本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于預(yù)泵浦脈沖和格雷(Golay)碼編碼的布里淵光時域分析儀(BOTDA)。

背景技術(shù)：
分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種用于連續(xù)測量光纖沿線任意位置溫度、應(yīng)變等物理量的傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)中的光纖既是光的傳輸介質(zhì)同時也是傳感載體，可實現(xiàn)長距離、大范圍傳感，是光纖傳感的一個重要分支。在眾多的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析儀(BOTDA)，由于其具有傳感距離長、測量精度高以及空間分辨率高等優(yōu)勢，在通信光纜、油氣管道及大型建筑物等的結(jié)構(gòu)監(jiān)測中有著廣闊的應(yīng)用前景。在BOTDA系統(tǒng)中，脈沖泵浦光和連續(xù)探測光分別從光纖兩端注入，當(dāng)這兩者的頻差處于布里淵增益范圍內(nèi)時，它們之間通過受激布里淵散射效應(yīng)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，在脈沖光注入端探測隨時間變化的布里淵散射信號以獲取溫度、應(yīng)變等信息。由于BOTDA系統(tǒng)采用脈沖時域定位技術(shù)，減小泵浦脈沖的寬度可提高系統(tǒng)空間分辨率，但當(dāng)光脈沖寬度小于聲子壽命時(～10ns)，光纖中不能建立起穩(wěn)定的感應(yīng)聲場，這將導(dǎo)致布里淵增益減弱，系統(tǒng)的信噪比大大降低；而且隨著泵浦脈沖變窄，布里淵增益譜會不斷展寬，這將使得系統(tǒng)信噪比和測量精度下降。由上述分析可知，傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)中，空間分辨率和傳感距離這兩者之間相互制約，通過減小泵浦脈沖脈寬提高空間分辨率，會嚴(yán)重限制系統(tǒng)的傳感距離。在保持空間分辨率不降低的前提下，為了增加系統(tǒng)的傳感距離，通常需要提高泵浦脈沖的峰值功率以保持較高信噪比，但由于調(diào)制不穩(wěn)定性、自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)的存在，脈沖光所允許的最大注入功率受到限制，傳感距離的提升仍然十分有限。此外，在BOTDA系統(tǒng)中，光纖的固有損耗及泵浦消耗效應(yīng)也會嚴(yán)重影響光纖末端的信噪比，進(jìn)一步限制了傳感距離的延伸。研究者們提出了多種方法以增加BOTDA系統(tǒng)的傳感距離。常見的技術(shù)包括脈沖編碼(公開號：CN102564481A，公開日：2012.07.11)、Raman遠(yuǎn)程分布式放大技術(shù)(專利號：201110340681.2)、隨機激光法(公開號：CN103376124A，公開日：2013.10.30)等。其中，Raman遠(yuǎn)程分布式放大技術(shù)可以在傳感光纖中為布里淵泵浦光和探測光建立一個近似無損信道，實現(xiàn)100km以上的超長距離無中繼傳感，但該技術(shù)需在BOTDA的終端添加高功率Raman泵源，其相對強度噪聲RIN通常較大，會導(dǎo)致BOTDA系統(tǒng)的強度噪聲增大，對系統(tǒng)信噪比產(chǎn)生影響；隨機激光法是近年來新提出的一種方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢，適合用于長距離分布式光纖傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的低噪聲分布式光放大，但其技術(shù)不夠成熟，較少見于實際應(yīng)用；脈沖編碼技術(shù)不需要在原有系統(tǒng)中增加其他器件，不會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，技術(shù)成熟，且可以明顯改善系統(tǒng)信噪比，因此近年來脈沖編碼技術(shù)在長距離布里淵分布式傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而采用脈沖編碼技術(shù)時，布里淵增益譜仍會隨著泵浦脈寬變窄而不斷展寬，導(dǎo)致系統(tǒng)的測量精度下降，這限制了脈沖編碼對系統(tǒng)傳感距離的提升效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有BOTDA系統(tǒng)采用窄泵浦脈沖導(dǎo)致的布里淵增益減弱、系統(tǒng)信噪比惡化、傳感距離受限以及布里淵增益譜展寬帶來的系統(tǒng)測量精度下降的問題，提出了一種基于預(yù)泵浦脈沖和格雷(Golay)碼編碼的布里淵光時域分析儀(BOTDA)。