挑战杯创业大赛鉴定材料之2技术工作报告BOTDR文档格式.docx
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布里渊光时域反射（Brillouinopticaltimedomainreflectometry,BOTDR）技术是一种可单端测量的分布式光纤传感技术，它利用光纤中的自发布里渊散射效应实现应变与温度连续分布式测量。
该技术以其损耗低、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰、易布设、低成本、全分布式、单端测量等突出优点备受研究者和产业界关注。
三、国内外研究现状
1989年日本NTT的Horiguchi等提出了一种布里渊光时域分析（BOTDA）方法，该方法通过在被测光纤两端分别注入频率差为布里渊频移量的脉冲光和连续光，利用受激布里渊发大效应实现光纤上应变或温度的全分布式测量。
之后，在Horiguchi、Geinitz和Parker、特别是加拿大Ottawa大学华人科学家Bao等研究小组的努力下，BOTDA分布式传感的精度和范围得到了较大提高，应变传感范围已达到51km。
1997年德国Ruhr大学的Garus等人提出了布里渊光频域分析（BOFDA）方法。
该方法基于光纤布里渊散射现象和光频域分析技术，理论上的空间分辨率可达lmm，但其测量范围受频率调制步长限制，一般比BOTDA方法要小。
无论是BOTDA还是BOFDA方法，都需要在传感光纤两端分别注入泵浦光和探测光，这使得传感系统的复杂性增加。
更大的缺陷是这种两端测量的模式在传感光纤中出现断点时会导致传感系统瘫痪而无法工作。
因此，BOTDA和BOFDA应用范围受到了很大的制约。
可实现单端测量的布里渊分布式光纤传感技术是布里渊光时域反射（BOTDR）技术，该技术来源于贝尔实验室的Tkach等人。
它将一定宽度的探测脉冲光从传感光纤的一端注入，并在同一端检测由光脉冲引起的自发布里渊后向散射光，通过测量光纤沿线的布里渊频移分布实现应变和温度的连续分布式测量。
其空间分辨率由注入脉冲宽度决定，而注入的脉冲光与探测到的散射光之间的时延则提供了被测量点的位置信息。
但由于自发布里渊散射光非常微弱，且其强度随传输距离成指数衰减，所以一般采用光学相干方法来检测自发布里渊散射光，以实现较大的测量范围。
1996年，Izumita等利用边带调制移频技术实现了布里渊频移的光学相干测量，得到的应变空间分辨率为100m，传感长度为30km。
为了提高空间分辨率和传感范围，英国南安普顿大学的Newson课题组开展了一系列卓有成效的研究工作，他们利用EDFA放大后向自发布里渊散射光与微波相干检测相结合的方法，实现了30km范围内温度和应变的同时测量。
基于上述技术方案，他们利用同向拉曼放大技术获得了100km的温度传感距离和20m的空间分辨率。
尽管他们也同时报道了传感距离为150km、空间分辨率为50m的温度传感结果，但其技术上采用的是反向拉曼放大，即用于拉曼放大的高功率激光器放置在传感光纤的末端。
这种实质上为两端测量的方法不仅具有光纤出现断点无法工作的缺陷，同时需要高功率激光器，难以用于现场测试。
国内关于BOTDR技术的研究相对较少，起步也较晚。
其中重庆大学、浙江大学、华北电力大学、中科院上海光机所等开展了一些原理性和基础性的研究工作，与国外研究水平相比还有很大差距，更没有相关的产品或仪器。
近10年来，南京大学在BOTDR传感系统温度与应变敏感交叉问题的解决、空间分辨率提高、基于快速傅立叶变换的测量方法及其在光缆监测中的应用等方面开展了一系列的工作，并取得了较大的进展。
