CN102445285A - Botdr系统的寻峰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BOTDR系统的寻峰方法，涉及布里渊分布式光纤传感系统，其特征在于：包括如下步骤：（1）采集布里渊散射谱散点数据；（2）进行数据筛选，缩小寻峰的数据范围；（3）计算布里渊散射谱的质心；（4）计算布里渊频移；（5）根据质心变化量解调光纤周围的温度或应变信息。本发明解决了布里渊散射谱不完整的问题，提供了一种无需复杂的数据运算，易于实现，寻峰速度快，抗干扰能力强的BOTDR系统的寻峰方法。

Description

BOTDR系统的寻峰方法

技术领域

本发明涉及布里渊分布式光纤传感系统，具体涉及一种基于布里渊散射效应的光时域反射计（BOTDR）系统中寻找波峰的方法。

背景技术

布里渊（Brillouin）散射是光在光纤中传输的过程中发生的一种非线性效应，其散射光相对入射光产生频移，且该频移的大小与光纤材料中的声速成正比，而声速与光纤的温度和所受的应力有关，因此布里渊频移随着温度与应力的变化而变化。典型的布里渊频移量（即布里渊散射谱相对于入射光频谱的频率变化量）为几十吉赫兹。理论和实验证明，光纤中的布里渊散射信号的布里渊频移与光纤周围的温度和应变近似呈线性变化关系，因此利用这种原理可以制成基于布里渊散射效应的光时域反射计（BOTDR），用来测量光纤沿线的温度和应力分布。

为了获得布里渊频移量，一般通过布里渊散射谱的中心频率的变化来标记布里渊散射谱的移动。现有的BOTDR系统一般通过频率扫描的方式来获得光纤上每一处位置的布里渊散射谱，该散射谱是由散点数据构成的，因此需要通过寻峰方法获得布里渊散射谱的中心频率。传统的寻峰方法是，以最小二乘准则为判定准则，通过Levenberg-Marquardt算法或者Gauss-Newton算法进行迭代，将系统采集到的离散数据拟合为Lorenz（洛伦兹）曲线或者Pseudo-Voigt（伪-佛脱格）曲线，进而获得目标拟合曲线的各个参数，这样就得到了布里渊散射谱的中心频率。但是，通过曲线拟合的方法进行寻峰，存在以下三个问题：

（1）拟合过程需要合适的初始条件，如果初始条件选取不当，容易造成迭代失败，导致寻峰无果。

（2）拟合过程可能需要上千次的迭代，计算量很大，一是容易造成系统死机，二是耗时较长，影响系统的实时性。

（3）如果采集得到的散点数据没有完全涵盖布里渊散射谱的范围，容易造成拟合结果完全失真。

因此，需要一种易于实现、耗时较短、抗干扰能力强的寻峰方法，来克服现有寻峰方法的缺陷。

发明内容

为了解决布里渊散射谱不完整的问题，本发明提供了一种无需复杂的数据运算，易于实现，寻峰速度快，抗干扰能力强的BOTDR系统的寻峰方法。

为了解决上述问题，本发明的所采取的技术方案是：

一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、采集布里渊散射谱散点数据；（2）、进行数据筛选，缩小寻峰的数据范围；（3）、计算布里渊散射谱的质心；（4）、计算布里渊频移；（5）、根据布里渊频移解调光纤周围的温度或者应变信息。

前述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（2）的具体步骤为：

1）、判断步骤（1）中采集的布里渊散射谱散点数据是否大于开启阈值，当数据大于开启阈值时，存储该数据，否则舍弃该数据；

2）、计算步骤1）中初步筛选得到的数据，计算相邻两点所构成的直线的斜率，计算公式如下：                                               

，其中

为计算得到的斜率，为光电转换后的输出电压，

为扫描频率，为步骤1）中经过初步筛选剩余的数据点数；

3）、判断

的值，如果

>0，记录当前状态为上升状态，同时对上升次数进行计数，否则，记录当前状态为下降状态，同时对下降次数进行计数；

4）、判断上升次数大小，如果上升次数小于设定阈值，则置零；如果上升次数大于设定阈值，则认为上升次数为1时对应的数据（

，

）为布里渊散射谱的起始数据点；

5）、判断下降次数大小，如果下降次数小于设定阈值，则置零；如果下降次数大于设定阈值，则认为下降次数为最大值时对应的数据（

，

）为布里渊散射谱的终止数据点。

前述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（3）计算布里渊散射谱的质心：计算公式如下：，其中，

