一种用于斜坡辅助布里渊光纤传感的频率差选择方法

1.本发明涉及分布式光纤布里渊应变和温度传感器，属于分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于斜坡辅助布里渊光纤振动传感的频率选择方法。


背景技术：

2.分布式光纤传感是一种新型传感方法，其中光纤作为传感介质，将其布设于物体表面或内部，可测得物体表面或内部的应变及温度分布情况。与传统监测手段相比，分布式光纤传感技术具有分布式测量、准确定位、单位成本低、可维护性好、抗电磁干扰能力强，适用于煤矿、油田、电厂、炼油厂、炼钢炉等防爆、辐射、高温、危险场所。
3.分布式光纤应变传感的原理是：向光纤两端输入两束光，并将光纤中返回的散射信号解算成应变和温度变化。当泵浦光和探测光两束光在光纤中相遇，且当频率差在布里渊频谱内，会产生布里渊散射效应，探测光强被泵浦光所改变。若对探测光进行扫频，则可测得光纤中每一个位置点的布里渊增益谱特性。从布里渊增益谱可以提取布里渊频移。由于布里渊频移与光纤所受应力、温度在一定范围内呈线性关系，故通过测量布里渊增益谱(brillouin gain spectrum，简称bgs)，可以推算出光纤每一个位置点处的应变、温度分布。
4.由于分布式光纤传感需要比较费时的平均和扫频过程，一般适用于静态应变测量。为了提高分布式光纤传感的测量速度，实现分布式振动传感，2009年bernini等人利用bgs的一侧斜坡实现对温度和应变的动态测量，也就是分布式振动传感。其原理是：在预先知道bgs的情况下，固定探测光频率，测量每个位置点在此频率下的功率分布。当外界振动信号作用于光纤时，光纤所受应变将发生变化，从而导致bgs的移动，而bgs的移动造成光功率的变化，可通过固定探测光与泵浦光的频率差并记录光功率的变化，还原外界振动信号。这也被称为斜坡辅助布里渊光纤传感技术。
5.泵浦光与探测光的频率差选择，对于斜坡辅助布里渊光纤传感的测量结果影响较大。传统方法一般将泵浦光与探测光的频率差设定在bgs半高全宽的一半，该方法针对单个位置点是适用的，但对于光纤上每个位置点，其bgs可能并不相同，故存在容错率低、难以实现分布式振动测量的问题。也有学者引入多斜坡辅助法，但这样可能存在扫频点增多、采集时间长的问题，不利于分布式振动传感的实施。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供用于斜坡辅助布里渊光纤传感的频率差选择方法。
7.本发明的目的是通过如下技术方案来实现：
8.一种基于邻近算法的布里渊频移提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.步骤1，输入外界振动信号的幅值a，光纤的应变系数c，探测器最小可探测功率p0，以及光纤各位置点的布里渊增益谱，记为p(z,f)，其中位置点z＝[z1,z2,z3,
…
,zn]，频率f
＝[f1,f2,f3,
…
,fm]，n和m为正整数。
[0010]
步骤2，当i＝1时，对于位置点zi，即位置点z1，按照下式计算得到集合vi，即v1：
[0011][0012]
其中fc为该位置点允许的泵浦光和探测光频率差，取值在频率f的范围内，min(x,y)表示取x和y两者中的最小值。
[0013]
步骤3，重复步骤2，直至所有位置点均完成计算，得到一组集合v1,v2,v3,
…
,vn。
[0014]
步骤4，对于步骤3得出的集合，求共同交集v：
[0015][0016]
步骤5，从v中任选一个元素，即是泵浦光与探测光的频率差，如果v是空集，则表示在步骤1给定的条件下，没有合适的频率差可供选择。
[0017]
优选地，所述步骤1中，布里渊增益谱选用下列之一：洛仑兹线型、高斯线型、pseudo-voigt线型。
[0018]
优选地，所述步骤2中，集合v1具体计算流程是：fc依次从f1,f2,f3,
…
,fm进行取值，对于fc的每一个取值，计算下面的判定条件是否满足
[0019][0020]
若判定条件满足，则将当前fc的取值放进集合v1中，否则则不将当前fc的取值放进集合v1中。
[0021]
优选地，所述步骤2中，对于式中的一阶、二阶和三阶偏微分项，如果bgs具有解析解，用bgs的一阶导数解析形式来代替；如果bgs不具有或较难求得解析解，则用差分项来代替，即采用一阶、二阶和三阶差分来代替一阶、二阶和三阶偏微分项，差分形式可以是前向差分、后向差分、中心差分等形式；以后向差分为例，一阶偏微分项的差分为：
[0022][0023]
其中δf为步长，p
fc+δf
和p
fc
分别代表频率为fc+δf和fc处的bgs功率；
[0024]
n阶偏微分项的差分可以表示为