本發(fā)明基于以下原理：本發(fā)明將脈沖預(yù)泵浦技術(shù)和基于Golay碼的脈沖編碼技術(shù)相結(jié)合，利用一個高消光比的電光強度調(diào)制器(EOIM)產(chǎn)生所需的預(yù)泵浦脈沖序列，經(jīng)過擾偏器、光放大器之后注入傳感光纖，在脈沖光注入端探測布里淵散射信號，并采用基于相關(guān)運算的解碼算法以獲得原始的單脈沖響應(yīng)信號。本發(fā)明中，脈沖預(yù)泵浦技術(shù)保證了窄脈沖條件下布里淵增益譜不展寬，而基于Golay碼的脈沖編碼技術(shù)則有效提高了系統(tǒng)的信噪比。本發(fā)明的技術(shù)目的是在保持BOTDA系統(tǒng)高空間分辨率的前提下，同時保證系統(tǒng)的傳感距離和測量精度，提升BOTDA系統(tǒng)的傳感性能。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于預(yù)泵浦脈沖和格雷(Golay)碼編碼的布里淵光時域分析儀(BOTDA)，包括：窄線寬半導(dǎo)體激光器1、耦合器2、第一摻鉺光纖放大器3、第一偏振控制器4、單邊帶調(diào)制器5、微波源6、光隔離器7、傳感光纖8、光環(huán)形器9、第二摻鉺光纖放大器10、擾偏器11、電光強度調(diào)制器12、第二偏振控制器13、任意波形發(fā)生器14、光濾波器15、光電探測器16、信號采集及處理系統(tǒng)17；所述窄線寬半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)耦合器2后分成兩路，其中：由耦合器2的端口21輸出的連續(xù)光，經(jīng)第一摻鉺光纖放大器3進(jìn)行光放大和第一偏振控制器4調(diào)整偏振態(tài)之后，注入由微波源6驅(qū)動的單邊帶調(diào)制器5，所述微波源輸出信號的頻率為fm，所述單邊帶調(diào)制器5受微波源6驅(qū)動后產(chǎn)生移頻量為fm的單邊帶信號作為探測光信號，所述探測光信號經(jīng)光隔離器7之后輸入傳感光纖8；由耦合器2的端口22輸出的連續(xù)光，經(jīng)第二偏振控制器13調(diào)整偏振態(tài)之后，通過任意波形發(fā)生器14控制的電光強度調(diào)制器12被調(diào)制成編碼泵浦脈沖光，所述編碼泵浦脈沖光經(jīng)擾偏器11和第二摻鉺光纖放大器10后由光環(huán)形器9的端口91注入，然后由光環(huán)形器9的端口92輸出至傳感光纖8的另一端；上述探測光信號和泵浦脈沖光信號在傳感光纖8中相向傳輸并發(fā)生受激布里淵散射作用，攜帶布里淵散射信息的探測光信號經(jīng)光環(huán)形器9的端口93進(jìn)入光濾波器15，濾除自發(fā)輻射噪聲(ASE)之后進(jìn)入光電探測器16進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，信號采集及處理系統(tǒng)17采集光電探測器16輸出的編碼布里淵時域散射信號。由于本發(fā)明所述方案所采用的Golay碼，相比于傳統(tǒng)的Golay碼引入了預(yù)泵浦部分，其自相關(guān)函數(shù)和的結(jié)果不再是單位沖擊函數(shù)的整數(shù)倍，為保證解碼運算得到的單脈沖響應(yīng)布里淵散射信號不畸變，任意波形發(fā)生器14依次產(chǎn)生同時包含預(yù)泵浦部分和主脈沖部分的Golay碼和只包含預(yù)泵浦部分的Golay碼，調(diào)制電光強度調(diào)制器12產(chǎn)生編碼泵浦脈沖光，依次獲取兩組編碼布里淵時域散射信號，在后續(xù)信號處理過程中對兩組布里淵散射信號做差分運算，以滿足自相關(guān)函數(shù)和為單位沖擊函數(shù)整數(shù)倍的要求，并對差分運算得到的信號進(jìn)行解碼、歸一化處理得到布里淵增益譜，再通過洛倫茲擬合即可得到傳感光纖8沿線的布里淵頻移分布，根據(jù)布里淵頻移與溫度或應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)光纖分布式溫度或應(yīng)變傳感。進(jìn)一步地，所述窄線寬半導(dǎo)體激光器1的線寬約為10kHz，遠(yuǎn)小于布里淵增益譜譜寬，工作波長約為1550nm，輸出功率為5dBm。進(jìn)一步地，所述第一摻鉺光纖放大器3為連續(xù)光放大器，用于補償后續(xù)單邊帶調(diào)制器5、光隔離器7的插入損耗，通過調(diào)節(jié)第一摻鉺光纖放大器3的增益可以調(diào)整探測光的最終入纖功率，以避免發(fā)生嚴(yán)重的泵浦消耗現(xiàn)象。