CN103968864A - 用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于准确测量布里渊谱频移的最大相似匹配分析方法，预先测得光纤在未受应力和温度状态下的原始布里渊谱作为参考谱，将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，逐渐移动测量谱并比较其与截取的部分参考谱的形状，利用相关系数描述两者的相似程度，当计算出的相关系数最大时，此时测量谱的移动值即为此时光纤布里渊频移的改变值。使用本发明分析方法可更加准确测量最终的频移值，使测量的结果更加精确；克服了洛伦兹拟合只能在布里渊谱为单峰时有效的缺点，同时该方法运算简单，简化了数据分析的难度，测量时扫频较窄，频谱采样步进较小，减少了测量的时间。

Description

用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法。

背景技术

光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等特点，使得光纤传感系统将成为传感器系统的主流，并逐步替代传统的传感器系统。光纤上的物理量诸如：压力、温度、湿度、电场、磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变化，从而使光纤中传导的光波产生各种光学效应，如：散射、偏振、强度改变等等。通过检测光纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变、水位等物理量的检测。近年光电子器件的迅猛发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、光电信号的探测与处理等等技术的发展，使光纤用来做分布式传感器系统成为了现实。

布里渊光纤传感器利用探测光源向光纤中发射的脉冲光产生布里渊散射谱，理想的布里渊谱符合洛伦兹曲线分布，因此传统方法利用单个的洛伦兹曲线对布里渊谱进行拟合，获得布里渊频移。由于光纤中含有不同杂质等因素的影响，实际中生产的许多单模光纤的布里渊谱出现多峰的现象，无法用单个洛伦兹曲线进行准确描述。对不规则布里渊谱使用多个洛伦兹曲线叠加进行拟合，得到的频移曲线依然有较大波动，不能准确反映光纤布里渊频移的真实值；另外，曲线拟合的方法基于最小二乘法的原理，需要不断调整曲线的参数，使之与布里渊谱的差相对较小，该过程耗时较大，信号处理的速度慢。如何解决现有技术的不足已成为现有光纤传感技术领域的一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提出用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法，预先获得光纤在未受应力和温度状态下的原始布里渊谱作为参考谱，逐渐移动实际测量时测量谱并比较其与参考谱的形状，利用相关系数描述两者的相似程度；当相关系数取最大值时，测量谱的移动值即为实际的频移改变值。该方法准确获得了布里渊谱的频移改变值并且减少了测量时间。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法，预先测量光纤在未受应力和温度状态下的原始布里渊谱作为参考谱，将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，逐渐移动测量谱并比较其与截取的部分参考谱的形状，利用相关系数描述两者的形状相似程度，当相关系数取最大值时，测量谱的移动值即为实际的频移改变值。

作为本发明的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法的进一步优化的方案，具体包括以下步骤：

步骤一、在光纤未受应力和温度改变的情况下，布里渊光纤传感器测量光纤的布里渊信号，得到的布里渊谱作为参考谱为{G(f₀+mF₀)|m＝0,1,...,M-1}，其中f₀为参考谱的扫频的初始频率，M为参考谱的扫频的总数，F₀为参考谱的扫频间隔；

步骤二、将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，测量谱为{g(f+n·F(n)|n＝0,1,...,N-1}，其中f为实际测量时扫频的初始频率，N为实际测量时扫描的频率总数，F(n)为实际测量的扫频间隔，应为参考谱的扫频间隔F₀的整数倍，对于不同的扫频次数，它可以取相同或不同的值，测量谱的扫频范围在参考谱的扫频范围之内；

步骤三、移动测量谱的位置，使该测量谱的初始频率对应于参考谱的某一频率f_j，从参考谱中按照测量谱的扫频点截取部分参考谱，将f_j作为截取的部分参考谱的初始频率，截取的部分参考谱为{G(f_j+n·F(n))|n＝0,1,...,N-1}；

步骤四、将步骤三中截取的部分参考谱与测量谱按照如下公式进行计算得到相关系数C(f_j)：

$C\left(f_j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G_j})(g\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{g})}{{\left\{\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G_j})}^2\right)\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(g\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{g})}^2\right)\right\}}^{1/2}}$

其中f_i为截取的部分参考谱中的某一频率，G_j(f_i)为初始频率为f_j的截取的部分参考谱在频率f_i位置处的值，g(f_i)为测量谱在频率f_i位置处的值，其中和分别为截取的部分参考谱和测量谱的平均值；

步骤五、改变截取的部分参考谱的初始频率f_j，截取不同的参考谱部分，并依次计算其与测量谱的相关系数，当相关系数为最大时，此时测量谱的移动值即为此时光纤布里渊频移的改变值f_BS， $f_{\mathrm{BS}}=f-\underset{f_j}{\arg }\max C\left(f_j\right).$

