一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，依据实际的BOTDR工程应用背景，通过在测量后对数据进行处理，在残缺谱的基础上获取真实布里渊频谱的峰值频率。本发明弥补了BOTDR对于快速变化的外部干扰的不敏感性，改善了BOTDR在极端环境下的传感效果，对实际工程应用具有重要意义。
【专利说明】一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，属于BOTDR测量领域。
【背景技术】
[0002] 随着桥梁、隧道、堤坝等重大工程的广泛应用，对它们的安全监测是很必要的，这 有利于及早发现工程中的安全隐患，达到防灾减灾的效果。由于这类工程具有距离长、范围 大、结构复杂等特点，传统的检测技术对其并不适用。基于光时域反射仪（BOTDR)技术的分 布式光纤传感技术能够测量温度、应变等多种物理量，并且具有空间分辨率高、传感距离远 和精度高等优势，它的出现引起了工程界的广泛注意。
[0003] 布里渊散射是由光纤中的光场与其诱导的声场的相互作用引起的，散射光相对于 入射光有一个频率上的迀移，即所谓的布里渊频移（BFS)。在光纤中某个位置上的散射光， 其布里渊频移与光纤在该处的温度及所受的径向应变是成正比关系的。换句话说，如果能 够测到光纤某处散射光的布里渊频移，就能够获得该处的温度与应变信息，这就是BOTDR 进行传感的基本原理。
[0004] 目前对于布里渊频谱的检测主要采用频谱扫描的方式，如图1所示，通过在一定 频率范围内以一定的频率间隔，依次获得布里渊散射谱中各频率点对应的传感光纤各位置 处的功率，再对测得的布里渊谱进行洛伦兹曲线拟合得到整个传感光纤上的布里渊频移曲 线，如图2所示。检测时间依赖于所需的传感距离、扫频间隔、扫频范围、平均次数和空间 分辨率。正常情况下，BOTDR-次完整测量时间大概为几十分钟，以日本产的应变分析仪 AQ8603为例。当以5MHz的扫频间隔对50km长的光纤进行扫频检测时，在平均216次时耗 费时间4000秒。为了提高精度，则需要减小扫频间隔，增加平均次数，但是此时测量时间就 会变长。因而，对于外界干扰比较短促的情况，BOTDR传感系统是不能够及时准确地感知监 测对象的状态的。
[0005] 当扫频仪的扫频速度为VsHz/s，扫频间隔ΛV，外界干扰的时间为Λt，则BOTDR 每次只能探测到.V-g个频率点。以高铁声屏障的监测为例，当列车高速经过声屏障时， 受损声屏障就会出现严重的形变，附在其上的传感光纤的也会发生形变。但由于列车高速 行驶时，只需要几秒就能够完全经过某一位置，BOTDR系统只能获得部分布里渊频谱，即残 缺谱。由于残缺谱无法通过洛伦兹曲线拟合确定正确的布里渊频谱峰值频率，此时系统就 无法获知高铁沿线的应变信息，也就不能及时将受损声屏障筛选出来。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，通 过在测量后对数据进行处理，在残缺谱的基础上获取真实布里渊频谱的峰值频率。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 本发明提供一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，包括以下具体步骤：
[0009] 步骤1，在外部干扰下，BOTDR系统检测获得频率数为N的布里渊频谱，即残缺谱， N为正整数；
[0010] 步骤2,对残缺谱中的N个频率先取倒数，再通过多项式拟合方法对取倒数后的N 个数据进行曲线拟合，拟合后的多项式f(V)的表达式如下：
[0011] f ( V ) = P1 V 2+p2 V +P3
[0012] 式中，p1、p2、p3为多项式系数，v表示频率；
[0013] 步骤3,若残缺谱覆盖真实峰值频率，则步骤2中得到的f(V)取倒数后得到的曲 线呈洛伦兹型，令此时f(V)的最小值对应的频率为b，则& = 若残缺谱不覆盖真实峰 值频率，则步骤2中得到的f(v)在扫频范围内存在负值，无法得到洛伦兹曲线，此时令b为〇 ;
[0014] 步骤4,重复步骤1至3,得到一个关于b值的集合B，B=Ib1, . . .，bj，m为重复 次数；
[0015] 步骤5,将扫频范围[V_，V+]按照间隔dV等分为Nv个区间，V_为所受应变为 〇时的布里渊频移，V+为检测物体被认为严重损坏时对应的布里渊频移，Nv为正整数，dV 小于工程上接受的布里渊频移的不确定度；分别计算取值位于某一区间[Vi，Vi+dv]中 1^.的数目，0彡i彡Nv_l，1彡j彡m;包含的bj的数目最多的区间内所有b』的平均值即为 真实峰值频率。
[0016] 作为本发明的进一步优化方案，步骤4中所述重复次数根据扫频范围确定。
