光學(xué)反射式分布測量技術(shù)淺析
3.1 光時域相關(guān)探測技術(shù)
OTDR探測的空間精度是指探測鏈路上可分辨的兩個事件點的最短距離,稱為空間分辨率。分辨率主要是由探測脈沖的寬度決定。探測分別率的提高可以通過減小探測脈沖寬度達到,但在激光器功率一定的條件下,這會造成探測脈沖能量降低,可探測的背向散射光信號非常微弱。因此提高OTDR的探測靈敏度是進行小尺度探測要解決的關(guān)鍵問題。相關(guān)(correlation)探測[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aGolay碼[3]具有獨特的自相關(guān)特性,用互補碼作為激勵脈沖序列,通過相關(guān)運算可以有效抑制噪聲,提高探測靈敏度。
互補碼的定義是:兩個L元序列的自相關(guān)和若對于任意非零移位都為零,則這兩個序列是互補的: 互補碼有良好的自相關(guān)性質(zhì),每個互補碼序列單獨的自相關(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)相加時側(cè)瓣被消除,見圖3。 互補碼的性質(zhì)可以應(yīng)用在OTDR的相關(guān)中。如果我們用L位互補碼對Ak、Bk調(diào)制探測信號可以得到測量信號為,進行自相關(guān)處理,利用互補碼的自相關(guān)性質(zhì),可以得到以下最終結(jié)果:
(4)
hk是單位強度探測脈沖的響應(yīng),可以看到測量信號較單脈沖方式增大了2L倍,測量靈敏度得到了提高。考慮到相關(guān)探測對噪聲的放大,信號的四次測量的影響等負面因素,由理論分析可以得到互補相關(guān)探測與單脈沖探測的信噪比SNR比較如下
(5)
相關(guān)探測的SNR具體表達如下:(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)測量次數(shù),Loct是編碼長度,z是距入射端的距離,α是光纖衰減系數(shù)。相關(guān)探測與單脈沖探測比較,有效提高了靈敏度,并且靈敏度隨編碼長度的增加而增大。3.2 光頻域探測
光頻域探測[4]是另一種可以提高分辨率的方法。頻域探測采用頻率可調(diào)節(jié)的連續(xù)光束代替時域探測中的脈沖式探測光束,從而使探測光束具有更高能量,提高探測靈敏度。并且探測分辨率由頻率分辨決定,提高分辨率不會對靈敏度有負面影響。 光頻域反射儀結(jié)構(gòu)如圖4。中心頻率為ωo的等幅光束經(jīng)過分束器分別進入待測鏈路和參考鏈路。返回的探測信號和參考信號在光纖Michelson干涉儀形成混合信號,歸一化的結(jié)果可以表示為:
(7)
測量光束頻率以dω dt的速度線性改變,從待測鏈路中與參考端光程差為x0=x-xr的位置處返回的測量信號的時間延遲為,(是光在纖心中的群速度),測量光束的頻率變化量為。由測量信號的頻率變化可以決定事件點到測量輸入端的距離,信號的幅度可以反映事件點處的散射系數(shù)與衰減系數(shù)等光學(xué)特征。
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