目前采用BOTDR技术能同时测量应变和温度的商用化仪器产品有日本ANDO公司的860x系列分析仪、美国MOI公司的DiTeSt监测仪和英国SENSORNET公司的DTSS监测仪，它们的主要性能指标如表1所示。
为了扩大测量距离，MOI公司还通过若干中继转发器把传感光纤串联起来，可实现最大250km的传感。
但是这种测量方式本质上也不是单端测量，同样会出现光纤存在断点就无法工作的问题。
国内目前还没有任何商品化的基于布里渊散射效应的应变和温度监测仪。
表1商用化布里渊分布式光纤传感测量仪的主要性能指标
主要技术指标
ANDOQ8603
DTSS
DiTeSt®
STA100/200
最大传感长度/km
80
30
30（可至扩展250）
应变测量精度/με
10
6
温度测量精度/º
C
1
±
0.05
最高空间分辨率/m
0.3
最短测量时间/min
3
2
可见，这些基于布里渊效应的商用化仪器目前存在的主要问题是空间分辨率无法满足结构健康监测等需求，测量时间长不能实现实时动态监测等。
四、技术方案
测量仪的系统原理图如图2所示。
波长为1550.12nm的连续光经95/5的耦合器分为两路，其中一路作为探测光路，另一路作为参考光路。
在探测光路中，系统控制脉冲序列发生器驱动电光调制器EOM1，把DFB连续激光调制成正交序列脉冲光后，经由EDFA放大，光纤光栅FBG1滤除ASE噪声后，经环行器注入到传感光纤中，探测光在传感光纤中产生后向自发布里渊散射光（包含斯托克斯与反斯托克斯光）和瑞利散射光。
本地参考光路中，连续光通过约11GHz微波信号驱动的微波电光调制器EOM2，产生与斯托克斯/反斯托克斯光频率分布相距约数百兆赫兹的正负一级边频带，作为本地参考光与探测光路反射回来的斯托克斯/反斯托克斯布里渊散射光相干。
经宽带的光电探测器光电转换和高速A/D采样获得布里渊散射谱频率范围内对应的时域信号，在FBGA中采用累加平均、快速傅里叶变换（FFT）信号处理方法，得到布里渊散射谱信息，再进行相关处理，获得传感光纤的布里渊散射谱功率和布里渊频移，即可得到被测光纤的温度和应变状况。
在该测量仪系统中，为了使EOM的输出功率稳定，需对两个EOM直流端口驱动进行反馈控制。
另外光纤光栅对温度变化敏感，为了获得稳定的系统性能，需要对FBG进行温度恒定控制。
根据上述原理，测量仪系统组成结构图如图3所示。
PC:
偏振控制器；
PS:
扰偏器；
DC:
直流；
PG:
脉冲发生器；
MW:
微波信号源；
Amp:
放大器；
EOM:
电光调制器；
EDFA：
掺铒光纤放大器；
FBG:
光纤光栅
图2测量仪的系统原理图
图3测量仪的系统组成结构图
具体的技术路线和方案为：
1）光源模块中光源采用线宽小于1MHz的分布反馈式半导体激光器（DFB-LD），窄线宽激光可保证布里渊散射光与本地参考光的相干性，同时保证对布里渊频移测量的准确性。
2）采用Hadamard矩阵的行向量对探测光脉冲进行编码，然后在数据采集端进行相关解码，有效提高返回信号的信噪比。
由于Hadamard矩阵为由“＋1”和“－1”组成的双极性的正交矩阵，而光脉冲信号为非负信号。
因此首先将Hadamard矩阵表示成两个单极性矩阵A和B之差。
然后根据两个单极性矩阵的行向量对探测脉冲进行编码处理。
探测信号编码可以通过由可编程的电脉冲信号发生器驱动的电光调制器（EOM）对连续光进行幅度调制实现。
在每个频率点上，分别采集矩阵A的行向量编码脉冲和矩阵B行向量编码脉冲在光纤中散射的布里渊光功率随时间的变化量ηAi（t）和ηBi（t）。