作为本发明的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法的进一步优化的方案，所述步骤一中测量参考谱为进行测量次数大于等于1000次后取平均值得到的参考谱。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明预先获得光纤在未受应力和温度状态下的原始布里渊谱作为参考谱，逐渐移动实际测量时的测量谱并比较其与参考谱的形状，利用相关系数描述两者的相似程度，当相关系数取最大值时，测量谱的移动值即为实际的频移改变值。该方法更加准确测量最终的频移值，使测量的结果更加准确；克服了洛伦兹拟合只能在布里渊谱为单峰时有效的缺点，同时该方法运算简单，简化了数据分析的难度，测量时扫频较窄采样率较低，减少了测量的时间。

附图说明

图1是采用光时域反射技术的布里渊光纤传感器示意图。

图2是截取部分的参考谱和测量谱的形状相似图。

图3是使用布里渊光纤传感器测量光纤末端50m长度上的温度。

图4是本实施例的布里渊光纤传感器测得参考谱。

图5是通过本发明的方法最后得到的光纤中的布里渊频移改变值分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是采用光时域反射技术的布里渊光纤传感器示意图，布里渊光纤传感器中，由激光器发出的连续光经过调制器调脉冲光，注入光纤后产生后向的布里渊散射，最终被探测系统所接收。布里渊散射信号被探测系统接收后，经过信号处理可以获得光纤不同位置所对应的布里渊谱，最后通过布里渊散射信号的频移变化量与温度和应力的关系获得温度和应力沿光纤的分布情况。本发明方法为了获得不受布里渊谱形状限制时的频移改变值，预先使用较高的采样率对光纤的布里渊谱进行采样，得到扫频范围较宽的原始谱。因为一段原始光纤在各个位置处的布里渊谱几乎相同，因此得到的布里渊谱可以作为该光纤的参考布里渊谱。实际监测时，获得的布里渊谱的扫频间隔可以大于参考谱。通过将移动测量谱，并与参考谱的形状依次进行相似性比较，寻找到两者形状中最为相似的部分，从而确定布里渊频移的改变值。

如图2所示是截取部分的参考谱和测量谱的形状相似图，从参考谱中选取与测量谱形状相似的部分，计算两者的频率差，就可以得到所求的频移改变值。

如图3所示是使用布里渊光纤传感器测量光纤末端50m长度上的温度，本示例中利用布里渊光纤传感器对长度约为2km的单模光纤进行传感，使长度为50m的光纤末端温度改变了30℃。

如图4所示,为本实施例的布里渊光纤传感器测得参考谱，本发明提出的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法，预先测量光纤在未受应力和温度状态下的原始布里渊谱作为参考谱，将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，逐渐移动测量谱并比较其与截取的部分参考谱的形状，利用相关系数描述两者的形状相似程度，当相关系数取最大值时，测量谱的移动值即为实际的频移改变值。

本发明的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法的进一步优化的方案，按以下步骤：

步骤一、在光纤未受应力和温度改变的情况下，布里渊光纤传感器测量光纤的布里渊信号，得到的布里渊谱作为参考谱为{G(f₀+mF₀)|m＝0,1,...,M-1}，其中f₀为参考谱的扫频的初始频率，M为参考谱的扫频的总数，F₀为参考谱的扫频间隔；

步骤二、将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，测量谱为{g(f+n·F(n)|n＝0,1,...,N-1}，其中f为实际测量时扫频的初始频率，N为实际测量时扫描的频率总数，F(n)为实际测量的扫频间隔，应为参考谱的扫频间隔F₀的整数倍，对于不同的扫频次数，它可以取相同或不同的值，测量谱的扫频范围在参考谱的扫频范围之内；

步骤三、移动测量谱的位置，使该测量谱的初始频率对应于参考谱的某一频率f_j，从参考谱中按照测量谱的扫频点截取部分参考谱，将f_j作为截取的部分参考谱的初始频率，截取的部分参考谱为{G(f_j+n·F(n))|n＝0,1,...,N-1}；

步骤四、将步骤三中截取的部分参考谱与测量谱按照如下公式进行计算得到相关系数C(f_j)：

$C\left(f_j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G_j})(g\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{g})}{{\left\{\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G_j})}^2\right)\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(g\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{g})}^2\right)\right\}}^{1/2}}$

其中f_i为截取的部分参考谱中的某一频率，G_j(f_i)为初始频率为f_j的截取的部分参考谱在频率f_i位置处的值，g(f_i)为测量谱在频率f_i位置处的值，其中和分别为截取的部分参考谱和测量谱的平均值；

