CN104807568A - 基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，通过在测量后对数据进行拼接处理，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。

Description

基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法

技术领域

本发明涉及一种基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，属于BOTDR测量领域。

背景技术

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。

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迁移，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。

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一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***是不能够及时准确地感知监测对象的状态的。

当扫频仪的扫频速度为ν_sHz/s，扫频间隔Δν，外界干扰的时间为Δt，则BOTDR每次只能探测到个频率点。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***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***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

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，通过在测量后对所测数据进行拼接处理，在残缺谱的基础上获取真实布里渊频谱的峰值频率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，包括以下具体步骤：

步骤1，在外部干扰下，采用BOTDR***进行S次检测，获得S个不同频段的残缺谱，S为正整数；

步骤2，将步骤1中S个不同频段的残缺谱进行拼接，具体为：将S个残缺谱按照频率顺序放置到同一张频谱坐标系中，若存在重合的频率点，则该频率点的幅值取重合的频率点的平均值；

步骤3，对步骤2中拼接后的频谱进行洛伦兹拟合，从而得到频谱的峰值频率。

作为本发明的进一步优化方案，所述BOTDR***采用频谱扫描的方式检测布里渊频谱。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中残缺谱中的频率数其中，ν_s为扫频仪的扫频速度，Δν为扫频间隔，Δt为外界干扰的时间。

作为本发明的进一步优化方案，使拼接后的频谱的洛伦兹拟合所得峰值频率以95％的概率落在区间[ν_total-2MHz，ν_total+2MHz]上的S的取值为优选值，其中ν_total为全谱洛伦兹拟合的峰值频率。

作为本发明的进一步优化方案，所述BOTDR***采用型号AQ8603的应变分析仪。

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。

附图说明

图1是基于BOTDR扫频法结构示意图。

图2是基于BOTDR扫频法数据获取示意图。

图3是本发明的方法流程图。

图4是扫频范围示意图。

图5是145MHz主要频谱及其洛伦兹拟合曲线。

图6是布里渊频谱不偏移时两段残缺谱的不重合拼接。

图7是布里渊频谱不偏移时两段残缺谱的重合拼接。

图8是布里渊频谱偏移1MHz时两段残缺谱的不重合拼接。

图9是布里渊频谱偏移1MHz时两段残缺谱的重合拼接。

图10是布里渊频谱不偏移时，拟合峰值频率落在区间[ν_total-2MHz，ν_total+2MHz]的概率与单次拼接需要的残缺谱数的关系。

图11是布里渊频谱偏移1MHz时，拟合峰值频率落在区间[ν_total-2MHz，ν_total+2MHz]的概率与单次拼接需要的残缺谱数的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

已知布里渊频谱呈洛伦兹曲线型，其表达式为：

       $g_B\left(\mathrm{\Ω}\right)=g_p\frac{{({\mathrm{\Γ}}_B/2)}^2}{{(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_B)}^2+{({\mathrm{\Γ}}_B/2)}^2}---\left(1\right)$

式中，Ω为角频率；g_p为峰值布里渊增益；Ω_B＝2πν_B为布里渊角频率频移；ν_B为布里渊频移；Γ_B为声波衰减系数。

峰值布里渊增益g_p的表达式为：

       $g_p=\frac{{2\mathrm{\π}}^2{n}^7{p}_{l2}^2}{{\mathrm{c\λ}}_p^2{\mathrm{\ρ}}_0{v}_A{\mathrm{\Γ}}_B}---\left(2\right)$

式中，n为光纤纤芯折射率；p_l2为纵向弹光系数；c为光在真空中的速度；λ_p为入射光波长；ρ₀为光纤组成材料的密度；v_A为光纤中声波的波速。

令a＝Γ_B/2π，b＝ν_B，y＝g_B，将公式(1)改写为：

       $y=\frac{\mathrm{Ka}}{{(v-b)}^2+a^2/4}---\left(3\right)$

式中，ν表示频率。

洛伦兹拟合法需要大量的数据点，因而对于残缺谱来说，我们可采用拼接的方式得到近似的布里渊频谱，再通过洛伦兹拟合法确定布里渊频谱的峰值频率ν_B，如图3所示，包括以下具体步骤：

步骤1，在外部干扰下，采用BOTDR***进行S次检测，获得S个不同频段的残缺谱，S为正整数；

步骤2，将步骤1中S个不同频段的残缺谱进行拼接，具体为：将S个残缺谱按照频率顺序放置到同一张频谱坐标系中，若存在重合的频率点，则该频率点的幅值取重合的频率点的平均值；

步骤3，对步骤2中拼接后的频谱进行洛伦兹拟合，从而得到频谱的峰值频率。

其中，S的取值的优选值为：使拼接后洛伦兹拟合所得的峰值频率以95％的概率落在区间[ν_total-2MHz，ν_total+2MHz]上，其中ν_total为全谱洛伦兹拟合的峰值频率。由于无振动点也是有布里渊频谱的，只是与有振动的峰值频率不一样。所以，在正式进行震动探测之前，可以首先通过无振动点的探测对***标定，确定S的取值，之后再进行有振动的探测。

