态±50℃范围内变化，这样，对应的布里渊谱的中心频率的移动即布里渊频移约±50MHz。若扫频的频率间隔为5MHz，则需要进行20次扫频。为了获得更加准确的布里渊谱，扫频的频率间隔还应进一步减小以便于获得布里渊谱上的特征点，这样，扫频的次数还会继续增加，相应地，获得一次完整的布里渊谱的时间被延长。由于，扫频方式获得的离散的布里渊谱并不是从同一个布里渊谱上提取的，各个频率点存在时间次序，因此，使用扫频方式的布里渊光时域反射仪远远不能实现对温度和应力的动态测量。

发明内容

为了提升布里渊光时域反射仪的性能，本发明提出基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪方法和装置，发明内容如下：

基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的方法，所述方法包括：

将单频探测光脉冲注入到被测光纤，其在被测光纤中产生的自发布里渊散射信号沿光纤返回与一路单频本振光混合后经光电探测器将布里渊散射谱转变为电频谱；

利用高速数据采集硬件采集得到整个布里渊电频谱；

利用多通道数据并行处理技术快速提取出数字布里渊电频谱信号中各个离散频率通道的功率，每个频率通道对应一条探测曲线；

通过数据拟合算法得到布里渊谱的中心频率，对比被测光纤初始状态的布里渊谱的中心频率，计算出被测光纤沿线温度和/或应力信息。

基于并行数据处理技术的布里渊光时域反射仪的装置，所述装置包括：

光源模块，它分两部分，一路用作探测光，一路用作本振光；

单频探测光进入光脉冲调制模块被调制成探测光脉冲，单频本振光光路与相干探测模块连接；

调制模块，它由光脉冲调制器构成，将连续光调制成光脉冲；

光放大模块，它选用光放大器提升探测光脉冲的功率；

相干探测模块，它由一个50/50的X型耦合器和平衡光电探测器组成。探测光脉冲在被测光纤中的背向自发布里渊散射光沿光纤返回进入该50/50的X型耦合器的一输入端，而本振光接入此耦合器的另一输入端，该耦合器的两输出端接平衡光电探测器的两输入端，于是，背向自发布里渊散射光与本振光在相干探测模块混合并经光电探测器输出布里渊电频谱；

电信号放大模块，它选用低噪声放大器，对电信号进行放大以便高速数据采集模块精确地采集数据；