CN118010187A - 一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，所述方法包括：预处理测量散射谱，并将其与预设的参考散射谱进行互相关卷积运算，得到互相关谱；查找互相关谱的最大强度PMAX，根据最大强度PMAX和比例系数r确定强度阈值Pth；使用插值法计算互相关谱中强度达到强度阈值Pth时对应的频率，分别为高截止频率vH和低截止频率vL；根据截止频率计算得到测量散射谱对应的布里渊频移vB和半高全宽ΔvB。本发明能够在具有布里渊频移提取精度和传统曲线拟合法相当的同时，提高处理速度，并且还能够同时提取布里渊散射谱的半高全宽。
Description
技术领域
本发明属于分布式布里渊光纤传感技术领域，具体来说涉及一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法。
背景技术
分布式布里渊光纤传感技术通过提取与光纤物理状态相关的布里渊散射谱特征，可以实现温度和应变等参数在空间上的连续测量，监测距离可达百公里，具有大范围、长距离和大容量传感的优势，可应用于能源，桥梁、隧道、轨道、建筑物结构健康监测等领域。
在通过布里渊传感解调设备得到布里渊散射谱后，提取散射谱特征来获取温度和应变信息十分关键。在实际工程应用中，快速、准确的布里渊散射谱特征提取技术可以有效改善分布式布里渊光纤传感技术的响应时间和测量精度。目前有多种方法，主要可以分为两类：
第一类是曲线拟合方法，其中最为成熟且通用的方案是通过洛伦兹曲线对采集得到的散射谱数据进行最小二乘拟合，通过拟合得到的曲线参数即可获取布里渊散射谱特征信息，该特征提取方法虽然计算精度较好，但是需要大量迭代计算，耗时很长。
第二类是互相关算法，互相关算法的原理是将待测布里渊散射谱与理想的参考谱做互相关运算，得到的相关信号的中心频率即为布里渊频移与理想参考谱中心频率之和，相关信号的半高全宽为待测布里渊散射谱半高全宽与理想的参考谱半高全宽之和。合有布里渊频移和半高全宽的布里渊散射特征信息有利于传感信号特征的全面保留，并且论文和实际测试表明，布里渊频移和半高全宽对温度和应变的响应不完全相同，同时获取这两种特征还能够实现如温度、应变同时测量等功能。互相关算法中，获取相关信号的中心频率也分为了多种方法，如基于峰值查找的互相关法，该方法计算速度快，但是计算精度很低；又如基于插值法的互相关算法，该方法计算精度取决于插值计算的密度，可以达到较高的水平，但是计算速度低；再如基于高阶质心法的互相关算法，其计算速度快、计算精度较高。并且上述三种方法都只能取得频移特征，特征提取不完整。
发明内容
本发明提供一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，以解决背景技术中提出的现有的散射谱特征提取方法存在的处理速度较慢、处理精度较差以及信息提取不完全等问题。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，所述方法包括：
预处理测量散射谱，并将其与预设的参考散射谱进行互相关卷积运算，得到互相关谱；
查找互相关谱的最大强度PMAX，根据最大强度PMAX和比例系数r确定强度阈值Pth；
使用插值法计算互相关谱中强度达到强度阈值Pth时对应的频率，分别为高截止频率vH和低截止频率vL；
根据截止频率计算得到测量散射谱对应的布里渊频移vB和半高全宽ΔvB。
优选地，所述预处理为数据归一化。
优选地，所述归一化公式表示为：
式中，SB为布里渊散射谱，SB_normalization为归一化后的布里渊散射谱，max()为最大值函数。
优选地，所述参考散射谱的构造函数为洛伦兹函数或pseudo-Voigt函数。
优选地，所述插值法为拉格朗日插值法。
优选地，所述布里渊频移vB和半高全宽ΔvB：
ΔvB＝Cth·(vH-vL)-ΔvR
其中，ΔvR为参考散射谱的半高全宽，Cth是根据比例系数r确定的线宽转换系数，具体为
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能够在具有布里渊频移提取精度和传统曲线拟合法相当的同时，提高处理速度，并且还能够同时提取布里渊散射谱的半高全宽。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明方法的原理图。
图3为使用不同方法在不同信噪比条件下的布里渊频移测量标准差对比图。
图4为使用不同方法在不同信噪比条件下的半高全宽测量标准差对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了说明的清晰，对本说明书中专有技术词进行具体解释：
布里渊频移，布里渊散射谱在频谱上的中心频率。
半高全宽，在线性坐标系下，谱线强度为峰值强度一半时对应的谱线宽度。
在此基础上，本发明提供一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101，预处理测量散射谱，该预处理为对测量得到的布里渊散射谱进行数据归一化处理。
该布里渊散射谱来源于基于布里渊散射的各种分布式光纤传感技术的传感信号，通常可以通过布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，简写为BOTDR)或者布里渊光时域分析技术(Brillouin Optical Time Domain Analysis，简写为BOTDA)测量得到。所述布里渊散射谱指的是某一空间采样位置上，不同频率采样点组成的散射谱，因此所述布里渊散射谱包含不同频率时的布里渊散射强度信息。
