脉冲编码提高瑞利BOTDA系统动态范围

杨润润,李永倩,张立欣,李文敬

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003)

脉冲编码提高瑞利BOTDA系统动态范围

杨润润,李永倩,张立欣,李文敬

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003)

理论分析了瑞利BOTDA(布里渊光时域分析)传感系统的动态范围,提出了一种采用脉冲编码技术改善系统信噪比从而增大系统动态范围的方法。研究了瑞利BOTDA系统中格雷码和Simplex码的编码和解码原理,通过对瑞利BOTDA系统采用叠加平均法和脉冲编码法后信噪比改善量的分析对比,阐明了脉冲编码技术在增大瑞利BOTDA系统动态范围方面的优越性,并利用Matlab软件进行了仿真验证。仿真结果表明,该编码技术能够明显改善系统信噪比,增大系统的动态范围。关键词:瑞利布里渊光时域分析;动态范围;脉冲编码;叠加平均

0 引 言

基于BOTDA(布里渊光时域分析)[1]的分布式光纤传感系统是利用探测光和泵浦光的SBS(受激布里渊散射)[2]作用对探测光进行放大,其需要从光纤两端入射探测光和泵浦光,结构比较复杂[3]。1996年,Nikles M等利用光纤末端菲涅尔反射实现了BOTDA系统的单端工作[4],但由于反射率低及信号的来回衰减导致检测到的信号较弱,系统的SNR(信噪比)低;2011年,Cui Q等提出的瑞利BOTDA系统具有单光源、单端工作和非破坏的优点[5]。但由于瑞利BOTDA系统利用瑞利散射光作为探测光,因此存在探测光功率较低、信号小、噪声大、系统SNR低和动态范围小的缺点。

动态范围决定传感系统的测量距离,增大瑞利BOTDA系统动态范围的常用方法有叠加平均和增加信号功率等。叠加平均法由于重复采样耗时较多;而增加发射信号的能量可增大SNR,但是由于泵浦耗尽[6]及调制不稳定性的限制[7],入纤脉冲峰值功率不能过大,因此只能通过增加脉宽来增加信号的能量,而脉宽的增加会降低空间分辨率。为了解决上述问题,可对脉冲进行编码,实现动态范围的增大[8],且不会影响系统的空间分辨率。

本文提出了一种在瑞利BOTDA系统中采用脉冲编码改善系统SNR从而增大系统动态范围的方法。研究了格雷码和Simplex(后文简称S)码在瑞利BOTDA系统中的实现方法,通过对编码瑞利BOTDA系统的SNR改善量的分析,验证了脉冲编码技术在增大瑞利BOTDA系统动态范围方面的优越性,并通过仿真对比,分析了叠加平均法和脉冲编码法对系统SNR的影响。

1 脉冲编码瑞利BOTDA系统

1.1 基础理论

瑞利BOTDA系统中在检测端获得的瑞利散射光功率变化量ΔPCW_R与时间t及探测光、泵浦光光频差Δν的关系为

式中,PCW_R0(0)为距离z=0时,即入射端处检测到的无SBS效应的瑞利散射光功率。布里渊增益

G(t,Δν)可表示为

式中,νg为群速度;Δz为空间分辨率;gB(ξ,Δν)和PP(ξ,Δν)分别为光纤位置ξ处的布里渊增益系数和脉冲光功率。由上式可知,系统的布里渊增益主要取决于空间分辨率和泵浦光功率[9]。

1.2 格雷码瑞利BOTDA系统

格雷互补序列的构造方法如下:

式中,Ak、Bk(其中k取1,2,3…)是一对格雷互补序列,表示Bk的反码。格雷码具有以下性质:

式中,N为序列长度。采用偏置的方法将双极性的格雷码转化为适合在光纤中传输的单极性码,即将Ak和Bk分别分解成Uk、和Wk、,

可得:Ak=Uk―,Bk=Wk―。将Uk、和Wk、分别送入光纤,对探测到的4组后向散射信号进行处理,可得到光纤的传输特性hk,

式中,Xk为Uk和的探测信号分别与Ak进行相关运算并相减的结果;Yk为Wk和的探测信号分别与Bk进行相关运算并相减的结果;Zk为解码的最终结果。由以上分析可见,采用偏置的方法可将互补格雷码应用于瑞利BOTDA系统中。

