[發(fā)明專利]基于改進(jìn)二次多項式擬合的布里淵頻移快速準(zhǔn)確提取方法

有效

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• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111121836B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐志鈕;趙麗娟
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)（保定）
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 13108
• 代理人: 李羨民;高錫明

一種基于改進(jìn)二次多項式擬合的布里淵頻移快速準(zhǔn)確提取方法，所述方法是在分布式光纖傳感器所輸出的測量信號中，以布里淵頻移為中心截取1個布里淵增益譜的線寬Δv_B的譜信號，對該信號進(jìn)行二次多項式處理方法的擬合，得到布里淵譜：g_B(v)＝av²+bv+c，則布里淵頻移為本發(fā)明選取峰值附近對稱的一個線寬的布里淵譜然后采用二次多項式來逼近布里淵譜進(jìn)而提取布里淵頻移，該方法不僅能大幅提高計算速度，而且計算準(zhǔn)確性與典型的基于洛倫茲、高斯、偽Voigt和Voigt模型的處理方法相當(dāng)。采用數(shù)值產(chǎn)生及實測布里淵譜驗證了提出處理方法的有效性。本發(fā)明為實現(xiàn)光纖分布式傳感的快速測量提供了很好的支持。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的布里淵頻移快速提取方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

分布式光纖傳感器除具有一般光纖傳感器抗電磁干擾、耐腐蝕以及電絕緣性好等優(yōu)點外，還具有只需一次測量即可獲取沿整個光纖被測場分布信息等獨特優(yōu)點，另外其測量精度高、定位準(zhǔn)確、傳感距離可達(dá)上百公里。因此，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。其中，基于光纖布里淵散射的分布式傳感技術(shù)在溫度和應(yīng)變測量上所達(dá)到的測量精度、測量范圍以及空間分辨率高于其它類型的分布式光纖傳感技術(shù)，因此引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究。利用該技術(shù)對油氣管道、大型水利水電工程結(jié)構(gòu)和電力線纜等的溫度和應(yīng)變進(jìn)行在線監(jiān)測，可實現(xiàn)故障隱患及故障點的快速、準(zhǔn)確定位。

在與溫度和應(yīng)變有關(guān)的譜特征量中，布里淵頻移與溫度和應(yīng)變呈線性關(guān)系且最為穩(wěn)定，目前基于布里淵散射的光纖分布式傳感測量時絕大多數(shù)需要提取布里淵頻移信息。布里淵頻移的準(zhǔn)確、快速測量對基于布里淵散射的光纖分布式傳感系統(tǒng)非常關(guān)鍵。整體上看布里淵頻移的提取方法以擬合基于的方法為主，可以分為模型基于的處理方法和非模型基于的處理方法。由于能充分利用布里淵譜的波形數(shù)據(jù)來提取布里淵頻移，整體上看模型基于的處理方法具有更高的準(zhǔn)確性。當(dāng)入射矩形脈沖寬度明顯大于10ns(大于50ns)時光纖中實測布里淵譜近似滿足洛倫茲函數(shù)，目前洛倫茲模型基于的擬合處理方法應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)然，隨著脈沖寬度的增加空間分辨率會隨之減少，為了提高空間分辨率常使用較小的脈沖寬度，當(dāng)其值小于10ns時布里淵譜近似滿足高斯分布，此時更應(yīng)該采用高斯模型基于的處理方法。顯然，這樣根據(jù)脈沖寬度來選擇處理方法的方式給布里淵頻移的提取增加了一個干擾因素，迫切需要一個通用模型基于的處理方法。可以認(rèn)為在矩形脈沖的整個脈寬范圍內(nèi)布里淵譜更滿足Voigt函數(shù)，因此Voigt模型基于的處理方法具有更高的準(zhǔn)確性。但Voigt函數(shù)并非代數(shù)表達(dá)式，只有數(shù)值解，雖然基于它的處理方法準(zhǔn)確性最高但計算速度過慢，不是特別適合于長傳感范圍、高空間分辨率的場合。為了提高計算速度，采用洛倫茲和高斯模型線性組合的偽Voigt模型來近似布里淵譜，具有很好的表征效果。為了進(jìn)一步提高計算速度和收斂能力，人們開展了大量工作。為了提高布里淵頻移提取的準(zhǔn)確性，有的學(xué)者采用有限元分析來改進(jìn)Newton處理方法和Levenberg-Marquardt處理方法，然后采用不同信噪比和線寬的布里淵譜的計算結(jié)果驗證了改進(jìn)處理方法在精度提高方面的有效性。針對變量初值選擇比較困難可能導(dǎo)致處理方法發(fā)散的問題，有的學(xué)者分別采用了布谷鳥牛頓搜索和粒子群優(yōu)化來獲得更加靠近最優(yōu)解的初值，然后采用Levenberg-Marquardt處理方法來優(yōu)化變量，能確保收斂。雖然以上處理方法提高了準(zhǔn)確性、降低處理方法發(fā)散的概率，但是該模型所對應(yīng)的是非線性目標(biāo)函數(shù)，需要采用迭代優(yōu)化處理方法才能得到最優(yōu)解，通常情況下計算速度仍然偏慢。這在傳感距離較長、空間分辨率較高時比較突出。該問題仍有待于進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種基于改進(jìn)二次多項式擬合的布里淵頻移快速準(zhǔn)確提取方法，在保證布里淵頻移提取精度的同時，提高處理速度。

本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案解決的：

一種基于改進(jìn)二次多項式擬合的布里淵頻移快速準(zhǔn)確提取方法，所述方法針對分布式光纖傳感器所輸出的測量信號，以布里淵頻移為中心截取1個布里淵增益譜的線寬Δv_B的譜信號，對該信號進(jìn)行二次多項式處理方法的擬合，得到布里淵譜：