脈沖編碼提高瑞利BOTDA系統動態范圍

楊潤潤,李永倩,張立欣,李文敬

(華北電力大學電子與通信工程系,河北保定 071003)

脈沖編碼提高瑞利BOTDA系統動態范圍

楊潤潤,李永倩,張立欣,李文敬

(華北電力大學電子與通信工程系,河北保定 071003)

理論分析了瑞利BOTDA(布里淵光時域分析)傳感系統的動態范圍,提出了一種采用脈沖編碼技術改善系統信噪比從而增大系統動態范圍的方法。研究了瑞利BOTDA系統中格雷碼和Simplex碼的編碼和解碼原理,通過對瑞利BOTDA系統采用疊加平均法和脈沖編碼法后信噪比改善量的分析對比,闡明了脈沖編碼技術在增大瑞利BOTDA系統動態范圍方面的優越性,并利用Matlab軟件進行了仿真驗證。仿真結果表明,該編碼技術能夠明顯改善系統信噪比,增大系統的動態范圍。關鍵詞:瑞利布里淵光時域分析;動態范圍;脈沖編碼;疊加平均

0 引 言

基于BOTDA(布里淵光時域分析)[1]的分布式光纖傳感系統是利用探測光和泵浦光的SBS(受激布里淵散射)[2]作用對探測光進行放大,其需要從光纖兩端入射探測光和泵浦光,結構比較復雜[3]。1996年,Nikles M等利用光纖末端菲涅爾反射實現了BOTDA系統的單端工作[4],但由于反射率低及信號的來回衰減導致檢測到的信號較弱,系統的SNR(信噪比)低;2011年,Cui Q等提出的瑞利BOTDA系統具有單光源、單端工作和非破壞的優點[5]。但由于瑞利BOTDA系統利用瑞利散射光作為探測光,因此存在探測光功率較低、信號小、噪聲大、系統SNR低和動態范圍小的缺點。

動態范圍決定傳感系統的測量距離,增大瑞利BOTDA系統動態范圍的常用方法有疊加平均和增加信號功率等。疊加平均法由于重復采樣耗時較多;而增加發射信號的能量可增大SNR,但是由于泵浦耗盡[6]及調制不穩定性的限制[7],入纖脈沖峰值功率不能過大,因此只能通過增加脈寬來增加信號的能量,而脈寬的增加會降低空間分辨率。為了解決上述問題,可對脈沖進行編碼,實現動態范圍的增大[8],且不會影響系統的空間分辨率。

本文提出了一種在瑞利BOTDA系統中采用脈沖編碼改善系統SNR從而增大系統動態范圍的方法。研究了格雷碼和Simplex(后文簡稱S)碼在瑞利BOTDA系統中的實現方法,通過對編碼瑞利BOTDA系統的SNR改善量的分析,驗證了脈沖編碼技術在增大瑞利BOTDA系統動態范圍方面的優越性,并通過仿真對比,分析了疊加平均法和脈沖編碼法對系統SNR的影響。

1 脈沖編碼瑞利BOTDA系統

1.1 基礎理論

瑞利BOTDA系統中在檢測端獲得的瑞利散射光功率變化量ΔPCW_R與時間t及探測光、泵浦光光頻差Δν的關系為

式中,PCW_R0(0)為距離z=0時,即入射端處檢測到的無SBS效應的瑞利散射光功率。布里淵增益

G(t,Δν)可表示為

式中,νg為群速度;Δz為空間分辨率;gB(ξ,Δν)和PP(ξ,Δν)分別為光纖位置ξ處的布里淵增益系數和脈沖光功率。由上式可知,系統的布里淵增益主要取決于空間分辨率和泵浦光功率[9]。

1.2 格雷碼瑞利BOTDA系統

格雷互補序列的構造方法如下:

式中,Ak、Bk(其中k取1,2,3…)是一對格雷互補序列,表示Bk的反碼。格雷碼具有以下性質:

式中,N為序列長度。采用偏置的方法將雙極性的格雷碼轉化為適合在光纖中傳輸的單極性碼,即將Ak和Bk分別分解成Uk、和Wk、,

可得:Ak=Uk―,Bk=Wk―。將Uk、和Wk、分別送入光纖,對探測到的4組后向散射信號進行處理,可得到光纖的傳輸特性hk,

式中,Xk為Uk和的探測信號分別與Ak進行相關運算并相減的結果;Yk為Wk和的探測信號分別與Bk進行相關運算并相減的結果;Zk為解碼的最終結果。由以上分析可見,采用偏置的方法可將互補格雷碼應用于瑞利BOTDA系統中。

1.3 S碼瑞利BOTDA系統

S矩陣是由“1”和“0”構成的單極矩陣,這個矩陣可由哈達瑪矩陣(下文簡稱H矩陣)轉化得到。S矩陣中的每一行都是一組S碼,該碼型為適合在光纖中傳輸的單極性碼。

假設ω1(t)為單脈沖光P1(t)經瑞利BOTDA系統得到的不含任何噪聲的理想信號,經不同時延后輸出的脈沖分別為P2(t)=P1(t―τ),P3(t)= P1(t―2τ)…,式中,τ為單脈沖光P1(t)的脈沖寬度。此時對應一系列新的理想檢測信號為ω2(t)= ω1(t―τ),ω3(t)=ω1(t―2τ)…。引入N位S編碼后,假定信號中各自包含的系統噪聲為e1(t),e2(t)…,則經S編碼后在光纖輸出端檢測到的光信號為η1(t),η2(t)…,ηN(t)[10],且有