该步骤101中，由于不同空间距离上得到的布里渊散射谱强度有所不同，因此需要对每一个布里渊散射谱进行归一化处理，归一化公式如下：
式中，SB为布里渊散射谱，SB_normalization为归一化后的布里渊散射谱，max()为最大值函数。
步骤102，将预处理后的测量散射谱与预设的参考散射谱进行互相关卷积运算，得到互相关谱。该参考散射谱的构造函数可以为洛伦兹函数，也可以为pseudo-Voigt函数，本领域技术人员可根据实际情况自行设置。
这里，参考散射谱在本实施例中使用pseudo-Voigt函数进行构造，表示为：
其中，gpV(v)为pseudo-Voigt函数，gL(v)为洛伦兹函数，gG(v)为高斯函数；α为线型系数，当α为1时，gpV(v)为洛伦兹线型，当α为0时，gpV(v)为高斯线型；gp为布里渊散射峰值，vB为布里渊频移，ΔvBL为洛伦兹函数的半高全宽，ΔvBG为高斯函数的半高全宽。
步骤103，查找互相关谱的最大强度PMAX，根据最大强度PMAX和预先设定的比例系数r确定强度阈值Pth：
Pth＝r·PMAX。
参照图2所示，该步骤103中，在步骤102获得的互相关谱中查找峰值点，该峰值点对应的散射强度即为最大强度PMAX。
步骤104，使用插值法计算互相关谱中强度达到强度阈值Pth时对应的频率，分别为低截止频率vL和高截止频率vH。
参照图2所示，步骤104中，在互相关谱中查找强度位于强度阈值Pth附近的多个采样点，然后以这一系列采样点的横坐标和纵坐标作为数据进行插值计算，以精确定位强度阈值Pth对应的截止频率vL和vH。
本实施例采用拉格朗日插值法来计算截止频率，以获得较高的精度和较快的处理速度。
步骤105，通过为高截止频率vH和低截止频率vL，计算得到测量散射谱的布里渊频移vB和半高全宽ΔvB：
ΔvB＝Cth·(vH-vL)-ΔvR
其中，ΔvR为参考散射谱的半高全宽，Cth是根据比例系数r确定的线宽转换系数，具体为
当比例系数为0.5时，Cth＝1，此时截止频率的差值是测量散射谱和参考散射谱的半高全宽之和，也即ΔvB+ΔvR＝vH-vL，因此截止频率差值减去参考散射谱的半高全宽之后即可得到测量散射谱的半高全宽。
本实施例采用的比例系数为0.75～0.95，以获得更高的精度。
图3示出了本发明方法和曲线拟合方法以及高阶质心法在不同信噪比条件下的布里渊射谱频移测量标准差对比，由图3可知，本发明方法(Proposed method)和曲线拟合方法(Lorentzian Curve Fitting，LCF metohd)以及高阶质心法(Centroid method)这三种方法的布里渊频移标准差十分接近，说明本发明方法在计算布里渊频移时具有较高的精度。
图4示出了本发明方法和曲线拟合方法在不同信噪比条件下的半高全宽测量标准差对比，由于高阶质心法无法获得半高全宽，因此不进行对比。由图4可知，本发明方法和曲线拟合方法的半高全宽计算精度较为接近。
本发明中，由于测量散射谱和参考散射谱以及互相关谱均为关于频率对称的谱形，因此可以使用截止频率来计算谱的中心频率和带宽，即布里渊频移和半高全宽。使用插值法和截止频率计算得到的布里渊频移，精度高于传统直接将互相关谱强度最大值对应频率作为布里渊频移的方法，且与曲线拟合法的精度相当。使用插值法和截止频率法计算布里渊频移的过程中，只需要在强度阈值附近选取少量采样点进行运算，因此相较于传统的插值法和高阶质心法，本方法计算量低、处理时间快；此外，使用截止频率计算布里渊频移的同时，也能够计算得到布里渊散射谱的半高全宽，提取的散射谱信息更全面。
Claims (6)
1.一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，其特征在于，所述方法包括：
预处理测量散射谱，并将其与预设的参考散射谱进行互相关卷积运算，得到互相关谱；
查找互相关谱的最大强度PMAX，根据最大强度PMAX和比例系数r确定强度阈值Pth；
使用插值法计算互相关谱中强度达到强度阈值Pth时对应的频率，分别为高截止频率vH和低截止频率vL；
根据截止频率计算得到测量散射谱对应的布里渊频移vB和半高全宽ΔvB。
2.如权利要求1所述的一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，其特征在于，所述预处理为数据归一化。
3.如权利要求2所述的一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，其特征在于，所述归一化公式表示为：
式中，SB为布里渊散射谱，SB_normalization为归一化后的布里渊散射谱，max()为最大值函数。
4.如权利要求1所述的一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，其特征在于，所述参考散射谱的构造函数为洛伦兹函数或pseudo-Voigt函数。
5.如权利要求1所述的一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，其特征在于，所述插值法为拉格朗日插值法。
6.如权利要求1所述的一种分布式布里渊光纤传感散射谱特征提取方法，其特征在于，所述布里渊频移vB和半高全宽ΔvB：
ΔvB＝Cth·(vH-vL)-ΔvR
其中，ΔvR为参考散射谱的半高全宽，Cth是根据比例系数r确定的线宽转换系数，具体为
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