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光學(xué)反射式分布測(cè)量技術(shù)淺析

作者: 時(shí)間:2012-11-06 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


3.1 光時(shí)域技術(shù)

OTDR探測(cè)的空間精度是指探測(cè)鏈路上可分辨的兩個(gè)事件點(diǎn)的最短距離,稱為空間分辨率。分辨率主要是由探測(cè)脈沖的寬度決定。探測(cè)分別率的提高可以通過(guò)減小探測(cè)脈沖寬度達(dá)到,但在激光器功率一定的條件下,這會(huì)造成探測(cè)脈沖能量降低,可探測(cè)的背向散射光信號(hào)非常微弱。因此提高OTDR的探測(cè)靈敏度是進(jìn)行小尺度探測(cè)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。相關(guān)(correlation)探測(cè)[2]提供了一種在不降低空間分辨率的情況下提高反向散射光信噪比(SNR)的方法?;パa(bǔ)Golay碼[3]具有獨(dú)特的自相關(guān)特性,用互補(bǔ)碼作為激勵(lì)脈沖序列,通過(guò)相關(guān)運(yùn)算可以有效抑制噪聲,提高探測(cè)靈敏度。

互補(bǔ)碼的定義是:兩個(gè)L元序列的自相關(guān)和若對(duì)于任意非零移位都為零,則這兩個(gè)序列是互補(bǔ)的:

互補(bǔ)碼有良好的自相關(guān)性質(zhì),每個(gè)互補(bǔ)碼序列單獨(dú)的自相關(guān)除了主峰外還存在側(cè)瓣,主峰幅度為序列的位長(zhǎng)L,側(cè)瓣幅度大約是主峰的10%,但兩序列的自相關(guān)相加時(shí)側(cè)瓣被消除,見圖3。

互補(bǔ)碼的性質(zhì)可以應(yīng)用在OTDR的相關(guān)中。如果我們用L位互補(bǔ)碼對(duì)Ak、Bk調(diào)制探測(cè)信號(hào)可以得到測(cè)量信號(hào)為,進(jìn)行自相關(guān)處理,利用互補(bǔ)碼的自相關(guān)性質(zhì),可以得到以下最終結(jié)果:

(4)

hk是單位強(qiáng)度探測(cè)脈沖的響應(yīng),可以看到測(cè)量信號(hào)較單脈沖方式增大了2L倍,測(cè)量靈敏度得到了提高。

考慮到對(duì)噪聲的放大,信號(hào)的四次測(cè)量的影響等負(fù)面因素,由理論分析可以得到互補(bǔ)與單脈沖探測(cè)的信噪比SNR比較如下

(5)

相關(guān)探測(cè)的SNR具體表達(dá)如下:

(6)

其中Pinit是輸入光功率,PNE接收器等效噪聲功率,Noct是重復(fù)測(cè)量次數(shù),Loct是編碼長(zhǎng)度,z是距入射端的距離,α是光纖衰減系數(shù)。相關(guān)探測(cè)與單脈沖探測(cè)比較,有效提高了靈敏度,并且靈敏度隨編碼長(zhǎng)度的增加而增大。

3.2 光頻域探測(cè)

光頻域探測(cè)[4]是另一種可以提高分辨率的方法。頻域探測(cè)采用頻率可調(diào)節(jié)的連續(xù)光束代替時(shí)域探測(cè)中的脈沖式探測(cè)光束,從而使探測(cè)光束具有更高能量,提高探測(cè)靈敏度。并且探測(cè)分辨率由頻率分辨決定,提高分辨率不會(huì)對(duì)靈敏度有負(fù)面影響。

結(jié)構(gòu)如圖4。中心頻率為ωo的等幅光束經(jīng)過(guò)分束器分別進(jìn)入待測(cè)鏈路和參考鏈路。返回的探測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在光纖Michelson干涉儀形成混合信號(hào),歸一化的結(jié)果可以表示為:

(7)

測(cè)量光束頻率以dω dt的速度線性改變,從待測(cè)鏈路中與參考端光程差為x0=x-xr的位置處返回的測(cè)量信號(hào)的時(shí)間延遲為,(是光在纖心中的群速度),測(cè)量光束的頻率變化量為。由測(cè)量信號(hào)的頻率變化可以決定事件點(diǎn)到測(cè)量輸入端的距離,信號(hào)的幅度可以反映事件點(diǎn)處的散射系數(shù)與衰減系數(shù)等光學(xué)特征。


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