一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，依據(jù)實際的BOTDR工程應用背景，通過在測量后對數(shù)據(jù)進行處理，在殘缺譜的基礎上獲取真實布里淵頻譜的峰值頻率。本發(fā)明彌補了BOTDR對于快速變化的外部干擾的不敏感性，改善了BOTDR在極端環(huán)境下的傳感效果，對實際工程應用具有重要意義。
【專利說明】一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，屬于BOTDR測量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著橋梁、隧道、堤壩等重大工程的廣泛應用，對它們的安全監(jiān)測是很必要的，這 有利于及早發(fā)現(xiàn)工程中的安全隱患，達到防災減災的效果。由于這類工程具有距離長、范圍 大、結(jié)構(gòu)復雜等特點，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)對其并不適用?；诠鈺r域反射儀（BOTDR)技術(shù)的分 布式光纖傳感技術(shù)能夠測量溫度、應變等多種物理量，并且具有空間分辨率高、傳感距離遠 和精度高等優(yōu)勢，它的出現(xiàn)引起了工程界的廣泛注意。
[0003] 布里淵散射是由光纖中的光場與其誘導的聲場的相互作用引起的，散射光相對于 入射光有一個頻率上的迀移，即所謂的布里淵頻移（BFS)。在光纖中某個位置上的散射光， 其布里淵頻移與光纖在該處的溫度及所受的徑向應變是成正比關(guān)系的。換句話說，如果能 夠測到光纖某處散射光的布里淵頻移，就能夠獲得該處的溫度與應變信息，這就是BOTDR 進行傳感的基本原理。
[0004] 目前對于布里淵頻譜的檢測主要采用頻譜掃描的方式，如圖1所示，通過在一定 頻率范圍內(nèi)以一定的頻率間隔，依次獲得布里淵散射譜中各頻率點對應的傳感光纖各位置 處的功率，再對測得的布里淵譜進行洛倫茲曲線擬合得到整個傳感光纖上的布里淵頻移曲 線，如圖2所示。檢測時間依賴于所需的傳感距離、掃頻間隔、掃頻范圍、平均次數(shù)和空間 分辨率。正常情況下，BOTDR-次完整測量時間大概為幾十分鐘，以日本產(chǎn)的應變分析儀 AQ8603為例。當以5MHz的掃頻間隔對50km長的光纖進行掃頻檢測時，在平均216次時耗 費時間4000秒。為了提高精度，則需要減小掃頻間隔，增加平均次數(shù)，但是此時測量時間就 會變長。因而，對于外界干擾比較短促的情況，BOTDR傳感系統(tǒng)是不能夠及時準確地感知監(jiān) 測對象的狀態(tài)的。
[0005] 當掃頻儀的掃頻速度為VsHz/s，掃頻間隔ΛV，外界干擾的時間為Λt，則BOTDR 每次只能探測到.V-g個頻率點。以高鐵聲屏障的監(jiān)測為例，當列車高速經(jīng)過聲屏障時， 受損聲屏障就會出現(xiàn)嚴重的形變，附在其上的傳感光纖的也會發(fā)生形變。但由于列車高速 行駛時，只需要幾秒就能夠完全經(jīng)過某一位置，BOTDR系統(tǒng)只能獲得部分布里淵頻譜，即殘 缺譜。由于殘缺譜無法通過洛倫茲曲線擬合確定正確的布里淵頻譜峰值頻率，此時系統(tǒng)就 無法獲知高鐵沿線的應變信息，也就不能及時將受損聲屏障篩選出來。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，通 過在測量后對數(shù)據(jù)進行處理，在殘缺譜的基礎上獲取真實布里淵頻譜的峰值頻率。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明提供一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，包括以下具體步驟：
[0009] 步驟1，在外部干擾下，BOTDR系統(tǒng)檢測獲得頻率數(shù)為N的布里淵頻譜，即殘缺譜， N為正整數(shù)；
[0010] 步驟2,對殘缺譜中的N個頻率先取倒數(shù)，再通過多項式擬合方法對取倒數(shù)后的N 個數(shù)據(jù)進行曲線擬合，擬合后的多項式f(V)的表達式如下：
[0011] f ( V ) = P1 V 2+p2 V +P3
[0012] 式中，p1、p2、p3為多項式系數(shù)，v表示頻率；
[0013] 步驟3,若殘缺譜覆蓋真實峰值頻率，則步驟2中得到的f(V)取倒數(shù)后得到的曲 線呈洛倫茲型，令此時f(V)的最小值對應的頻率為b，則& = 若殘缺譜不覆蓋真實峰 值頻率，則步驟2中得到的f(v)在掃頻范圍內(nèi)存在負值，無法得到洛倫茲曲線，此時令b為〇 ;
[0014] 步驟4,重復步驟1至3,得到一個關(guān)于b值的集合B，B=Ib1, . . .，bj，m為重復 次數(shù)；
[0015] 步驟5,將掃頻范圍[V_，V+]按照間隔dV等分為Nv個區(qū)間，V_為所受應變?yōu)?〇時的布里淵頻移，V+為檢測物體被認為嚴重損壞時對應的布里淵頻移，Nv為正整數(shù)，dV 小于工程上接受的布里淵頻移的不確定度；分別計算取值位于某一區(qū)間[Vi，Vi+dv]中 1^.的數(shù)目，0彡i彡Nv_l，1彡j彡m;包含的bj的數(shù)目最多的區(qū)間內(nèi)所有b』的平均值即為 真實峰值頻率。
[0016] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟4中所述重復次數(shù)根據(jù)掃頻范圍確定。