1.3 S码瑞利BOTDA系统

S矩阵是由“1”和“0”构成的单极矩阵,这个矩阵可由哈达玛矩阵(下文简称H矩阵)转化得到。S矩阵中的每一行都是一组S码,该码型为适合在光纤中传输的单极性码。

假设ω1(t)为单脉冲光P1(t)经瑞利BOTDA系统得到的不含任何噪声的理想信号,经不同时延后输出的脉冲分别为P2(t)=P1(t―τ),P3(t)= P1(t―2τ)…,式中,τ为单脉冲光P1(t)的脉冲宽度。此时对应一系列新的理想检测信号为ω2(t)= ω1(t―τ),ω3(t)=ω1(t―2τ)…。引入N位S编码后,假定信号中各自包含的系统噪声为e1(t),e2(t)…,则经S编码后在光纤输出端检测到的光信号为η1(t),η2(t)…,ηN(t)[10],且有

最终通过系统解码得到的实际检测信号为

式中,S―1为S矩阵的逆矩阵。将所求结果做处理可得到系统最终的响应为

2 编码瑞利BOTDA系统动态范围

2.1 单脉冲瑞利BOTDA系统

瑞利BOTDA系统的动态范围为

式中,PCW为探测光功率;PP为泵浦光功率;β为布里渊增益因子;Ld为光电检测器的最小可探测功率;Lc为定向耦合损耗;SNIR为SNR改善量; SNRr为满足系统指标所需的最小SNR。本文采用叠加平均和脉冲编码的数字处理方式来提高瑞利BOTDA系统的SNIR,从而增大动态范围。

在采用叠加平均法处理信号的单脉冲瑞利BOTDA系统中,当平均次数M=2m时,系统的编码增益为

由上式可知,单脉冲瑞利BOTDA系统平均M=2m次时,SNIR增加1.5m d B。

2.2 格雷码瑞利BOTDA系统

在相同的时间内,N位格雷码瑞利BOTDA系

统比单脉冲瑞利BOTDA系统多平均4/N次,信号增强N/4,而噪声增强N/2。因此使用N位格雷码瑞利BOTDA系统的编码增益为

在相同测量时间内,采用N位格雷码的瑞利BOTDA系统的SNIR将比单脉冲瑞利BOTDA系统增加1.5 log2(dB),因此动态范围也会相应增大。

2.3 S码瑞利BOTDA系统

对于理想情况而言,假设接收机的带宽无限大,则系统的均方误差可简化为

在上式的计算中,假设式(10)中ei(t)是非相关零均值的随机噪声,且有E[ek(t)]=0,E[ek(t)el(t)]= 0(k≠l),E[ek(t)ek(t)]=σ2,则基于N位S码的瑞利BOTDA系统的编码增益为

3 仿真与分析

图1所示为单脉冲经过瑞利BOTDA系统后所得信号。由于系统必然存在噪声,仿真时等效为叠加一定功率的高斯白噪声。

为了便于比较平均之后的单脉冲瑞利BOTDA系统与采用格雷编码的瑞利BOTDA系统的时域信号波形,使其在同一个数量级上,需要将格雷码所得解码结果除以2N。平均8次和采用8位格雷码的瑞利BOTDA系统对比图如图2所示,可以看出两者的噪声与信号所呈现的比例大小基本相同。格雷编码的瑞利BOTDA系统只需要发送4组脉冲就可以得到相同的结果,而单脉冲瑞利BOTDA系统采用叠加平均法需要发射N次脉冲之后再进行平均,虽然两者结果的SNR基本相等,但前者比后者所用的测量时间要少。

图1 单脉冲经过瑞利BOTDA系统的时域信号

图2 叠加平均单脉冲与格雷编码瑞利BOTDA系统性能对比

平均7次和采用7位S编码之后的瑞利BOTDA系统的时域信号仿真波形对比图如图3所示,尽管单脉冲瑞利BOTDA系统信号叠加平均N次和N位S编码瑞利BOTDA系统发射脉冲的次数一致,但后者可以获得更高的系统SNR。

