基於Simplex編碼的POTDR系統及其信號確定方法與流程
2023-06-11 06:03:11 1

本發明涉及光纖傳感領域,尤其涉及一種基於simplex編碼的potdr系統及其信號確定方法。
背景技術:
1981年,a.j.roger首次正式提出利用potdr(偏振光時域反射技術)進行分布式的物理量傳感和測量。potdr系統經過幾十年的發展,已經在光纖的偏振模色散(pmd)、雙折射分布、偏振相關損耗(pdl)、拍長估計、入侵探測以及振動頻率測量等參數的測量方面具有廣泛的應用。
potdr系統作為基於光時域反射(otdr)原理的系統之一,其探測信號為光纖中的背向瑞利散射信號。otdr系統中存在系統信噪比(snr)和空間解析度之間相互制約的問題,即提高系統的信噪比會降低系統的空間解析度。同樣在potdr系統中也存在這個問題。另外研究發現potdr系統中隨著脈衝寬度的增加,信號的偏振度(dop)呈現降低趨勢,而現有技術中提高信噪比的通常方法是提高脈衝寬度,即提高信噪比會降低系統的空間解析度,同時會降低信號的偏振度(dop),而dop的降低將會同比例降低系統探測信號的動態範圍。在實際應用中,系統的可探測距離隨脈衝寬度的增加而增加,因此實際應用中需要最大程度的增加脈衝寬度,即需要高的信噪比,但是脈衝寬度或信噪比與空間解析度以及dop之間相互制約的技術問題阻擋了potdr系統的進一步發展與應用。
技術實現要素:
針對現有技術中無法解決potdr系統中信噪比、dop以及空間解析度三者之間的相互制約問題的技術問題,提供了一種基於simplex編碼的potdr系統及其信號確定方法。
本發明提供了一種基於simplex編碼的potdr系統,所述系統包括雷射驅動調製模塊、環形器、光採集器、數據採集器、編碼信號產生模塊、光纖傳感鏈路以及數據處理器;
所述編碼信號產生模塊與所述雷射驅動調製模塊以及所述數據採集器連接,所述編碼信號產生模塊用於根據simplex編碼的生成規則產生驅動調製編碼,並將所述驅動調製編碼發送給所述雷射驅動調製模塊以及所述數據採集器;
所述雷射驅動調製模塊與所述環形器的第一埠連接,所述環形器的第二埠與所述光纖傳感鏈路,所述環形器的第三埠與所述光採集器連接,所述雷射驅動調製模塊根據所述驅動調製編碼對光信號進行調製,形成編碼脈衝光信號,並通過所述環形器發送給所述光纖傳感鏈路;所述光採集器採集所述光纖傳感鏈路返回的背向散射信號;
所述光採集器與所述數據採集器連接,所述光採集器將所述背向散射信號發送給所述數據採集器;
所述數據採集器與所述數據處理器連接,並將所述驅動調製編碼以及所述背向散射信號發送給所述數據處理器,所述數據處理器根據所述驅動調製編碼對所述背向散射信號進行解碼和移位處理得到potdr系統信號。
優選地,所述驅動調製編碼為一個n*n矩陣。
優選地,所述雷射驅動調製模塊按照所述矩陣的行向所述光纖傳感鏈路依次發送n組所述編碼脈衝光信號,其中所述編碼脈衝光信號為包含n比特的對應行的元素的脈衝光信號。
優選地,所述光採集器依次採集所述光纖傳感鏈路返回的n個背向散射信號。
優選地,所述數據處理器包括解碼單元,所述解碼單元利用所述驅動調製編碼的逆矩陣對所述n個背向散射信號進行解碼。
優選地,所述數據處理器還包括移位平均單元,所述移位平均單元用於對解碼後的背向散射信號進行移位處理,之後進行求平均處理確定所述potdr系統信號。
本發明還提供了一種基於simplex編碼的potdr系統信號確定方法,所述方法包括如下步驟:
s1、根據simplex編碼的生成規則產生驅動調製編碼;
s2、根據所述驅動調製編碼對光信號進行調製,形成編碼脈衝光信號,並發送給所述光纖傳感鏈路;
s3、採集所述光纖傳感鏈路返回的背向散射信號;
s4、根據所述驅動調製編碼對所述背向散射信號進行解碼和移位處理得到potdr系統信號。
優選地,所述驅動調製編碼為一個n*n矩陣。
優選地,所述步驟s2中,按照所述矩陣的行向所述光纖傳感鏈路依次發送n組所述編碼脈衝光信號,其中所述編碼脈衝光信號為包含n比特的對應行的元素的脈衝光信號;
所述步驟s3中,依次採集所述光纖傳感鏈路返回的n個背向散射信號;
所述步驟s4中,利用所述驅動調製編碼的逆矩陣對所述n個背向散射信號進行解碼。
優選地,所述步驟s4中在所述移位操作之後,得到所述potdr系統信號之前還包括對移位後的信號進行求平均的步驟。