为质心，

为扫描频率，

为光电转换后的输出电压。

前述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（4）计算布里渊频移：将光纤置于室温

下并保持室温不变，按照上述步骤计算其对应的质心频率，计算布里渊频移

：计算公式如下：，其中

为步骤（3）中计算得到的质心。

前述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（5）根据布里渊频移解调光纤周围的温度或者应变信息：

如果用BOTDR系统进行分布式温度测量，必须保证在测量过程中BOTDR系统的光纤不受到任何应变应力影响，则可利用如下公式计算光纤周围的温度：，其中，

为待测温度，

与分别为步骤（4）中的参考温度和计算得到的布里渊频移, 

为光纤布里渊频移—温度系数，为常数，需通过实验标定；

如果用BOTDR系统进行分布式应变测量，必须保证在测量过程中光纤处于室温下并保持温度不变，则可利用如下公式计算光纤周围的应变：，其中，

为待测应变，

为步骤（4）计算得到的布里渊频移, 

为光纤布里渊频移—应变系数，为常数，需通过实验标定。

本方法的有益效果是，利用布里渊散射谱的对称性和布里渊频移与温度和应力之间的线性关系，将数据采集得到的频率-电压离散点看作一个个“质点”。该方法不仅可以克服现有寻峰技术中的大量迭代计算，极大地降低计算量，提高系统实时性，而且还具有较强的抗干扰能力，稳定性较好。

附图说明

图1为本发明BOTDR系统寻峰方法流程图。

图2为本发明寻峰方法中进行数据筛选的流程图。

图3为本发明应用在BOTDR系统的总体系统框图。

图4为本发明应用在BOTDR系统中数据处理处理装置的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图3所示，BOTDR系统中窄带连续波激光器1发出的连续光经95：5耦合器2被分成两路，一路作为探测光，另一路作为本地参考光。探测光路中，探测光经过电光调制器3被调制成脉冲光并被掺饵光纤放大器4放大之后，经光环形器5注入到传感光纤6中，探测脉冲光在传感光纤6中产生背向散射光，包含后向自发布里渊散射光（包含斯托克斯光和反斯托克斯光）和瑞利散射光，该背向散射光即为需要检测的信号光。该信号光经过环形器5后进入掺铒光纤放大器7被放大，之后进入50：50耦合器9与参考光相干。本地参考光路中，95：5耦合器2分出的另一路连续光进入微波电光调制系统8调制，调制后的参考光相对于光源1的频移约为11GHz。调制后的光信号与探测光路反射回来的斯托克斯布里渊散射光频率相距数百兆赫兹，两路光在耦合器9处相干，相干后的光信号经光电探测器10转换为电信号。为了检测光电探测器10输出的电信号，采用电外差接收法，通过数据处理装置14发出控制信号，控制外差接收机11产生不同频率的电信号，该电信号与光电探测器10中输出的电信号进行外差运算后进入带通滤波器12。带通滤波器12输出的模拟信号进入模数转换装置13转换成数字信号。模数转换装置13输出的数字信号进入数据处理装置14，经过包络解调、信号去噪、寻峰和温度/应变解调等步骤，最终得到光线沿线的温度/应变分布信息，传送到上位机15上进行显示输出。数据处理装置14通过串口或者USB接口或者其他数据传输通道向外差接收机11发出控制信号，控制频率扫描过程。

数据处理装置14的结构原理框图如图4所示，由包络解调模块16、信号去噪模块17、寻峰模块18和温度/应变解调模块19组成。其中寻峰模块18就是本发明寻峰方法的实施例，该模块可以采用硬件电路FPGA模块或者DSP模块来实现，也可以在上位机器中通过程序来实现。