将两项相减可以得到等效的Hadamard矩阵对应的行向量编码脉冲在光纤中散射的布里渊光功率随时间的变化量ηHi（t）。
然后用Hadamard矩阵H对应行与ηHi（t）进行相关后求和，并除以n2可以得到等效的单位脉冲在光纤中散射的布里渊光功率分布。
3）在调制脉冲序列进入传感光纤前采用EDFA对其脉冲形状无失真放大，并使用光纤光栅和环形器滤除EDFA产生的放大自发发射噪声。
4）采用可控微波源驱动的铌酸锂电光调制器来对本地参考光进行频率改变，使频率改变量近似等于约为11GHz的布里渊频移，使相干后的拍频降至10～300MHz之间，可使用普通的光电探测器探测相干光。
本地参考光路中引入FPGA控制的扰偏器，降低偏振态对相干信号功率波动的影响。
为了减少本地参考光中本振噪声的影响，光电探测模块采用了两个光电二极管的双平衡探测模式。
5）将信号光与本地参考光一起注入周期性极化铌酸锂波导，并同时将强泵浦光注入其中。
利用它们在波导中的非线性效应，使信号光与本地参考光的波长都从长波长转换到短波长。
6）相干光信号光电转换后进行高速A/D转换，在DSP中与原伪随机序列进行相关运算，经累加平均去除噪声，再分段快速傅立叶变换，获得沿光纤的布里渊散射谱分布，经多洛仑兹谱拟合数据处理获得布里渊频移和布里渊谱峰值功率的分布，利用布里渊频移和布里渊谱峰值功率与应变和温度的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
7）提高空间分辨率的数据处理算法。
将等效脉冲光产生的背向布里渊散射谱细分并根据等效脉冲光来求得各个细分单元的功率权重的方法，据此对背向布里渊散射谱进行多洛仑兹谱迭代拟合，求解每个细分单元洛仑兹谱的中心频率，从而得到它们对应的微小长度上的应变和温度信息。
8）采用DSP实现核心算法和系统控制。
DSP的高速来源于其指令执行的并行性，所以构造适合DSP的并行检测算法是提高速度的关键。
采用主频是1GHz，8路并行结构的高速DSP处理器芯片。
系统的核心算法使用线性汇编，编写方便，同时也充分利用了DSP的并行能力。
9）支持标准的TCP/IP网络协议，可以现有的网络体系对监测仪远程控制，实现应变和温度的远程测量。
10）使用单片采样率1GHz以上，量化位数不低于10bit的模数转换芯片独立工作或者使用数片采样率低于1GHz，量化位数不低于10bit的模数转换芯片协同工作，获得所需的数据采集模块。
使用基于FPGA的硬件结构配合数据采集模块进行实时傅立叶变换。
五、关键技术
1、布里渊光学时域发射和相干检测技术
由于自发布里渊散射信号非常微弱，因此需要合适的检测方法。
光相干检测方法是一较好的微弱信号检测法，它利用探测光入射到传感光纤中产生的背向布里渊散射光和参考光进行相干检测，从而有效增大散射信号的光强。
再通过光电转换、信号采样和处理可获得布里渊散射谱。
图4是相干检测接收机的模型。
叠加了噪声的信号经过带通滤波器的滤波，经入混频器与本地振荡器产生的本振信号相混，混频的结果通过低通滤波器取出低频分量作为解调结果输出。
这里我们先假设本振与载波同频同相。
来自光纤的ASE噪声可以近似认为是高斯分布的宽带白噪声。
其通过低通滤波器后的分量可以认为具有窄带噪声的特性。
窄带噪声的频谱成分集中在带通滤波器中心频率fc附近，其样本函数n（t）与频率为fc的正弦信号类似，不同的是n（t）在幅度和相位上都有缓慢的起伏。
图4相干检测接收机模型
根据带通信号与系统的相关理论，可将n（t）表示为标准形式：