由上述技術方案可知,本發明提供一種基於simplex編碼的potdr系統及其信號確定方法,其中基於simplex編碼的potdr系統包括包括雷射驅動調製模塊、環形器、光採集器、數據採集器、編碼信號產生模塊、光纖傳感鏈路以及數據處理器;編碼信號產生模塊用於根據simplex編碼的生成規則產生驅動調製編碼,並將驅動調製編碼發送給雷射驅動調製模塊以及數據採集器;雷射驅動調製模塊根據驅動調製編碼對光信號進行調製,形成編碼脈衝光信號,並通過環形器發送給光纖傳感鏈路;光採集器採集光纖傳感鏈路返回的背向散射信號;光採集器將背向散射信號發送給數據採集器;數據採集器將驅動調製編碼以及背向散射信號發送給數據處理器,數據處理器根據驅動調製編碼對背向散射信號進行解碼和移位處理得到potdr系統信號。該系統利用simplex編碼技術生成編碼脈衝光信號,並對背向散射信號進行解碼移位等操作能夠在不降低信號dop和空間解析度的前提下,提高系統信噪比。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對於本領域普通技術人員來講,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明的一個較佳實施例的potdr系統的結構示意圖;
圖2是本發明中信噪比提升的理論值與測試值示意圖;
圖3a是傳統potdr系統信號dop隨脈衝寬度變化的示意圖;
圖3b是本發明中potdr系統信號dop隨編碼長度以及比特寬度變化的示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例,而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬於本發明保護的範圍。
一種基於simplex編碼的potdr系統,所述系統包括雷射驅動調製模塊、環形器、光採集器、數據採集器、編碼信號產生模塊、光纖傳感鏈路以及數據處理器。所述編碼信號產生模塊與所述雷射驅動調製模塊以及所述數據採集器連接,所述編碼信號產生模塊用於根據simplex編碼的生成規則產生驅動調製編碼,並將所述驅動調製編碼發送給所述雷射驅動調製模塊以及所述數據採集器;所述雷射驅動調製模塊與所述環形器的第一埠連接,所述環形器的第二埠與所述光纖傳感鏈路,所述環形器的第三埠與所述光採集器連接,所述雷射驅動調製模塊根據所述驅動調製編碼對光信號進行調製,形成編碼脈衝光信號,並通過所述環形器發送給所述光纖傳感鏈路;所述光採集器採集所述光纖傳感鏈路返回的背向散射信號;所述光採集器與所述數據採集器連接,所述光採集器將所述背向散射信號發送給所述數據採集器;所述數據採集器與所述數據處理器連接,並將所述驅動調製編碼以及所述背向散射信號發送給所述數據處理器,所述數據處理器根據所述驅動調製編碼對所述背向散射信號進行解碼和移位處理得到potdr系統信號。該系統利用simplex編碼技術生成編碼脈衝光信號,並對背向散射信號進行解碼移位等操作能夠在不降低信號dop和空間解析度的前提下,提高系統信噪比。
進一步地,所述驅動調製編碼為一個n*n矩陣。所述雷射驅動調製模塊按照所述矩陣的行向所述光纖傳感鏈路依次發送n組所述編碼脈衝光信號,其中所述編碼脈衝光信號為包含n比特的對應行的元素的脈衝光信號,即每一組編碼脈衝光信號是指包含n比特的simplex編碼序列的脈衝光信號。具體地,當n=3時,矩陣計為s,
所述光採集器依次採集所述光纖傳感鏈路返回的3個背向散射信號,即n組檢測數據,記為η1,η2…,ηn。
所述數據處理器包括解碼單元,所述解碼單元利用所述驅動調製編碼的逆矩陣(s-1)對所述3個背向散射信號進行解碼並存儲。其中解碼得到公式為:
所述數據處理器還包括移位平均單元,所述移位平均單元用於對解碼後的背向散射信號進行移位處理,之後進行求平均處理確定所述potdr系統信號,具體地公式為:
下面通過一個實施例對上述系統進行介紹。
如圖1所示,上述光採集器包括在線檢偏器以及光探測器,在線檢偏器與環形器的第三埠連接,同時在線檢偏器與光探測連接,光探測器與數據採集器連接。
具體地,編碼信號產生模塊將產生的編碼的電信號,即驅動調製編碼的電信號通過信號線纜與雷射器的驅動與調製模塊,即雷射驅動調製模塊相連;雷射驅動調製模塊接收到調製信號,即驅動調製編碼的電信號後,將光信號按照調製信號進行調製;調製後的光信號,即編碼脈衝光信號通過環形器1埠引入光路系統。環形器2埠連接傳感光纖鏈路,其中傳感光纖鏈路為通信用標準單模光纖;環形器3埠與在線檢偏器一端相連;在線起偏器另一端連接光探測器輸入端;光探測器的信號輸出端通過信號線纜與數據採集設備,即數據採集器相連;數據採集設備可通過提供的數據接口與數據處理設備(如計算機)通信,將數據傳輸給數據處理設備進行處理。
該系統將simplex編碼技術引入potdr系統中,有效解決了potdr系統信噪比、信號dop以及空間解析度三者之間的相互制約問題。利用simplex編碼技術在不降低信號dop和空間解析度的前提下,提高系統信噪比的提升(編碼增益)可達到:
其中n為編碼長度。
編碼增益實測結果如圖2所示,可以看出不同的編碼長度的系統編碼增益和理論值的符合度非常好。
除了編碼增益之外,在potdr系統中,更加關注simplex編碼是否會影響信號的偏振度,典型結果如圖3a、3b所示。其中圖3a為傳統的potdr系統中信號dop隨著脈衝寬度的增加的變化曲線。從中容易看出,隨著脈衝寬度的增加,信號的dop呈現下降的趨勢。圖3b為信號dop隨著編碼長度和比特寬度的變化曲線。可以看出信號dop隨編碼長度變化不明顯,而隨比特寬度的變化十分明顯。另外將同一比特寬度下的編碼potdr系統信號的dop值畫在圖3a中,容易看出,當比特寬度和sp-potdr系統(基於simplex編碼的potdr系統)的脈衝寬度一樣時,無論編碼序列長度是多少,信號的dop幾乎完全一致。那麼可以得到以下結論:simplex編碼技術可以用在potdr系統中來突破snr、空間解析度之間的相互制約關係而不降系統信號的dop。
應當說明的是,本發明中的最小編碼長度為3,即矩陣的列數最小為3。
對應上述系統,本發明還公開了一種基於simplex編碼的potdr系統信號確定方法,所述方法包括如下步驟:
s1、根據simplex編碼的生成規則產生驅動調製編碼,此驅動調製編碼由編碼信號產生模塊產生;驅動調製編碼為一個一個n*n矩陣;
s2、根據所述驅動調製編碼對光信號進行調製,形成編碼脈衝光信號,並發送給所述光纖傳感鏈路;此步驟中由雷射驅動調製模塊根據所述驅動調製編碼對光信號進行調製;
s3、採集所述光纖傳感鏈路返回的背向散射信號;此步驟中由光採集器完成;
s4、根據所述驅動調製編碼對所述背向散射信號進行解碼和移位處理得到potdr系統信號;此步驟中由數據處理器完成。
進一步地,所述步驟s2中,按照所述矩陣的行向所述光纖傳感鏈路依次發送n組所述編碼脈衝光信號,其中所述編碼脈衝光信號為包含n比特的對應行的元素的脈衝光信號;
所述步驟s3中,依次採集所述光纖傳感鏈路返回的n個背向散射信號;
所述步驟s4中,利用所述驅動調製編碼的逆矩陣對所述n個背向散射信號進行解碼。
所述步驟s4中在所述移位操作之後,得到所述potdr系統信號之前還包括對移位後的信號進行求平均的步驟。
上述方法的步驟與上述系統的處理步驟一一對應,對於重複的部分這裡不再進行贅述。
下面通過另一個實施例對上述方法進行介紹。
本實施例中比特寬度τ=100ns,數據採集設備的採樣率為1gsam/s為例,具體如下:
s10、預設編碼。按照simplex編碼的生成規則生成一個一個3×3的矩陣,記為s。
s11、向待測光纖按照s矩陣的行依次發送3組編碼脈衝光信號;其中,每一組編碼脈衝光信號是指包含3比特的simplex編碼序列的脈衝光信號。第一次發送編碼為101的光脈衝,第二次發送編碼為011的光脈衝,第三次發送編碼為110的光脈衝,其中每一個0或1(比特)的持續時間即為比特寬度τ。
s12、依次採集由待測光纖返回的多組背向散射信號,獲取3組檢測數據,記為η1(t),η2(t),η3(t);
s13、數據解碼,採用與驅動編碼對應的逆矩陣(s-1)對採集到的各組檢測數據分別進行數據解碼,具體為解如公式(2)所示的方程組,得到
s14、對解碼數據移位對其再求平均得到最終解碼之後的potdr系統信號ψ(t)。具體過程為,
至此得到最終的potdr系統信號,對於其他編碼長度的情況執行過程和3階的情況是一致的。
本領域普通技術人員可以理解:實現上述方法實施例的全部或者部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成,前述的程序可以存儲在計算機可讀取的存儲介質中,該程序在執行時,執行包括上述方法實施例的步驟。
本發明的說明書中,說明了大量具體細節。然而,能夠理解,本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中,並未詳細示出公知的方法、結構和技術,以便不模糊對本說明書的理解。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案,而非對其限制;儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明,本領域的普通技術人員應當理解;其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改,或者對其中部分技術特徵進行等同替換;而這些修改或者替換,並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。