最終通過系統解碼得到的實際檢測信號為

式中,S―1為S矩陣的逆矩陣。將所求結果做處理可得到系統最終的響應為

2 編碼瑞利BOTDA系統動態范圍

2.1 單脈沖瑞利BOTDA系統

瑞利BOTDA系統的動態范圍為

式中,PCW為探測光功率;PP為泵浦光功率;β為布里淵增益因子;Ld為光電檢測器的最小可探測功率;Lc為定向耦合損耗;SNIR為SNR改善量; SNRr為滿足系統指標所需的最小SNR。本文采用疊加平均和脈沖編碼的數字處理方式來提高瑞利BOTDA系統的SNIR,從而增大動態范圍。

在采用疊加平均法處理信號的單脈沖瑞利BOTDA系統中,當平均次數M=2m時,系統的編碼增益為

由上式可知,單脈沖瑞利BOTDA系統平均M=2m次時,SNIR增加1.5m d B。

2.2 格雷碼瑞利BOTDA系統

在相同的時間內,N位格雷碼瑞利BOTDA系

統比單脈沖瑞利BOTDA系統多平均4/N次,信號增強N/4,而噪聲增強N/2。因此使用N位格雷碼瑞利BOTDA系統的編碼增益為

在相同測量時間內,采用N位格雷碼的瑞利BOTDA系統的SNIR將比單脈沖瑞利BOTDA系統增加1.5 log2(dB),因此動態范圍也會相應增大。

2.3 S碼瑞利BOTDA系統

對于理想情況而言,假設接收機的帶寬無限大,則系統的均方誤差可簡化為

在上式的計算中,假設式(10)中ei(t)是非相關零均值的隨機噪聲,且有E[ek(t)]=0,E[ek(t)el(t)]= 0(k≠l),E[ek(t)ek(t)]=σ2,則基于N位S碼的瑞利BOTDA系統的編碼增益為

3 仿真與分析

圖1所示為單脈沖經過瑞利BOTDA系統后所得信號。由于系統必然存在噪聲,仿真時等效為疊加一定功率的高斯白噪聲。

為了便于比較平均之后的單脈沖瑞利BOTDA系統與采用格雷編碼的瑞利BOTDA系統的時域信號波形,使其在同一個數量級上,需要將格雷碼所得解碼結果除以2N。平均8次和采用8位格雷碼的瑞利BOTDA系統對比圖如圖2所示,可以看出兩者的噪聲與信號所呈現的比例大小基本相同。格雷編碼的瑞利BOTDA系統只需要發送4組脈沖就可以得到相同的結果,而單脈沖瑞利BOTDA系統采用疊加平均法需要發射N次脈沖之后再進行平均,雖然兩者結果的SNR基本相等,但前者比后者所用的測量時間要少。

圖1 單脈沖經過瑞利BOTDA系統的時域信號

圖2 疊加平均單脈沖與格雷編碼瑞利BOTDA系統性能對比

平均7次和采用7位S編碼之后的瑞利BOTDA系統的時域信號仿真波形對比圖如圖3所示,盡管單脈沖瑞利BOTDA系統信號疊加平均N次和N位S編碼瑞利BOTDA系統發射脈沖的次數一致,但后者可以獲得更高的系統SNR。

圖3 疊加平均單脈沖與S編碼瑞利BOTDA系統性能對比

為了驗證SNR與編碼長度之間的關系,圖4所

示為碼長分別為8和64 bit時格雷編碼系統的輸出信號,圖5所示為碼長分別為7和63 bit時S編碼系統的輸出信號。由圖可知,增加編碼長度后獲得的系統SNR相較于短碼長時獲得的SNR有明顯提高。圖6所示為隨著兩種碼型編碼長度的變化,SNIR的變化趨勢。由圖可知,在一定的碼長范圍內,碼長和動態范圍成正比。

圖4 不同碼長格雷碼瑞利BOTDA系統輸出信號

圖5 不同碼長S碼瑞利BOTDA系統輸出信號

圖6 格雷碼和S碼的SNIR與碼長的關系

4 結束語

針對瑞利BOTDA系統探測光功率較低的問題,本文提出了一種采用脈沖編碼改善系統SNR進而增大系統動態范圍的方法。通過對系統SNIR的分析,從理論上證明了脈沖編碼技術在不降低系統分辨率的前提下增大瑞利BOTDA系統動態范圍的可行性,且增加編碼長度可以進一步增大動態范圍。通過仿真分析對比了疊加平均法和脈沖編碼法對系統SNR的影響,驗證了采用脈沖編碼可以增大瑞利BOTDA系統的動態范圍。

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[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.

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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

河北省自然科學基金資助項目(F2014502098);國家自然科學基金資助項目(61377088)

楊潤潤(1991―),女,山西運城人。碩士研究生,主要研究方向為光通信與光傳感技術。