[0025][0026]
上式中，n-1阶的偏微分项可以用n-1阶的差分项代替，故可以用一阶差分表示二阶差分，用二阶差分表示一阶差分。
[0027]
本发明的有益效果是：对泵浦光与探测光的频率差的可选择范围进行全扫描，避
免了将泵浦光与探测光的频率差设定在bgs半高全宽的一半所引起的容错率低、难以实现分布式振动测量的问题；使用单值作为泵浦光与探测光的频率差，避免了多斜坡辅助法引起的扫频点增多、采集时间长的问题。
附图说明
[0028]
图1是本发明方法的流程图。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
如图1所示，一种用于斜坡辅助布里渊光纤传感的频率差选择方法，包括以下步骤：
[0031]
步骤1，输入外界振动信号的幅值a，光纤的应变系数c，探测器最小可探测功率p0，以及光纤各位置点的bgs，记为p(z,f)，其中z＝[z1,z2,z3,
…
,zn]。
[0032]
对于布里渊光纤传感，设置外界幅值为200με，光纤的应变系数为20με/mhz，探测器最小可探测功率为0.01mw，光纤各位置点的bgs满足洛仑兹曲线分布，即：
[0033][0034]
其中fb为布里渊增益带宽，一般可以取50mhz，f0为布里渊频移，这里取为10850mhz，为了简化起见，假设各位置点的bgs采用同一分布。
[0035]
步骤2，对于位置点z1，按照下式计算得到集合v1：
[0036][0037]
对于上式的求解，可以先将fc离散化，从10600mhz开始，以步长0.1mhz取值，直至11000mhz。
[0038]
对于上式中的一阶、二阶和三阶偏微分项，如果bgs具有解析解，可以用bgs的一阶导数解析形式来代替，如洛仑兹曲线分布的一阶导数形式为：
[0039][0040]
二阶、三阶导数的解析解可以类似求出。
[0041]
将fc的取值代入到上式中的f中，即可求出步骤2所述公式的各项。
[0042]
如果bgs不具有或较难求得解析解，则可以用差分项来代替，即采用一阶、二阶和
三阶差分来代替一阶、二阶和三阶偏微分项，差分形式可以是前向差分、后向差分、中心差分等形式。以后向差分为例，一阶偏微分项的差分为：
[0043][0044]
其中δf为步长，可取0.1mhz，p
fc+δf
和p
fc
分别代表频率为fc+δf和fc处的bgs功率。
[0045]
n阶偏微分项的差分可以表示为
[0046][0047]
上式中，n-1阶的偏微分项可以用n-1阶的差分项代替，故可以用一阶差分表示二阶差分，用二阶差分表示一阶差分。
[0048]
将fc的取值代入到各阶差分项中，即可求出步骤2所述公式的各项。
[0049]
对于步骤2的求解，可得到：
[0050]vi
＝[10680mhz,10840mhz]∪[10860mhz,11020mhz]
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0051]
步骤3，重复步骤2，直至所有位置点均完成计算，得到一组集合v1,v2,v3,
…
,vn：
[0052]
由于这里假设各位置点bgs分布同一，所以步骤3得出的一组集合均为：
[0053]vi
＝[10680mhz,10840mhz]∪[10860mhz,11020mhz]
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0054]
其中i＝1,2,...,n。
[0055]
步骤4，对于步骤3得出的集合，求共同交集v
[0056][0057]
此时为：
[0058]
v＝[10680mhz,10840mhz]∪[10860mhz,11020mhz]
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0059]
对于bgs分布不同的情况，步骤3得出的集合也不同，此时的交集则有所不同。
[0060]
步骤5，从v中任选一个元素，即是泵浦光与探测光的频率差，如果v是空集，则表示在步骤1给定的条件下，没有合适的频率差可供选择。
[0061]
由于集合v非空，可任选一元素作为泵浦光与探测光的频率差，如可采用10800mhz。
[0062]
本发明对泵浦光与探测光的频率差的可选择范围进行全扫描，避免了将泵浦光与探测光的频率差设定在bgs半高全宽的一半所引起的容错率低、难以实现分布式振动测量的问题；使用单值作为泵浦光与探测光的频率差，避免了多斜坡辅助法引起的扫频点增多、采集时间长的问题。
[0063]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。