其中nI（t）为n（t）的同相分量，而nQ（t）为n（t）的正交分量。
nI（t）、nQ（t）都是低通信号。
它们和中心频率fc一起，完整地表达了窄带噪声n（t）。
这样相干检测器地输入信号x（t）可以表示为：
混频器输出为
低通滤波器进一步滤除v（t）中的高频分量，从而接收机的输出为
引入相位噪声φ
则相干探测的结果修正为：
其中噪声分量nI（t）、nQ（t）可以通过boxcar予以消除。
但信息分量1/2m（t）Accos（φ）的处理较为棘手。
若相位噪声φ极强，并不能认为φ仅局限于某一范围。
假设φ在0～2π内均匀分布。
则cos（φ）的期望趋向于零。
因此随着boxcar的进行，消息分量也会被消除，从而使得检测失效。
为了消除相位噪声的影响，常见的方法是使用正交解调。
正交解调的基本原理如图5所示。
修正接收机的输入信号为：
s（t）=m（t）Accos（2πfct+φ）
本地振荡器产生相位正交的两路本振信号
cos（2πfct）与sin（2πfct）
分别与输入信号s（t）做混频。
两路混频的输出经过低通滤波器的滤波，分别进入ADC做模数转换。
转换结果为正交分量XI与XQ，其表达式为：
对XI与XQ的平方和求平方根，再除以载波幅度Ac，就得到了分量m（t）：
图5正交解调原理图
可以看到，由于同时采集了同相和正交分量，无论相位φ为多少，都不会影响正交解调最终的检测结果。
从而消除了相位噪声的影响。
图5所示的正交解调接收机的原理图，可以直接用模拟电路实现这样的接收器。
其中接收机的输入信号通过功分器分为两路，进入两个模拟混频器。
通过直接数字信号合成器（DDS）产生频率相同、相位严格正交的两路本振信号，分别与输入信号相混，得到I、Q分量。
这个方法的好处在于混频并滤波后得到的I、Q分量已经是低频的基带信号，因而使用低速率的ADC就可以完成模数转换，后端数据处理的运算量较小。
但是由于混频是在模拟电路中完成的，很难保证I、Q两路的对称性，且本振的严格正交也难以实现，因此系统的性能取决于模拟电路设计的好坏。
2、序列脉冲探测方法
传统的BOTDR技术中采用单脉冲探测方法，为避免调制不稳定及受激布里渊散射等非线性现象，必须使注入光纤的能量小于某一阈值能量。
由于阈值能量的限制，单脉冲对应的布里渊散射信号能量是受限的，这也决定了单脉冲探测方法对应的系统动态范围有限。
为了在不降低系统空间分辨率的前提下提高系统的测量距离，在测量仪系统中采用了序列脉冲探测方法。
构造了具有正交特性的Hadamard矩阵，依次把矩阵的各行作为码字的探测脉冲输入到光纤中，得到的散射光功率。
然后将Hadamard矩阵的行向量与对应的散射信号分别进行互相关，最后将相关后的结果求和，即可得到所需的功率随时间的变化。
对每个需要的频率点进行上述编码和互相关的过程，然后通过扫频的方式，得到不同时刻光纤散射回来的布里渊光谱，通过时间和空间的对应关系确定光纤上不同位置处的温度或应变。
利用双极性的Hadamard矩阵，向光纤中输入2n个脉冲序列（Hadamard矩阵的行向量），通过相关数据处理，可获n2次平均效果。
与现有的单脉冲探测方法相比，在不降低系统空间分辨率的条件下，信噪比增强为
。
所构造的矩阵如图6所示。
利用该矩阵各行码字表示的序列脉冲，我们获得了37公里的测量范围，如图7所示。
而相应的单脉冲探测方法仅获得约9公里的测量范围，如图8所示。
图6Hadamard矩阵
图716阶Hadamard矩阵探测脉冲序列解码获得的时域信号
图816阶传统单脉冲方法获得的时域信号
3、布里渊散射谱宽带探测方法
传统的BOTDR技术中采用频率扫描法获得布里渊散射谱。
