A theoretical and experimental analysis of the impact of pulse modulation format on Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA) sensors using pulse coding techniques has been carried out. Pulse coding with conventional non-return-to-zero (NRZ) modulation format is shown to induce significant distortions in the measured Brillouin gain spectrum (BGS), especially in proximity of abrupt changes in the fiber gain spectra. Such an effect, as confirmed by the theoretical analysis, is due to acoustic wave pre-excitation and non-uniform gain which depends on the bit patterns defined by the different codewords. A successful use of pulse coding techniques then requires to suitably optimize the employed modulation format in order to avoid spurious oscillations causing severe penalties in the attained accuracy. Coding technique with return-to-zero (RZ) modulation format is analyzed under different duty-cycle conditions for a 25 km-long sensing scheme, showing that low duty-cycle values are able to effectively suppress the induced distortions in the BGS and allow for spatially-accurate, high-resolution strain and temperature measurements being able to fully exploit the provided coding gain (~7.2 dB along 25 km distance) with unaltered spatial resolution (1 meter). Although Simplex coding is used in our analysis, the validity of the results is general and can be directly applied to any intensity-modulation coding scheme

چکیده

یک آنالیز تئوری و تجربی از تاثیر فرمت مدولاسیون پالس بر سنسورهای آنالیز دامنه زمانی اپتیکی بریلوئن (BOTDA) با استفاده از تکنیک های کد گذاری پالس انجام شده است. نشان داده شده است که کد گذاری پالس با فرمت مدولاسیون متداول غیربازگشتی به صفر (NRZ) ، اعوجاج های زیادی را در طیف بهره بریلوئن اندازه گیری شده (BGS) بخصوص در مجاورت تغییرات ناگهانی طیف های بهره فیبر وارد می کند. چنین تاثیری همانطور که با آنالیز تئوری تایید شده، به دلیل پیش برانگیزش موج آکوستیک و بهره غیریکنواختی است که به الگوهای بیتی تعریف شده توسط کد واژه های مختلف بستگی دارد. یک کاربرد موفق از تکنیک های کد گذاری پالس نیازمند بهینه سازی مناسب فرمت مدولاسیونی است که برای اجتناب از نوسانات نادرستی به کار گرفته می شود که سبب مشکلات زیادی در دقت به دست آمده خواهد شد. تکنیک کد گذاری با فرمت مدولاسیون بازگشت به صفر (RZ) تحت شرایط چرخه کار متفاوتی برای یک طرح حسگری به طول 25 کیلومتر تحلیل می شوند که نشان می دهد مقادیر کم چرخه کار قادرند تا  اعوجاج های بوجود آمده در BGS را بطور موثر برطرف کنند و امکان کشش با رزولوشن و دقت مکانی بالا را فراهم می کنند و اندازه گیری های دمایی را قادر می سازند تا از بهره کد گذاری صورت گرفته (~7.2 dB  در فاصله   25 km) بدون تغییر رزولوشن مکانی ( 1 متر ) کاملا بهره ببرد. گرچه کد گذاری Simplex در تحلیل ما به کار گرفته شده است، اعتبار این نتایج، کلی هستند و می توانند مستقیما برای هر طرح کد گذاری شدت مدولاسیون دیگری به کار برده شوند.

1-مقدمه

تکنیک آنالیز دامنه زمانی اپتیکی بریلوئن (BOTDA) امکان پیاده سازی سنسورهای توزیعی فیبر نوری با دقت بالا در آشکارسازی کشش یا دما را فراهم می کند (1و2) و کاربردهای وسیعی را در کنترل سلامت سازه، مهندسی ژئوتکنیک و آشکارسازی نشتی در خطوط لوله دارد. BOTDA  موضوع تحقیقات بسیاری در سطح بین المللی در صنعت و دانشگاه بوده است که به طرح های طویل برد مبتنی بر BOTDA و نیز رزولوشن زیر متری (3و4) منجر گشته است. یک موضوع جدیدا بررسی شده، کاربرد تکنیک های کد گذاری پالس (5) در سنسورهای BOTDA است (6و7) که مزایای زیادی را در نسبت سیگنال به نویز (SNR) حاصل به دست داده و رزولوشن مکانی را حفظ کرده است. سیستم های BOTDA ی مبتنی بر این طرح ها در تحقق فواصل حسگری 50-km با رزولوشن مکانی 1 متر، توانا ظاهر شده اند...