为了进一步解释本发明的技术内容，特以高铁声屏障监测过程为例。

假设列车高速经过声屏障时，声屏障向外的横向形变不超过10厘米，超过十厘米时则认为声屏障损坏，***会发出警报。声屏障10厘米横向形变时对应的径向应变为Δν_ε≈249.4MHz，即布里渊频移变化范围不超过249.4MHz。为了方便计算，我们选择的扫频范围为[ν_-,ν_-+250MHz]，ν_-＝10.8GHz为不考虑应变时的布里渊频移，如图4所示。

由于峰值频率可能在扫频范围的任何位置出现，并且峰值频率由布里渊频谱的主要部分即可确定。为了方便说明，本实施例中，我们只选取了布里渊频谱的主要部分进行仿真。布里渊频谱主要部分的数据是光纤上距离发射端2km的145MHz的布里渊频谱。根据AQ8603的参数设定，选取扫频间隔为5MHz，扫频速率为5MHz/s。列车完全经过某一声屏障的时间为5s，则BOTDR每次探测只能得到N＝5个频率点，整个145MHz频谱对应29个频率点。

目前的方法是，在时间充足或者说检测对象受到外部干扰时慢变化时，扫频法得到完整的布里渊频谱，再对测得的布里渊谱进行洛伦兹曲线拟合以得到整个传感光纤上的布里渊频移曲线，即全谱的洛伦兹拟合。如图5所示，为光纤上距离发射端2km的145MHz的布里渊频谱，分别为离散数据点和拟合的洛伦兹曲线。洛伦兹曲线的峰值频率为ν_total＝10.8GHz+77.719MHz。

前文提到，本实例中，列车完全经过某一声屏障的时间为5s，则BOTDR每次探测只能得到N＝5个频率点，由于数据点太少此时洛伦兹拟合方法已经不再适用。但是将多个残缺谱拼接后，得到全谱的近似频谱，则仍然可以使用洛伦兹拟合法确定布里渊频谱的峰值频率。

在进行残缺谱的拼接时，理想状态下外部扰动幅度不变，则多次扫频得到的残缺谱可以认为都属于同一个布里渊频谱。此时拼接结果还属于原频谱，图6为两个残缺谱不重合拼接，图7为两个残缺谱的重合拼接，他们的轮廓仍然在原频谱上。

实际环境中，列车每次经过声屏障的速度会有波动，此时对声屏障的应变就会有一定波动。假设列车对2km处声屏障的应变波动造成布里渊频谱峰值频率最大1MHz的偏移，则多次扫频得到的残缺谱就属于不同的布里渊频谱。当残缺谱不重合时，直接拼接即可，如图8所示；残缺谱重合时，重合频率点处的拼接将面临幅值不同的问题，这里我们采用取幅值平均值作为拼接后重合点处的幅值，如图9所示。

设拼接后进行洛伦兹拟合得到的峰值频率以95％的概率落在区间[ν_total-2MHz，ν_total+2MHz]中，2MHz误差相当于声屏障发生8.9mm横向形变，这在工程中是可接受的。此时单次拼接所需要的残缺谱数量S就要达到一定阈值：如图10所示，应变不波动时，单次拼接只需33个残缺谱就能达标；应变波动时，单次拼接需要近120个残缺谱，效率降为理想状态的25.25％，如图11所示。据统计，北京到南京同一线路的高铁每天有60多班，按照这个数据推算，采用拼接法两天就可得到比较可靠地布里渊频谱的峰值频率。

综上所述，本发明通过在测量后对数据进行处理，可以在残缺谱中获取真实布里渊频谱的峰值频率，并且得到的结果具有精确、稳定和可重复性的特点。本发明弥补了BOTDR对短促外部干扰的不敏感性，改善了其在极端条件下的工作效果，对于工程应用具有重要意义。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，在外部干扰下，采用BOTDR***进行S次检测，获得S个不同频段的残缺谱，S为正整数；

步骤2，将步骤1中S个不同频段的残缺谱进行拼接，具体为：将S个残缺谱按照频率顺序放置到同一张频谱坐标系中，若存在重合的频率点，则该频率点的幅值取重合的频率点的平均值；

步骤3，对步骤2中拼接后的频谱进行洛伦兹拟合，从而得到频谱的峰值频率。

2.根据权利要求1所述的基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，其特征在于，所述BOTDR***采用频谱扫描的方式检测布里渊频谱。

3.根据权利要求1所述的基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，其特征在于，步骤1中残缺谱中的频率数其中，ν_s为扫频仪的扫频速度，Δν为扫频间隔，Δt为外界干扰的时间。

4.根据权利要求1所述的基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，其特征在于，使拼接后的频谱的洛伦兹拟合所得峰值频率以95％的概率落在区间[ν_total-2MHz，ν_total+2MHz]上的S的取值为优选值，其中ν_total为全谱洛伦兹拟合的峰值频率。

5.根据权利要求1所述的基于残缺谱拼接的布里渊谱寻峰方法，其特征在于，所述BOTDR***采用型号AQ8603的应变分析仪。