[0017] 作为本发明的进一步优化方案，步骤1中BOTDR系统采用频谱扫描的方式检测布 里渊频谱。
[0018] 作为本发明的进一步优化方案，步骤1中频率数〃 =$，其中，Vs为扫频仪的扫 频速度，ΔV为扫频间隔，At为外界干扰的时间。
[0019] 作为本发明的进一步优化方案，步骤1中BOTDR系统采用型号AQ8603的应变分析 仪。
[0020] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，通过在测量后对数据进行处理，在残 缺谱的基础上获取真实布里渊频谱的峰值频率。弥补了BOTDR对于快速变化的外部干扰的 不敏感性，改善了BOTDR在极端环境下的传感效果，对实际工程应用具有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是基于BOTDR扫频法结构示意图。
[0022] 图2是基于BOTDR扫频法数据获取示意图。
[0023] 图3是本发明的方法流程图。
[0024] 图4是扫频范围示意图。
[0025] 图5是145MHz主要频谱的示意图。
[0026] 图6是残缺谱取倒数后的多项式拟合结果，其中，（a)为主要频谱的频率点1-5， (c)为主要频谱的频率点13-17,（e)为主要频谱的频率点25-29;(b)、（d)、（f)分别为（a)、 (c)、（e)再次取倒数的结果。
[0027] 图7是一次实验中400次连续扫频后的b值。
[0028] 图8是50次实验的所有的b值。
[0029] 图9是50次实验得到的对真实峰值频率的估计值。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0031] 已知布里渊频谱呈洛伦兹曲线型，将其表达式进行变换，具体为：
[0032] 布里渊频谱的表达式为：
[。。33] 8^Ω) = 8^Ω_αΒγ + ΙΓΒ/2γ ⑴
[0034] 式中，Ω为角频率；gp为峰值布里渊增益；ΩB= 2πV,为布里渊角频率频移；VB 为布里渊频移；ΓΒ为声波衰减系数。
[0035] 峰值布里渊增益gp的表达式为：
[0036]
【权利要求】
1. 一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，其特征在于，包括以下具体步骤： 步骤1，在外部干扰下，BOTDR系统检测获得频率数为N的布里渊频谱，即残缺谱，N为 正整数； 步骤2,对残缺谱中的N个频率先取倒数，再通过多项式拟合方法对取倒数后的N个数 据进行曲线拟合，拟合后的多项式f(V)的表达式如下： f(V) =P1V2+p2V+P3 式中，Ppp2、P3S多项式系数，V表示频率； 步骤3,若残缺谱覆盖真实峰值频率，则步骤2中得到的f(V)取倒数后得到的曲线呈 洛伦兹型，令此时f(V)的最小值对应的频率为b，则6 =若残缺谱不覆盖真实峰值频 率，则步骤2中得到的f(V)在扫频范围内存在负值，无法得到洛伦兹曲线，此时令b为0 ; 步骤4,重复步骤1至3,得到一个关于b值的集合B，B=Ib1，…，bj，m为重复次数； 步骤5,将扫频范围[V_，V+]按照间隔dV等分为Nv个区间，V_为所受应变为〇时 的布里渊频移，V+为检测物体被认为严重损坏时对应的布里渊频移，Nv为正整数，dv小 于工程上接受的布里渊频移的不确定度；分别计算取值位于某一区间[Vi，Vi+dv]中1^. 的数目，0彡i<NV_1，1彡j彡m;包含的h的数目最多的区间内所有h的平均值即为真 实峰值频率。
2. 根据权利要求1所述的一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，其特征在于，步 骤4中所述重复次数根据扫频范围确定。
3. 根据权利要求1所述的一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，其特征在于，步 骤1中BOTDR系统采用频谱扫描的方式检测布里渊频谱。
4. 根据权利要求1所述的一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，其特征在于，步 骤1中频率数〃-1^·，其中，VΛ扫频仪的扫频速度，ΔV为扫频间隔，At为外界干扰 的时间。
5. 根据权利要求1所述的一种基于残缺谱的布里渊频谱的寻峰方法，其特征在于，步 骤1中BOTDR系统采用型号AQ8603的应变分析仪。
【文档编号】G01D5/353GK104457807SQ201410650923
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】焦文祥, 李密, 张旭苹, 宋跃江, 路元刚, 刘吴先之 申请人:南京大学