CN113819931B - 一种botdr和botda融合使用的布里渊频移的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种BOTDR和BOTDA融合使用的布里渊频移的提取方法，综合使用BOTDR和BOTDA技术，实现对BOTDA布里渊频移的快速、精准提取，提高采集数据的效率和利用率，在利用BOTDR系统测量反斯托克斯光中心频率的基础上，在BOTDA系统中从反斯托克斯光中心频率向两端以算法中设定的步长扫频，获得对应频率点的布里渊增益，绘制出布里渊增益谱，利用洛伦兹拟合的模型拟合曲线，提取到拟合曲线的中心频率，从而提取出布里渊频移，进而实现对相应物理量的传感。

Description

一种BOTDR和BOTDA融合使用的布里渊频移的提取方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感领域，尤其涉及一种综合利用BOTDR技术和BOTDA技术来提高布里渊频移提取速度和提取精度的提取方法。

背景技术

分布式光纤传感技术是近年来国内外研究的热点之一。与传统的点式传感器相比，分布式光纤传感在管道泄漏、无损检测、入侵预警、断丝检测等方面有天然的优势，分布式光纤传感仅需要一根光纤即可实现海量点式传感器的分布，光纤上每个点都可视为传感器，因此光纤传感的测量范围远超过普通的传感器，其传感距离往往长达几十公里。且光纤本身不仅是传感元件，同时也是信号的传输元件，大大提高了整个系统结构上的紧凑性。目前在分布式光纤测量领域，基于光时域反射原理的BOTDA技术凭借着测量距离长、空间分辨力高的优势，在振动传感、沉降监测、温度传感等方面得到广泛研究。

BOTDA技术分别利用脉冲光和连续测量光在传感光纤的两端打光，利用两束光相遇时激发出的布里渊声场来进行测量，当脉冲光和连续光的频率差接近声场的布里渊频移时，脉冲光的能量会转移到微弱的连续光上，因此，利用扫频的方式对连续光的布里渊增益进行扫描，根据扫描结果可以得到布里渊增益关于频率的曲线，通过提取曲线上峰值对应的频率点，即可测得相应的布里渊频移，从而可以实现对于温度、应变的测量。

在BOTDA系统中，对于布里渊频移的提取成为最重要的技术之一。传统的提取方法有两种类型，分别是基于深度学习神经网络的提取和基于数学运算拟合曲线的提取，这两种类型的方法都具备一定的局限性。在实际应用中，采集到的数据点往往不能满足标准的洛伦兹曲线，由于存在噪声等因素，采集到的数据往往呈现出图1所示的排布，即在相当长的一段频率范围内，布里渊增益没有明显变化，这段频率点对于布里渊频移的提取没有贡献。这种情况下，原有的提取方法大大降低了频移的提取效率，造成了极大的资源浪费。

相比于BOTDA的两端打光方式，BOTDR技术与BOTDA都是基于布里渊效应的测量，不同的是，BOTDR仅仅是单端打光，图2所示为BOTDA和BOTDR在结构上的差别。相比于BOTDA对各频段布里渊增益的扫描，BOTDR探测的是接受到的反斯托克斯光相对于入射光脉冲的波长的偏移，其数据分析难度要远低于BOTDA。但是，BOTDR的传感距离和空间分辨力要低于BOTDA，因此，本发明综合利用两种技术的优点，综合利用BOTDR和BOTDA，实现对BOTDA布里渊频移的快速、精准提取，提高采集数据的效率和利用率。

发明内容

本发明设计了图3所示的结构，将BOTDR与BOTDA联用，用以实现对布里渊频移的提取，进一步实现对振动信号、温度等物理量的传感。与传统的BOTDA扫频采集数据的方式相比，本发明减少了数据点的采集数目，大大减少了无用数据的采集，进一步提升了数据的利用效率，同时也提高了布里渊频移的提取精度。

本发明具体内容如下。

在实际应用中，通常使用传感光缆来实现物理量的传感和信号的传输，传感光缆的内部包含多根光纤，为了增强测量系统的结构紧凑性，利用图3所示的结构对相关物理量进行测量，选取传感光缆中的两根光纤分别作为传感光纤1和传感光纤2。通过环形器2接收来自传感光纤2的后向斯托克斯光，得到BOTDR系统中反斯托克斯光的中心波长。所述的反斯托克斯光的中心波长对应的光频率ν₀'相比于入射脉冲光存在频移Δν'，该频移与BOTDA系统中的布里渊频移Δν十分接近，因此，可以利用BOTDR系统的测量结果来提高BOTDA中的布里渊频移的提取精度。

在BOTDR系统中得到ν₀'后，以该频率为中心，对BOTDA采集到的数据点，分别以特定的步长在设定频率范围内扫频，获得对应点上的布里渊增益，绘制出当前BOTDA系统的布里渊增益谱，提取出谱中的布里渊频移，从而实现对相应物理量的传感。