图3 叠加平均单脉冲与S编码瑞利BOTDA系统性能对比

为了验证SNR与编码长度之间的关系,图4所

示为码长分别为8和64 bit时格雷编码系统的输出信号,图5所示为码长分别为7和63 bit时S编码系统的输出信号。由图可知,增加编码长度后获得的系统SNR相较于短码长时获得的SNR有明显提高。图6所示为随着两种码型编码长度的变化,SNIR的变化趋势。由图可知,在一定的码长范围内,码长和动态范围成正比。

图4 不同码长格雷码瑞利BOTDA系统输出信号

图5 不同码长S码瑞利BOTDA系统输出信号

图6 格雷码和S码的SNIR与码长的关系

4 结束语

针对瑞利BOTDA系统探测光功率较低的问题,本文提出了一种采用脉冲编码改善系统SNR进而增大系统动态范围的方法。通过对系统SNIR的分析,从理论上证明了脉冲编码技术在不降低系统分辨率的前提下增大瑞利BOTDA系统动态范围的可行性,且增加编码长度可以进一步增大动态范围。通过仿真分析对比了叠加平均法和脉冲编码法对系统SNR的影响,验证了采用脉冲编码可以增大瑞利BOTDA系统的动态范围。

[1]Taki M,Muanenda Y S,Toccafondo I,et al.Optimized hybrid Raman/fast-BOTDA sensor for temperature and strain measurements in large infrastructures [J].IEEE Sens J,2014,14(12):4297―4304.

[2]Muanenda Y,Taki M,Nannipieri T,et al.Advanced coding techniques for long-range Raman/BOTDA distributed strain and temperature measurements[J].J Lightwave Technol,2015,30(21):1―9.

[3]Horiguchi T,Shimizu K,Kurashima T,et al.Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering[J].J Lightwave Technol,1995,19 (7):1296―1302.

[4]Nikles M,Thevenaz L,Robert P A.Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis[J].Opt Lett,1996,21(10):758―760.

[5]Cui Q,Pamukcu S,Lin A,et al.Distributed temperature sensing system based on Rayleigh scattering BOTDA[J].IEEE Sens J,2011,11(2):399―403.

[6]Diaz S,Mafang S F,Lopez-Amo M,et al.A high-performance optical time-domain Brillouin distributed fiber sensor[J].IEEE Sens J,2008,8(7):1268―1272.

[7]Alasia D,Gonzalez H M,Abrardi L,et al.Detrimental effect of modulation instability on distributed optical fiber sensors using stimulated Brillouin scattering [C]//Proc SPIE 2005.Bruges,Belgium:SPIE,2005,5855(1):587―590.

[8]Lee D,Yoon H,Kim Y N,et al.Analysis and experimental demonstration of simplex coding technique for SNR enhancement of OTDR[J].J Lightwave Technol,2004,10:118―122.

[9]Soto M A,Bolognini G,Pasquale F D.Simplex-coded BOTDA fiber sensor with 1 m spatial resolution over a 50 km range[J].Opt Lett,2010,35(2):259―261.

[10]Duckey L,Hosung Y,Pilhan K,et al.Optimization of SNR improvement in the noncoherent OTDR based on Simplex codes[J].Lightwave Technol,2006,24(1): 322―328.

Improving Dynamic Range of Pulse Coding Rayleigh BOTDA System

YANG Run-run,LI Yong-qian,ZHANG Li-xin,LI Wen-jing
(Department of Electronic and Communication Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The dynamic range of Rayleigh Brillouin Optical Time Domain Analysis(BOTDA)system is analyzed theoretically.A method using pulse coding is proposed to improve the signal-to-noise ratio and dynamic range of the system.The encoding and decoding principle of Simplex code and Golay code in Rayleigh BOTDA systemis introduced.Based on the analysis and comparison of signal-to-noise ratio improvement quantity using the method of superimposed averaging and pulse coding in Rayleigh BOTDA system,it is found that the pulse coding technology has more advantages in increasing dynamic range of the Rayleigh BOTDA system.The performance comparison is verified by using Matlab simulation.The simulation results show that the coding technology can significantly improve the signal-to-noise ratio as well as the dynamic range.

Rayleigh BOTDA;dynamic range;pulse coding;superimposed averaging

TN915

A

1005-8788(2016)06-0016-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.004

2016-05-09

河北省自然科学基金资助项目(F2014502098);国家自然科学基金资助项目(61377088)

杨润润(1991―),女,山西运城人。硕士研究生,主要研究方向为光通信与光传感技术。