如图1所示，一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、采集布里渊散射谱散点数据。

（2）、如图2所示，进行数据筛选，目的是为了缩小寻峰的数据范围，其具体步骤为：

1）、判断步骤（1）中采集的布里渊散射谱散点数据是否大于开启阈值，当数据大于开启阈值时，存储该数据，否则舍弃该数据；

2）、计算步骤1）中初步筛选得到的数据，计算相邻两点所构成的直线的斜率，计算公式如下：

，其中

为计算得到的斜率，

为光电转换后的输出电压，为扫描频率，

为步骤1）中经过初步筛选剩余的数据点数；

3）、判断

的值，如果

>0，记录当前状态为上升状态，同时对上升次数进行计数，否则，记录当前状态为下降状态，同时对下降次数进行计数；

4）、判断上升次数大小，如果上升次数小于设定阈值，则置零；如果上升次数大于设定阈值，则认为上升次数为1时对应的数据（，）为布里渊散射谱的起始数据点；

5）、判断下降次数大小，如果下降次数小于设定阈值，则置零；如果下降次数大于设定阈值，则认为下降次数为最大值时对应的数据（，

）为布里渊散射谱的终止数据点。

（3）、计算布里渊散射谱的质心，计算公式如下：计算公式如下：

，其中，

为质心，为扫描频率，为光电转换后的输出电压。

（4）、计算布里渊频移，具体步骤为：将光纤置于室温

下并保持室温不变，按照上述步骤计算其对应的质心频率

，计算布里渊频移

：计算公式如下：，其中

为步骤（3）中计算得到的质心。

（5）、根据布里渊频移解调光纤周围的温度和应变信息，具体步骤为：

如果用BOTDR系统进行分布式温度测量，必须保证在测量过程中BOTDR系统的光纤不受到任何应变应力影响。则可利用如下公式计算光纤周围的温度：

，其中，

为待测温度，

与分别为步骤（4）中的参考温度和计算得到的布里渊频移, 为光纤布里渊频移—温度系数，为常数，需通过实验标定。

如果用BOTDR系统进行分布式应变测量，必须保证在测量过程中光纤处于室温

下并保持温度不变。则可利用如下公式计算光纤周围的应变：

，其中，为待测应变，

为步骤（4）计算得到的布里渊频移, 为光纤布里渊频移—应变系数，为常数，需通过实验标定。

由以上步骤可以看出，本发明寻峰方法通过筛选数据得到布里渊散射谱数据范围，然后将数据采集得到的频率-电压离散点看作一个个“质点”，进行质心法寻峰，计算步骤简单，易于实现，同时具有较高的抗干扰能力。

本发明寻峰方法是一种近似的寻峰方法，寻找的不是布里渊散射谱中心频率，而是布里渊散射谱的“质心”。本发明应用的前提是，假设在测量过程中温度/应变信息稳定不变，这就要求扫频的过程要非常快，也即测量和数据处理时间非常短，因为这样才能保证本发明寻峰算法的测量精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (5)

1.一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、采集布里渊散射谱散点数据；（2）、进行数据筛选，缩小寻峰的数据范围；（3）、计算布里渊散射谱的质心；（4）、计算布里渊频移；（5）、根据布里渊频移解调光纤周围的温度或者应变信息。

2.根据权利要求1所述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（2）的具体步骤为：

1）、判断步骤（1）中采集的布里渊散射谱散点数据是否大于开启阈值，当数据大于开启阈值时，存储该数据，否则舍弃该数据；

2）、计算步骤1）中初步筛选得到的数据，计算相邻两点所构成的直线的斜率，计算公式如下：，其中为计算得到的斜率，                                               

为光电转换后的输出电压，

为扫描频率，

为步骤1）中经过初步筛选剩余的数据点数；

3）、判断

的值，如果

>0，记录当前状态为上升状态，同时对上升次数进行计数，否则，记录当前状态为下降状态，同时对下降次数进行计数；

4）、判断上升次数大小，如果上升次数小于设定阈值，则置零；如果上升次数大于设定阈值，则认为上升次数为1时对应的数据（

，）为布里渊散射谱的起始数据点；

5）、判断下降次数大小，如果下降次数小于设定阈值，则置零；如果下降次数大于设定阈值，则认为下降次数为最大值时对应的数据（

，

）为布里渊散射谱的终止数据点。

3.根据权利要求2所述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（3）计算布里渊散射谱的质心：计算公式如下：

，其中，

为质心，

为扫描频率，

为光电转换后的输出电压。

4.根据权利要求3所述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（4）计算布里渊频移：将光纤置于室温

下并保持室温不变，按照上述步骤计算其对应的质心频率

，计算布里渊频移

：计算公式如下：，其中

为步骤（3）中计算得到的质心。

5.根据权利要求4所述的一种BOTDR系统的寻峰方法，其特征在于：所述步骤（5）根据布里渊频移解调光纤周围的温度或者应变信息：

如果用BOTDR系统进行分布式温度测量，必须保证在测量过程中BOTDR系统的光纤不受到任何应变应力影响，则可利用如下公式计算光纤周围的温度：

，其中，为待测温度，

与

分别为步骤（4）中的参考温度和计算得到的布里渊频移, 为光纤布里渊频移—温度系数，为常数，需通过实验标定；

如果用BOTDR系统进行分布式应变测量，必须保证在测量过程中光纤处于室温下并保持温度不变，则可利用如下公式计算光纤周围的应变：，其中，

为待测应变，为步骤（4）中计算得到的布里渊频移, 为光纤布里渊频移—应变系数，为常数，需通过实验标定。

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