传统的扫频方式为均匀扫描，在这种扫描方式下，低频段和高频段大量的点被浪费，对布里渊频移的提取贡献度很低，同时中心频率处扫描点数目不足，影响洛伦兹拟合的精度。若增加采样率，则对系统中设备的要求过高，且大大增加了扫描点个数，增加了数据处理时间。通过如下的算法，可以在保证中心频率处足够数目扫描点的情况下，同时减少对于无用点的扫描，从而提升数据采集和数据处理的效率。具体的，本发明涉及的扫频过程如下。

步骤1，在以频率ν₀'为中心的±40MHz的范围内，分别向低频段和高频段以采集卡的最小响应频率间隔f_min来进行扫频，采集响应频率点上的布里渊增益。将步骤1中扫频结束后的频率下限点和频率上限点分别记为ν₁和ν₂。

步骤2，以ν₁和ν₂为起点，分别向低频段和高频段继续扫频，采集对应频率点处的布里渊增益，此时扫频的步长不再是一个定值，具体的，扫频步长的变化如下。

首先以频率间隔f₁向两端扫描下一个频率点x₁和x₁'，其中f₁＝f_min，x₁表示左侧低频频率点，x₁'表示右侧高频频率点。完成第一个扫描点后，以频率间隔f₂向两端扫描下一个频率点x₂和x₂'，此时的f₂满足f₂＝kf₁，其中k的取值为大于0的正数，默认情况下k取1。完成x₂和x₂'的扫描之后，继续更改频率间隔，以频率间隔f_i向两端扫描下一个频率点x_i和x_i'，此时的f_i满足f_i＝f_i-1+f_i-2。

按照上述迭代方式，直到扫描频率点达到设定的频率范围ν_min和ν_max，则本次扫描完成。

步骤3，一般的，当使用步骤1和步骤2中的方法扫描出布里渊增益谱时，可以通过数据拟合拟合出对应的曲线，从而提取出布里渊频移。同时，当采集卡最小扫描频率间隔过大造成采样点数较少时，可以在完成步骤1和步骤2的基础上，改变步骤2中的k值，进行二次迭代甚至多次迭代，进一步增加采样点的数目。

当采用步骤3中的方法进行多次迭代采样时，在个别频率点处可能会重复采样，对于该点处多次采集的布里渊增益作加权平均处理，具体的，计算公式如下。

其中，A表示该频率点处的布里渊增益，n表示在该点处采集的次数。

至此，通过上述步骤，在利用BOTDR系统测量反斯托克斯光中心频率ν₀'的基础上，在BOTDA系统中从ν₀'向两端以算法中设定的步长扫频，获得对应频率点的布里渊增益，绘制出布里渊增益谱，利用洛伦兹拟合的模型拟合曲线，提取到拟合曲线的中心频率ν₀，从而提取出布里渊频移Δν。

附图说明

图1是实际情况中BOTDA系统扫频得到的布里渊增益谱和拟合出的洛伦兹曲线，图中的布里渊增益与频率仅供说明问题，图中峰值频率的具体数值与实际的BOTDA系统存在差异。

图2是BOTDR系统和BOTDA系统各自的结构图。

图3是本发明中设计的BOTDR系统与BOTDA系统联用的结构图。

图4是本发明中涉及的布里渊提取方法的流程图。

图5是本发明中涉及的步长迭代算法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。

本发明所涉及的技术方案的具体实施方式如下。

步骤1，根据包括气候、温度、土壤湿度等多种因素综合考虑，选择符合用户需求的光缆，并随机选取光缆中的两根光纤作为图3中的传感光纤1和传感光纤2，利用相关设备检查传感光纤光路的通畅，并选取相应的数据采集装置，搭建图3中的BOTDR与BOTDA联用系统。应当注意在光缆铺设中避免光缆受到外部的严重挤压和弯折，应当注意在光缆中光纤与硬件连接的过程中注意光纤熔接处的损耗不能超过0.02dB，应当注意光缆铺设后应当尽量处于伸直状态。

步骤2，启动图3的窄线宽光源和脉冲调制器，将脉冲光通过2×2耦合器打入BOTDR和BOTDA测量光路，同时也启动右侧的连续探测光源。

步骤3，利用图3中的光电探测器PD2、采集卡及数据处理系统提取传感光缆2上后向反斯托克斯光的中心波长及其相对于入射光脉冲的频率变化，根据式

求得反斯托克斯光的中心频率ν₀'，其中λ_in和λ_back分别表示入射光和后向斯托克斯光的波长，ν_in和ν_back分别表示入射光和后向斯托克斯光的光频率。

步骤4，将步骤3中得到的BOTDR的反斯托克斯光的中心频率ν₀'传输给BOTDA模块，用来控制BOTDA系统进行下一步的扫频。

步骤5，BOTDA系统在以频率ν₀'为中心的±40MHz的范围内，分别向低频段和高频段方向以采集卡的最小响应频率间隔f_min来进行扫频，采集相应频率点上的布里渊增益。当扫频范围达到±40MHz时，本步骤结束，将步骤5中扫频结束后的频率下限点和频率上限点分别记为ν₁和ν₂。

步骤6，以ν₁和ν₂为起点，分别向低频段和高频段方向继续扫频，采集对应频率点处的布里渊增益，以频率间隔f₁向两端扫描下一个频率点x₁和x₁'，其中f₁＝f_min，x₁表示左侧低频频率点，x₁'表示右侧高频频率点，下同。

