基于相似匹配方法的光纤布里渊频移提取准确性影响因素分析

基于相似匹配方法的布里渊频移提取算法具有无需预设模型、适应性强的优点。为了获得谱信号参数和扫频参数对算法性能的影响,在仅单一因素变化情况下系统研究了布里渊线宽(简称线宽)、信噪比、扫频间隔、扫频范围对布里渊频移提取准确性的影响规律。结果表明:频移误差与线宽成线性关系,探测谱与参考谱线宽差距本身对算法准确性产生的影响较小;频移误差随参考谱和探测谱信噪比的增加均呈指数规律减小;扫频间隔不变时随参考谱扫频范围增加频移误差存在增加的趋势,同时计算时间线性增加;探测谱的扫频范围为2倍线宽时频移误差最小。研究结果可为布里渊频移的准确提取提供参考。     

二次多项式拟合在分布式光纤传感中的应用

基于布里渊散射的分布式光纤传感中温度和应变与布里渊频移成线性关系,为了提高温度和应变测量的准确性,提出了一种改进的二次多项式拟合算法用于提取布里渊频移。该算法分为两步:首先使用一种改进的中值滤波算法对含噪布里渊谱信号进行预处理,以提高增益峰值定位的准确性；然后截取围绕峰值左右对称的一个线宽的原始布里渊谱进行二次多项式拟合以实现布里渊频移的高精度提取。以布里渊频移误差及峰值定位准确性作为衡量指标,比较研究后确定同一频率下所有空间点对应的布里渊增益作为滤波器的输入。研究了不同扫频间隔和信噪比及不同滤波窗长下改进算法的效果,同时研究了最优窗长的选择问题。结果表明,不同信噪比和扫频间隔下改进算法均能有效提高布里渊频移提取的准确性。随窗口长度增加布里渊频移误差先减少后增加,在扫频间隔为1~10MHz、信噪比为0～40dB情况下,通用的最优窗长为53~163。     

Lorentzian型布里渊频谱特征提取时模型的影响

为了在提取Lorentzian型布里渊频谱特征时选择最佳模型,以线性最小二乘法和非线性最小二乘法构造的目标函数为研究对象,系统地比较目标函数构造对频谱特征提取的影响。数值产生了不同信噪比、扫描频率间隔、g0、vB和vB的布里渊信号,比较了两种模型得到的频谱特征参数的准确性和计算耗时,并用真实布里渊散射信号进行了验证。结果表明:在不含干扰的理想状态下两种模型都能达到非常高的精度,随着噪声含量/扫描频率间隔的增加两种模型的准确性都下降,但线性模型明显大于非线性模型,实际时应采用非线性模型。实验测量的布里渊散射谱信号验证了分析结果的正确性。     

基于斜坡法的智能化架空线路应变快速感知

为了提高输电线路状态感知实时性, 将单斜坡法和基于伪Voigt模型的最小二乘谱拟合法用于架空线路复合光纤应变的测量, 基于实测布里渊谱系统, 研究了工作点增益的信噪比和布里渊频移对单斜坡法准确性的影响。结果表明, 随着工作点增益信噪比增加, 布里渊频移误差近似成指数规律减小; 随着布里渊频移与工作点频率之差的增加, 布里渊频移误差先快速下降, 然后略有增加; 当工作点处布里渊增益的信噪比不小于25 dB且工作点频率始终小于(或大于)布里渊频移时, 单斜坡法应变误差小于60 με; 根据不同布里渊频移下60 με对应的临界信噪比, 可插值获得不同情况下对应的临界信噪比; 单斜坡法的谱测量时间和计算时间分别为谱拟合法的1/161和1/600左右。该工作为提高智能化光纤复合架空线路态势感知实时性奠定了基础。     

基于单斜坡的分布式光纤温度传感适用性研究

传感器是配电物联网的基础,尤其是基于布里渊散射的分布式光纤传感器应用日益广泛。为了提高基于布里渊散射的分布式光纤传感的测量速度,为基于温度的电气设备状态感知奠定基础,对单斜坡法在光纤沿线温度测量的适用性进行了研究。编程实现了基于伪Voigt模型的谱拟合法和单斜坡法的计算机程序,针对不同信噪比的布里渊谱分别采用谱拟合法和单斜坡法计算光纤沿线的温度。结果表明,在一定的信噪比和光纤沿线布里渊频移波动程度范围内,单斜坡法的计算准确性可以达到与谱拟合法相近程度,但谱测量时间可以缩短为后者的几十分之一,对应的计算时间仅为谱拟合法的1/758。研究了信噪比、布里渊频移和线宽不确定度对误差的影响,结果表明,随信噪比(以dB为单位)增加,温度误差快速下降,然后逐渐趋于稳定值;随布里渊频移与工作点差距的增加,温度误差增大,且加速度随二者差距的增大而增大;温度误差随线宽偏差的增大而增大。     