这种方法是通过在一定的频率范围内，按照一定的频率间隔，依次获得布里渊散射谱中各频率点对应的传感光纤各位置处的功率，将这些频率点处的功率分布组成一个完整的三维布里渊散射谱。
该探测方式存在的固有缺陷削弱了其测量精度：
若滤波器带宽过宽，会带来每个频率点处的较大的功率测量误差，导致应变或温度的测量误差较大。
若带宽过窄，每个脉冲周期内获得的布里渊散射谱带宽范围较小，需要探测更多的频率点，会导致获取整个布里渊散射光谱的时间增加，导致整个测量时间过长。
为克服频率扫描法的缺陷，测量仪采用基于快速傅立叶变换的布里渊散射谱宽带探测方法。
具体方案如下：
将连续光分为两路，一路做为本地参考光，一路做为探测光，探测光调制为脉冲宽度为W的脉冲光后，经放大注入传感光纤得到布里渊散射光，本地参考光和布里渊散射光相干后产生布里渊散射谱电信号，调整所述布里渊散射谱电信号的中心频率，使其完整通过带宽为布里渊散射谱半峰全宽的数倍的宽带低通滤波器，再由高速采集与处理电路采样，采样频率f高于2倍宽带低通滤波器的带宽，时域采样信号被多次累加平均后，从头至尾被分成时长为W的若干个单元，每个单元有W/f个采样点，对每个单元都进行快速傅立叶变换后，将所得布里渊散射谱进行洛伦兹拟合，得到各单元上布里渊散射谱峰值对应的频率，根据前述对布里渊散射谱电信号中心频率的调整进行恢复，即得整个光纤上每个单元的布里渊频移；
利用布里渊频移与应变和温度成线性变化的关系，经过系统标定，即可获得传感光纤上任一位置处的应变或温度信息，实现应变或温度的全分布式测量。
被测传感光纤的空间分辨率cW/2n，其中c为真空中的光速，n为光纤的折射率，每个单元中共有W/f的采样点，进行一次FFT即可获得该光纤单元上的整个布里渊散射谱。
为了提高布里渊散射谱的频率分辨率，时域采样信号被多次累加平均后，分成的每个单元进行周期延拓，再做快速傅立叶变换。
其结构示意图如图9所示。
图9布里渊散射谱宽带探测系统的结构示意图
4、空间分辨率提高的研究-等效脉冲光拟合方法
传统BOTDR的空间分辨率由脉冲光的宽度所决定。
尽管通过减小W可以提高BOTDR的空间分辨率，但是当脉冲光宽度降到10ns以下时，背向布里渊散射光的频谱会严重展宽，同时背向布里渊散射光的功率也会随着脉冲光脉宽的变窄而变小，严重影响BOTDR对应变/温度大小的判断，所以一般情况下BOTDR的脉冲光宽度最短只能到10ns，对应的空间分辨率只能达到1m。
为提高测量仪的空间分辨率，以检测光纤微小长度上的应变或温度信息，我们提出了基于等效脉冲光的多洛仑兹拟合法。
如图10所示，将长为W的脉冲光细分为m段，每一段分别用fi（i=1,2,…m）表示。
忽略脉冲光在光纤其它位置产生的布里渊散射信号（图10中的虚线部分），只考虑从图10（a）所示的时刻开始，一小段脉冲光fm在光纤中产生了向后传播的一部分布里渊散射信号BSm。
因为布里渊散射信号向后传播而脉冲光向前传播，在图10（b）所示的时刻，BSm向后传播到了与fm-1段脉冲光重叠的位置，并与fm-1段脉冲光产生的布里渊散射BSm-1一起共同向后传播。
依此类推，当到了图10（d）所示的时刻时，脉冲光在光纤中前进时产生的布里渊散射信号BSi（i=1,2,…m）将共同在脉冲光的末尾叠加在一起向后传播。
由于这些布里渊散射信号混叠在一起，无法直接把它们单独分离，所以脉冲光能够分辨的事件的长度为产生这些布里渊散射信号的光纤的长度，由图可知，即为脉冲光脉宽的一半。