步骤7，完成步骤6之后，以频率间隔f₂向两端扫描下一个频率点x₂和x₂'对应的布里渊增益，f₂满足f₂＝kf₁，其中k的取值为大于0的正数，默认情况下，在步骤7中k取1。

步骤8，完成步骤7中x₂和x₂'的扫描之后，继续更改扫描频率间隔，以频率间隔f_i向两端扫描下一个频率点x_i和x_i'，此时的f_i满足f_i＝f_i-1+f_i-2。按照这种迭代方式重复本步骤，直到扫描频率点达到设定的频率范围ν_min和ν_max，则本次扫描完成。

步骤9，在完成步骤1～步骤8之后，将当次扫描数据进行整理，得到当次扫描后的布里渊增益谱S₁。

步骤10，更改步骤7中的k值为1.5，重复步骤6～步骤8，完成第二次扫描，此时的扫描频率点较步骤9有所增加，对与步骤8中重复扫描的点进行标记以待后续数据处理，得到第二次的布里渊增益谱S₂。

步骤11，根据实际的扫描效果，可以通过修改步骤7中k的值，重复步骤6～步骤10，当重复扫描n次之后，得到了每次扫描后的布里渊增益谱S₁、S₂……S_n。

步骤12，根据步骤10中的标记寻找S₁、S₂……S_n中的重复扫描点，将各重复扫描点的布里渊增益按照下式作加权平均处理，作为该点的布里渊增益。

其中，A表示该频率点处的布里渊增益，n表示在该点处采集的次数。

步骤13，将除步骤12中的重复扫描点之外的布里渊增益谱S₁、S₂……S_n叠加，重复扫描频率点的布里渊增益为步骤12中的计算结果，得到最终的布里渊增益谱S。

步骤14，对步骤13中的布里渊增益谱S作洛伦兹曲线拟合，修改模型中的参数以满足各频率点最小二乘原则，拟合出曲线之后，根据拟合曲线峰值对应的中心频率点ν₀求得BOTDA系统的布里渊频移Δν，从而实现本发明的功能。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种BOTDR和BOTDA融合使用的布里渊频移的提取方法，其特征在于，在待测光缆中选取两根光纤，分别作为传感光纤1和传感光纤2，分别对应BOTDA系统和BOTDR系统，在两根所述光纤的一端接入脉冲光源，在所述传感光纤1的另一端接入连续光源，通过环形器接收来自传感光纤2的后向斯托克斯光，得到BOTDR系统中反斯托克斯光的中心波长，所述反斯托克斯光的中心波长对应的光频率为ν₀'，在BOTDR系统中得到ν₀'后，以该频率为中心，对BOTDA采集到的数据点，分别以特定的步长在设定频率范围内扫频，获得对应点上的布里渊增益，绘制出当前BOTDA系统的布里渊增益谱，提取出谱中的布里渊频移，从而实现对相应物理量的传感；

该方法具体包括以下步骤：

步骤1，在以频率ν₀'为中心的采集范围内，分别向低频段和高频段以采集卡的最小响应频率间隔f_min来进行扫频，采集响应频率点上的布里渊增益，将步骤1中扫频结束后的频率下限点和频率上限点分别记为ν₁和ν₂；所述采集范围为±40MHz；

步骤2，以ν₁和ν₂为起点，分别向低频段和高频段继续扫频，采集对应频率点处的布里渊增益；扫频的步长具体变化如下：

首先以频率间隔f₁向两端扫描下一个频率点x₁和x₁'，其中f₁＝f_min，x₁表示左侧低频频率点，x₁'表示右侧高频频率点，完成第一个扫描点后，以频率间隔f₂向两端扫描下一个频率点x₂和x₂'，此时的f₂满足f₂＝kf₁，其中k的取值为大于0的正数，默认情况下k取1，完成x₂和x₂'的扫描之后，继续更改频率间隔，以频率间隔f_i向两端扫描下一个频率点x_i和x_i'，此时的f_i满足f_i＝f_i-1+f_i-2，按照上述迭代方式，直到扫描频率点达到设定的频率范围ν_min和ν_max，则本次扫描完成；

步骤3，当使用所述步骤1和所述步骤2中的方法扫描出布里渊增益谱时，可以通过数据拟合拟合出对应的曲线，从而提取出布里渊频移。

2.根据权利要求1所述的BOTDR和BOTDA融合使用的布里渊频移的提取方法，其特征在于，当采集卡最小扫描频率间隔过大造成采样点数较少时，可以在完成所述步骤1和所述步骤2的基础上，改变所述步骤2中的k值，进行二次迭代甚至多次迭代，进一步增加采样点的数目。

3.根据权利要求1所述的BOTDR和BOTDA融合使用的布里渊频移的提取方法，其特征在于，当采用所述步骤3中的方法进行多次迭代采样时，在个别频率点处可能会重复采样，对于该点处多次采集的布里渊增益作加权平均处理，具体的，计算公式如下：

其中，A表示该频率点处的布里渊增益，n表示在该点处采集的次数。

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