基于互相关卷积与高阶矩质心计算的布里渊散射谱特征提取

针对目前布里渊光时域分析(BOTDA)分布式光纤传感系统存在的实时性较差的问题,为了缩短测量时间,提出一种基于互相关卷积与高阶矩质心计算相结合的布里渊散射谱特征提取方法。首先将布里渊散射谱沿光纤的扫频数据与理想Lorentz曲线作互相关卷积,然后利用卷积结果峰值附近的理想Lorentz线型特征进行高阶矩质心提取,并将提取结果作为布里渊频移(BFS)的估计值;其次,搭建1.5km的瑞利BOTDA温度传感系统对所提算法进行可行性验证。结果表明:不同于常用的Lorentz拟合(LCF),所提算法避免了复杂的迭代求解所造成的测量时间延长,具有良好的实时性与测量精度,选取恰当的数据点数与阶数可将误差控制在小于1 MHz;当进行长距离高分辨率的动态测量而不得不加大扫频间隔以减少测量时间时,所提算法的测量误差远小于基于莱文伯-马奈特(LM)算法的LCF的测量误差。     

基于压缩感知的BOTDA性能增强方法

为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性,提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示,然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能,仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱,搭建了45 km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明:在累加平均次数为100时,所提算法将信噪比提升了6.37 dB,优于累加平均次数3000时的10.13 dB,对应测量时间减少了1/30;采用8 MHz步长数据重构布里渊增益谱,该方法的重构结果与4 MHz步长数据的相关系数为0.9992,对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。     

基于布里渊散射的光纤温度和应变快速感知

为了提高基于抛物线拟合的布里渊频移提取准确性,文章采用Savitzky-Golay滤波对含噪布里渊谱进行滤波得到比较准确的布里渊频移后,从未滤波布里渊谱中选择对称的部分,然后采用抛物线拟合提取布里渊频移.由于文章所提方法能得到对称程度较高的布里渊谱,且计算耗时增加不多,因此改进的抛物线拟合方法可以在保证实时性的基础上显...     

BOTDA传感系统的布里渊频移提取方法研究进展

随着布里渊光时域分析(BOTDA)传感技术在许多大型基础工程设施安全监测中的广泛应用,对测量精度和实时性的要求日益提高.采用传统的最小二乘曲线拟合方式对布里渊散射谱进行布里渊频移提取,其测量结果的精度依赖于参数初始值的选取和噪声的影响,并且拟合算法的参数迭代求解过程增加了数据处理的时间,降低了工程实时性.文章综述了多种非线性参数优化估计的曲线拟合算法和基于神经网络的布里渊散射谱特征提取的混合优化算法,介绍了无需经过曲线拟合的互相关法(XCM)、深度学习法(DL)和亚像素级精度的重心提取算法(CDA),这些算法能适应更大的扫频步长,实时性更好.     

认知无线电中调制识别算法研究

通信信号的调制类型识别对于认知无线电这种智能通信系统具有重要研究意义。利用调制信号的循环谱相关特征,提取了5个特征参数,给出了各个参数随信噪比变化的曲线图。分类器基于RBF神经网络,采用"一类一个网络"结构,并从提高网络识别性能出发,构建了大容量和高质量的网络训练样本,能够扩大识别范围,提高识别精度。基于谱相关特征参数和神经网络分类器的算法能动态识别信号的调制方式,仿真结果验证了该算法在低信噪比下的有效性。     

波长扫描型布里渊光时域反射仪

布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种具有广泛应用前景的分布式光纤传感器。对于特定的入射波长,自发布里渊散射光的布里渊频移与温度和应变成线性关系,通过测量光纤沿线布里渊频移分布可实现温度或应变的分布式传感。布里渊功率谱扫描是BOTDR获取布里渊频移的常用手段,已有光频差扫描与电频扫描两种方式。基于布里渊频移对波长的依赖性,提出一种波长扫描型BOTDR。采用可调谐激光器作为光源,通过扫描入射光波长,来获取布里渊功率谱,该方法兼具光频差扫描与电频扫描的优点。实验证明了该方法的可行性,对23.4km光纤进行测量,实现了5m的空间分辨率与2.2℃的温度测量精度。     