[0017] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟1中BOTDR系統(tǒng)采用頻譜掃描的方式檢測布 里淵頻譜。
[0018] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟1中頻率數(shù)〃 =$，其中，Vs為掃頻儀的掃 頻速度，ΔV為掃頻間隔，At為外界干擾的時間。
[0019] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟1中BOTDR系統(tǒng)采用型號AQ8603的應變分析 儀。
[0020] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過在測量后對數(shù)據(jù)進行處理，在殘 缺譜的基礎上獲取真實布里淵頻譜的峰值頻率。彌補了BOTDR對于快速變化的外部干擾的 不敏感性，改善了BOTDR在極端環(huán)境下的傳感效果，對實際工程應用具有重要意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是基于BOTDR掃頻法結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2是基于BOTDR掃頻法數(shù)據(jù)獲取示意圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明的方法流程圖。
[0024] 圖4是掃頻范圍示意圖。
[0025] 圖5是145MHz主要頻譜的示意圖。
[0026] 圖6是殘缺譜取倒數(shù)后的多項式擬合結(jié)果，其中，（a)為主要頻譜的頻率點1-5， (c)為主要頻譜的頻率點13-17,（e)為主要頻譜的頻率點25-29;(b)、（d)、（f)分別為（a)、 (c)、（e)再次取倒數(shù)的結(jié)果。
[0027] 圖7是一次實驗中400次連續(xù)掃頻后的b值。
[0028] 圖8是50次實驗的所有的b值。
[0029] 圖9是50次實驗得到的對真實峰值頻率的估計值。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：
[0031] 已知布里淵頻譜呈洛倫茲曲線型，將其表達式進行變換，具體為：
[0032] 布里淵頻譜的表達式為：
[。。33] 8^Ω) = 8^Ω_αΒγ + ΙΓΒ/2γ ⑴
[0034] 式中，Ω為角頻率；gp為峰值布里淵增益；ΩB= 2πV,為布里淵角頻率頻移；VB 為布里淵頻移；ΓΒ為聲波衰減系數(shù)。
[0035] 峰值布里淵增益gp的表達式為：
[0036]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，其特征在于，包括以下具體步驟： 步驟1，在外部干擾下，BOTDR系統(tǒng)檢測獲得頻率數(shù)為N的布里淵頻譜，即殘缺譜，N為 正整數(shù)； 步驟2,對殘缺譜中的N個頻率先取倒數(shù)，再通過多項式擬合方法對取倒數(shù)后的N個數(shù) 據(jù)進行曲線擬合，擬合后的多項式f(V)的表達式如下： f(V) =P1V2+p2V+P3 式中，Ppp2、P3S多項式系數(shù)，V表示頻率； 步驟3,若殘缺譜覆蓋真實峰值頻率，則步驟2中得到的f(V)取倒數(shù)后得到的曲線呈 洛倫茲型，令此時f(V)的最小值對應的頻率為b，則6 =若殘缺譜不覆蓋真實峰值頻 率，則步驟2中得到的f(V)在掃頻范圍內(nèi)存在負值，無法得到洛倫茲曲線，此時令b為0 ; 步驟4,重復步驟1至3,得到一個關(guān)于b值的集合B，B=Ib1，…，bj，m為重復次數(shù)； 步驟5,將掃頻范圍[V_，V+]按照間隔dV等分為Nv個區(qū)間，V_為所受應變?yōu)椹枙r 的布里淵頻移，V+為檢測物體被認為嚴重損壞時對應的布里淵頻移，Nv為正整數(shù)，dv小 于工程上接受的布里淵頻移的不確定度；分別計算取值位于某一區(qū)間[Vi，Vi+dv]中1^. 的數(shù)目，0彡i<NV_1，1彡j彡m;包含的h的數(shù)目最多的區(qū)間內(nèi)所有h的平均值即為真 實峰值頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，其特征在于，步 驟4中所述重復次數(shù)根據(jù)掃頻范圍確定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，其特征在于，步 驟1中BOTDR系統(tǒng)采用頻譜掃描的方式檢測布里淵頻譜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，其特征在于，步 驟1中頻率數(shù)〃-1^·，其中，VΛ掃頻儀的掃頻速度，ΔV為掃頻間隔，At為外界干擾 的時間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于殘缺譜的布里淵頻譜的尋峰方法，其特征在于，步 驟1中BOTDR系統(tǒng)采用型號AQ8603的應變分析儀。
【文檔編號】G01D5/353GK104457807SQ201410650923
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】焦文祥, 李密, 張旭蘋, 宋躍江, 路元剛, 劉吳先之 申請人:南京大學