步骤五、改变截取的部分参考谱的初始频率f_j，截取不同的参考谱部分，并依次计算其与测量谱的相关系数，当相关系数为最大时，此时测量谱的移动值即为此时光纤布里渊频移的改变值f_BS， $f_{\mathrm{BS}}=f-\underset{f_j}{\arg }\max C\left(f_j\right).$

上述步骤一中为了提高最终结果的准确性，可以增加获得参考谱时的平均次数。由于参考谱为预先获得，获得参考谱的过程并不影响实际测量的时间，步骤一中测量参考谱为进行测量次数大于等于1000次后取平均值得到的参考谱。

按照上述步骤一的方法在光纤未受应力和温度改变的情况下，布里渊光纤传感器测量光纤的布里渊信号，得到的布里渊谱作为参考谱，扫频范围为10.7GHz至11.1GHz，扫频间隔为1MHz，测量2¹⁷次后取平均值获得参考谱。将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，按照步骤二的方法，扫频范围为10.75GHz至11GHz，扫频间隔为5MHz，平均2¹⁶次后得到测量谱。测量谱的扫频范围在参考谱的扫频范围之内。按照上述步骤三，从参考谱的初始频率开始，按照与测量谱相同的频率间隔和频率点数选取一部分。按照上述步骤四，利用相关系数的公式计算该部分参考谱与测量谱的相关系数。依次选取不同截取部分的参考谱，并计算其与测量谱的相关系数。当相关系数达到最大值时，该部分参考谱与测量谱的频率差就为所求的频移改变值。

如图5所示，是通过本发明的方法最后得到的光纤中的布里渊频移改变值分布图。图中2.01km前的光纤未受温度，频移改变值为0；2.25km位置附近的光纤受到温度影响，频移发生改变，测量所得频移改变值为30MHz。通过图5可以看出该方法准确获得了光纤末端的布里渊频移改变值，精度较高，结果的标准差仅为0.15MHz。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法，其特征在于，预先测量光纤在未受应力和温度状态下的原始布里渊谱作为参考谱，将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，逐渐移动测量谱并比较其与截取的部分参考谱的形状，利用相关系数描述两者的形状相似程度，当相关系数取最大值时，测量谱的移动值即为实际的频移改变值。

2.根据权利要求1所述的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、在光纤未受应力和温度改变的情况下，布里渊光纤传感器测量光纤的布里渊信号，得到的布里渊谱作为参考谱为{G(f₀+mF₀)|m＝0,1,...,M-1}，其中f₀为参考谱的扫频的初始频率，M为参考谱的扫频的总数，F₀为参考谱的扫频间隔；

步骤二、将实际测量得到的布里渊谱作为测量谱，测量谱为{g(f+n·F(n)|n＝0,1,...,N-1}，其中f为实际测量时扫频的初始频率，N为实际测量时扫描的频率总数，F(n)为实际测量的扫频间隔，应为参考谱的扫频间隔F₀的整数倍，对于不同的扫频次数，它可以取相同或不同的值，测量谱的扫频范围在参考谱的扫频范围之内；

步骤三、移动测量谱的位置，使该测量谱的初始频率对应于参考谱的某一频率f_j，从参考谱中按照测量谱的扫频点截取部分参考谱，将f_j作为截取的部分参考谱的初始频率，截取的部分参考谱为{G(f_j+n·F(n))|n＝0,1,...,N-1}；

步骤四、将步骤三中截取的部分参考谱与测量谱按照如下公式进行计算得到相关系数C(f_j)：

$C\left(f_j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G_j})(g\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{g})}{{\left\{\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G_j})}^2\right)\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(g\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{g})}^2\right)\right\}}^{1/2}}$

其中f_i为截取的部分参考谱中的某一频率，G_j(f_i)为初始频率为f_j的截取的部分参考谱在频率f_i位置处的值，g(f_i)为测量谱在频率f_i位置处的值，其中和分别为截取的部分参考谱和测量谱的平均值；

步骤五、改变截取的部分参考谱的初始频率f_j，截取不同的参考谱部分，并依次计算其与测量谱的相关系数，当相关系数为最大时，此时测量谱的移动值即为此时光纤布里渊频移的改变值f_BS， $f_{\mathrm{BS}}=f-\underset{f_j}{\arg }\max C\left(f_j\right).$

3.根据权利要求2所述的用于准确测量布里渊谱的频移的最大相似匹配分析方法，其特征在于，所述步骤一中测量参考谱为进行测量次数大于等于1000次后取平均值得到的参考谱。