随机噪声对海洋布里渊激光雷达测量的影响

为了分析激光雷达系统中随机噪声对海水布里渊散射谱以及温度反演精度的影响,依据布里渊散射理论及系统噪声特性,对带噪布里渊散射频谱进行了理论分析,并进行了信噪比从1dB~100dB的仿真实验。结果表明,当信噪比大于16dB时,频移和线宽的平均误差和不确定度能够控制在兆赫兹量级,温度误差和不确定度能够控制在0.2℃以内;采用实际应用中多次测量取平均的方法,10次平均能够保证0.2℃的测量精度对信噪比的要求下降到7dB。这为激光雷达在海水高精度遥感提供了指导。     

光纤布里渊温度和应变同时传感系统性能分析

采用基于朗道比的微波外差检测技术的布里渊光时域反射传感系统,获得布里渊散射信号的频移和强度,可以精确地测量沿光纤长度的分布式温度和应变信息。此方法在同一条光纤线路上分别测量光纤的布里渊散射和瑞利散射,且使用布里渊频谱扫描对信号进行处理。给出了这种传感方案的实验系统,并在理论推导的基础上对其性能进行了分析,该传感系统可以获得1℃的温度分辨率和100uε的应变分辨率。     

粒子群优化和拉凡格氏混合优化算法提取传感布里渊散射谱特征的方法

在基于布里渊散射的分布式光纤传感系统中,沿途光电检测信号信噪比(SNR)过低为被测量的信息反演带来困难。针对高精度解调传感布里渊散射谱的布里渊频偏量的需求,提出了一种利用粒子群优化(PSO)和拉凡格氏(L-M)混合优化算法对传感散射谱进行特征提取的方法。利用PSO算法粗调得到一组全局最优解,再以全局最优解作为L-M算法的初值,最终将L-M算法的运算结果作为结果输出。它克服了PSO算法过早收敛于局部极值和L-M算法依赖初值的问题,保证了求解的速度和精度。数值分析表明,新算法适合对不同权重比、不同线宽和低SNR、大测量范围情况下的散射谱进行参数估计,并且在SNR为10dB的情况下得到的绝对误差仅为2.18838MHz,优于其他两种算法。实验研究表明新算法适用于多种脉宽状况下的布里渊散射谱的特征提取,并可有效提高预测精度。     

Brillouin gain spectrum characterization in single-mode opticalfibers

A novel method for Brillouin gain spectrum measurements in optical fibers is presented. It is based on the pump and probe technique with the specificity to use a single laser source together with an external modulator to generate the interacting lightwaves. The high accuracy and inherent stability of the technique makes it suitable for calibration and reference measurements. Different fibers with different refractive index profiles have been tested and characterized. The problem of the evolution of the polarization of the interacting waves is addressed in the article and a polarization insensitive determination of the actual Brillouin gain coefficient is made possible through two successive measurements with different polarizations. The effects of strain and temperature on the Brillouin gain spectrum are also fully characterized     

Characterization of Brillouin fiber generator and amplifier for optimized working condition of distributed sensors

The Brillouin fiber amplifier (BFA) has been used in Brillouin optical time and frequency domain analyzer based sensors. For BFA based distributed sensor the optimized working condition is to have the highest Brillouin gain, i.e., highest SNR, which avoids high pump depletion induced gain saturation. We have found that the optimum working condition for distributed sensor system is associated with the stimulated Brillouin scattering (SBS) threshold for BFA, which can be experimentally determined with Stokes power inflexion and/or Stokes spectrum linewidth minimum methods. This threshold depends on both pump and probe power instead of just the pump power as in Brillouin fiber generator (BFG), as well as on sensing length as confirmed by our experimental results and theoretical simulation. This was achieved by introducing the concept of absorption coefficient of the sensing medium defined as the ratio of the total output power to the total input power. We find that the medium absorption is minimized when input Stokes power is an order of magnitude lower than BFA threshold. This minimum is a signature of the balance between maximum Stokes gain and pump depletion which is also the reason why Stokes spectrum linewidth goes through a minimum.