因此，BOTDR系统在任意无限小的时间段内接收到的布里渊散射信号是光纤中从z=ct/（2n）位置处开始的cW/（2n）长度上的所有布里渊信号的叠加，其中c为真空中的光速，t为从发出脉冲光到接收到相应的布里渊信号的时间，n为光纤的折射率，W为脉冲光的脉宽。
（a）、（b）、（c）和（d）表示不同时刻的状态。
fi：
第i段脉冲光；
BSi：
第i部分布里渊散射信号；
BS：
布里渊散射信号
图10光纤中的脉冲光和布里渊散射
由于BOTDR系统中信号接收单元响应速度的限制或信号处理方法的原因，它需要一定时间内的布里渊信号来完成对布里渊谱的测量。
当探测脉冲光脉宽很窄时，这段时间长度不可忽略。
若这段时长为'
，则所获得的代表光纤中某一个位置的布里渊谱所包含的信号是时长'
内的布里渊散射信号的叠加。
在信号接收单元的响应时间为0或只需要无限短时间内的信号便可以获得布里渊谱的理想情况下，这些布里渊散射信号可以看作是由一个等效脉冲光在其末尾产生的布里渊散射信号。
上述BOTDR系统发射的探测脉冲光可表示为：
考虑到布里渊散射信号与脉冲光的相对传播，时长'
的布里渊散射信号是由脉冲光在光纤中前进'
/2的时间中产生的，即是在长为c'
/（2n）的光纤上产生的。
因此该探测脉冲光的等效脉冲光可以表示为：
由此可见，脉宽为W的探测光的等效脉冲光形状与探测光有所不同，其脉冲持续时间为W+'
然后将该c（W+'
）/2n长的光纤看作是由m段长度为c（W+'
）/2mn的细分光纤单元首尾连接而成，并且每个光纤单元上的应变均匀一致。
则各个光纤单元对应的细分布里渊谱均为洛仑兹型，得到的布里渊谱可表示为这m段光纤单元对应的m个细分布里渊谱的叠加：
其中gi（v,vBi）表示第i个单元的细分布里渊谱，g0i表示gi（v,vBi）的峰值功率，ΔvBi表示gi（v,vBi）的半峰全宽，vBi表示gi（v,vBi）的中心频率。
在光纤上应变均匀一致的位置处测得的g（v,vB）形状为较理想的洛仑兹型，组成它的各个gi（v,vBi）的vBi、ΔvBi与vB、ΔvB一致，因此可以通过对g（v,vB）进行单个的洛仑兹拟合求得各gi（v,vBi）的vBi、ΔvBi。
同时又可以将等效脉冲光相应地细分为m段，根据等效脉冲光的形状确定出各段的功率在总功率中的比例，以各段功率所占的比例为权重通过g0求得与各段相应的细分布里渊谱gi（v,vBi）的峰值功率g0i。
当光纤中某一小段长度上存在应变时，由应变引起的g0和ΔvB的变化较小，因此可认为g0i与ΔvBi保持不变，只有vBi会发生改变。
从已知应变的位置起，利用上式以细分光纤单元的长度为步进长度，沿光纤逐步向后对g（v,vB）进行迭代拟合，可以求出起始计算点后每一个细分光纤单元上的布里渊谱的中心频率，再由布里渊频移与应变/温度的关系即可得到每个细分光纤单元上对应的应变信息，从而把BOTDR传感系统的空间分辨率提高了m倍。
在实际应用中，细分光纤单元的长度c（W+'
）/2mn应为BOTDR系统采样步长的整数倍，只有这样才能利用BOTDR系统的测量数据迭代拟合下去。
利用基于等效脉冲光的拟合法根据BOTDR的测得的布里渊散射信号的计算结果如图11所示，图中明确地显示出光纤上某段0.1m的长度上存在很大的应变，其大小为0.162%，说明此处应为受拉位置。
实验所用光纤受1.47N拉力时实际应变为0.152%。
图12是用AQ8603直接测得的应变分布情况，它显示在一段1.5m的长的光纤上均有微小的应变存在，且最大应变仅为0.019%，与光纤上实际存在的应变大小相差甚远。
这是由于其空间分辨率不足造成的
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