進(jìn)一步地，所述微波源6輸出微波信號的頻率fm從10GHz～12GHz之間連續(xù)可調(diào)，通過連續(xù)改變微波信號的調(diào)制頻率fm，即可實現(xiàn)布里淵頻譜的掃頻測量。進(jìn)一步地，所述傳感光纖8為普通單模石英光纖，在1550nm波長處的損耗約為0.2dB/km。進(jìn)一步地，所述第二摻鉺光纖放大器10為高功率光脈沖放大器，用于放大電光強度調(diào)制器12產(chǎn)生的編碼脈沖序列以獲得較高的脈沖峰值功率，保證系統(tǒng)末端的信噪比，同時第二摻鉺光纖放大器10的增益不能過大，以避免出現(xiàn)增益飽和及泵浦消耗現(xiàn)象。進(jìn)一步地，所述電光強度調(diào)制器12的消光比約為35dB，工作在線性工作點，根據(jù)任意波形發(fā)生器14輸入的編碼電脈沖信號，依次產(chǎn)生同時包含預(yù)泵浦部分和主脈沖部分的Golay碼編碼和只包含預(yù)泵浦部分的Golay碼編碼的光脈沖信號。進(jìn)一步地，所述光電探測器16是帶寬為350MHz的高速光電探測器，可滿足窄泵浦脈沖條件下探測布里淵時域散射信號的要求。進(jìn)一步地，所述信號采集及處理系統(tǒng)17由一臺高速數(shù)字示波器及一臺計算機組成，高速數(shù)字示波器用于數(shù)據(jù)采集及平均，計算機對采集所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示。本發(fā)明的技術(shù)效果在于：1.本發(fā)明同時采用了脈沖預(yù)泵浦技術(shù)和基于Golay碼的脈沖編碼技術(shù)，在獲得高空間分辨率的前提下，增加了BOTDA系統(tǒng)的傳感距離，同時保持布里淵增益譜不展寬，提高了系統(tǒng)的頻率測量精度；2.采用Golay碼的編碼泵浦脈沖光，利用其編碼增益，有效提高了系統(tǒng)尾端的信噪比，增加了傳感距離；同時由于采用了脈沖預(yù)泵浦技術(shù)，可通過減小編碼脈沖的碼元脈沖寬度來提高系統(tǒng)的空間分辨率，而不會展寬布里淵增益譜，脈寬甚至可以小于光纖聲子壽命(～10ns)，對應(yīng)的空間分辨率可高于1m；3.本發(fā)明可以有效克服傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中空間分辨率和傳感距離之間的制約關(guān)系，實現(xiàn)長距離的溫度或應(yīng)變傳感，同時具有空間分辨率高、測量精度高的優(yōu)點，且不需要在傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)中增加其他器件，只需改變?nèi)我獠ㄐ伟l(fā)生器輸出的脈沖形式，操作簡單，易于實現(xiàn)。附圖說明圖1是本發(fā)明基于預(yù)泵浦脈沖和格雷(Golay)碼編碼的布里淵光時域分析儀(BOTDA)結(jié)構(gòu)組成圖。圖中：1為窄線寬半導(dǎo)體激光器，2為耦合器，3為第一摻鉺光纖放大器，4為第一偏振控制器，5為單邊帶調(diào)制器，6為微波源，7為光隔離器，8為傳感光纖，9為光環(huán)形器，10為第二摻鉺光纖放大器，11為擾偏器，12為電光強度調(diào)制器，13為第二偏振控制器，14為任意波形發(fā)生器，15為光濾波器，16為光電探測器，17為信號采集及處理系統(tǒng)。圖2是本發(fā)明中采用的預(yù)泵浦Golay碼編碼示意圖，其中，(a)為傳統(tǒng)的單脈沖和預(yù)泵浦單脈沖的對比圖，預(yù)泵浦單脈沖相比于傳統(tǒng)單脈沖，在主脈沖之前加入了預(yù)泵浦部分，ER1表示主脈沖和脈沖基底的比值，由電光強度調(diào)制器的消光比決定，ER2表示主脈沖部分和預(yù)泵浦部分的比值，DP和DPre分別表示主脈沖部分和預(yù)泵浦部分的寬度；(b)為采用傳統(tǒng)Golay碼和預(yù)泵浦Golay碼編碼的時域脈沖序列的對比圖，由圖可知，在碼元為“1”的位置，將傳統(tǒng)Golay碼的脈沖替換為預(yù)泵浦脈沖，即可得到同時包含預(yù)泵浦部分和主脈沖部分的預(yù)泵浦Golay碼，其中bitslot表示單個碼元的周期，編碼序列的占空比可用(DP+DPre)/tbitslot表示。圖3(a)為差分運算的示意圖，其中，圖3(a)(1)表示各碼元同時包含預(yù)泵浦部分和主脈沖部分的Golay碼編碼的時域脈沖序列；圖3(a)(2)表示各碼元只包含預(yù)泵浦部分的Golay碼編碼的時域脈沖序列；圖3(a)(3)表示經(jīng)過差分運算，各碼元只包含主脈沖部分的Golay碼編碼的時域脈沖序列。圖3(b)為預(yù)泵浦Golay碼編碼的時域脈沖序列，差分前后的自相關(guān)函數(shù)和的對比圖，由圖可知，差分之前的編碼時域脈沖序列的自相關(guān)函數(shù)和并不是理想的單位沖擊函數(shù)，而差分之后的編碼時域脈...