一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法技术

本发明专利技术公开一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，属于分布式光纤传感领域；提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法包括：S1，记录BOTDR系统数据采集模块采集到的布里渊散射信号；S2，对布里渊散射信号进行短时傅里叶变换来构建三维频谱；S3，通过寻极大值算法来构建布里渊频移图，并结合寻峰因子来判断布里渊频移；S4，对布里渊频移曲线中温度或应力段信息进行修正；S5，对温度段的布里渊频移值的不确定度进行计算，得到频率分辨率；在工程运用领域中，不仅能做到节约成本，还极大的提高了监测的精度，提高系统的空间分辨率。提高系统的空间分辨率。提高系统的空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法


[0001]本专利技术属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法。

技术介绍

[0002]布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术，与传统点式传感技术相比，分布式光纤传感不仅可以获实现沿光纤长度每个位置应变和温度值的精准测量，还具有耐高温、占地面积小、电磁抗性好、可铺设距离长等优点，引起了研究人员的广泛关注，并被土木工程领域广泛采用，用于结构健康监测。目前布里渊光时域反射仪的时频分析有两种，分别为扫频法和短时傅里叶变换法；因为短时傅里叶变换是对宽带信号整体做信号处理，系统运算时间短，反应快，更适合工程应用。
[0003]空间分辨率是布里渊光时域反射仪的重要性能参数，通常与脉冲宽度成正比，对于脉冲时间宽度为t，传输速度为v的入射光，其空间分辨率z为：
[0004][0005]短时傅里叶变换的分辨率和窗长和滑窗间距都有关系，选择一个短的窗函数会提高时间分辨率，但窗内信号少会导致频率分辨率差；选择一个长的窗函数会提高频率分辨率，但窗内信号长会导致时间分辨率差；根据不确定性原理，时间分辨率与频率分辨率不能同时任意小，它们的乘积受到一定值的限制。要提高时间分辨率就要降低频率分辨率，反之亦然。所以当空间分辨率内小段长度信息发生变化时，传统系统无法识别。
[0006]在无需进行任何系统修改的情况下，后处理技术可以实现传感系统更高的空间分辨率。目前研究人员提出多种方法，其一是脉冲分段技术，它需要一个在温度变化区域前具有稳定频移的参考光纤；其二是用二次时频变换代替常用的短时傅里叶变换；其三利用等效空间分辨率的滤波函数来反卷积布里渊信号。但这些后处理方法是对原始布里渊增益谱的等效处理，需要原始布里渊增益谱有很好的线性，就要求系统有足够大的信噪比和标准的脉冲形状，这会增加系统的成本，让这些方法应用场景变少。
[0007]目前市面上销售的BOTDR成品仪器价格普遍价格较为昂贵，一些土木工程项目对于结构健康监测的预算较低，购置一台BOTDR仪器将会花费大部分的预算。因此许多工地会通过调度的方式来使用同一台仪器实现监测，但这样无法实现结构的连续、实时测量，无法及时发现结构中存在的健康问题并且在调度的过程中容易造成仪器的损坏。目前工程选择的低成本BOTDR系统大多会选择降低脉冲调制器的预算，比用半导体激光器(SOA)替换价格10倍与SOA的电光调制器(EOM)，这会降低脉冲质量，恶化空间分辨率。在这种背景下，保持低成本的同时提高系统的空间分辨率成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，保持低成本的同时提高系统的空间分辨率。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0010]一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，包括以下步骤：
[0011]S1，记录BOTDR系统数据采集模块采集到的布里渊散射信号；
[0012]S2，对布里渊散射信号进行短时傅里叶变换来构建三维频谱；
[0013]S3，通过寻极大值算法来构建布里渊频移图，并结合寻峰因子来判断布里渊频移；
[0014]S4，对布里渊频移曲线中温度或应力段信息进行修正；
[0015]S5，对温度段的布里渊频移值的不确定度进行计算，得到频率分辨率。
[0016]进一步地，所述S2中，构建三维频谱的步骤为：
[0017]S21，以一定窗长h，一定滑窗间距Δt对光纤沿线的信号进行傅里叶变换，离散型的短时傅里叶变换可写成：
[0018][0019]h＝iΔt
‑
t
[0020]其中，K(v,t)为通过傅里叶变换构建三维频谱，s(i)原始布里渊散射信号w(iΔt
‑
t)为窗函数；
[0021]S22，将窗长分为m份，则时间t0点的布里渊增益谱为：
[0022][0023]其中，K
i
(v,t)为各份子窗长产生的布里渊增益谱；a
i
表示权重系数；
[0024]S23，当一个窗长内既有常温信息，又有温度或应变信息，时间t0点的布里渊增益谱为：
[0025][0026]其中，v1为常温段光纤的布里渊频移，v2为受温度或应变段光纤的布里渊频移。
[0027]进一步地，所述S3中，寻极大值算法是在MATLAB系统上对短时傅里叶变换构建的频谱图各点进行极大值判断。
[0028]进一步地，所述极大值判断条件为：
[0029]v(x)
‑
v(x
‑
Δv)>0&&v(x+Δv)
‑
v(x)<0
[0030]其中，v(x)为光纤单个位置的布里渊增益谱中各频率对应光强大小的函数，Δv为频率步长，&&表示两条件并立。
[0031]进一步地，所述S3中，寻峰因子σ由下列式子计算：
[0032][0033]其中，SNR为系统的信噪比，E为系统的噪声强度大小，β为算法的频率步长，FWHM为布里渊增益谱的半高宽度；
[0034]再判断极大值大于寻峰因子σ的极大值的个数，若只有一个则其为布里渊频移大小，若有多个则第二极大值为布里渊频移大小，这些数据一起构建布里渊频移曲线。
[0035]进一步地，在所述S4中，温度或应力信息的曲线长度会比真实温度或应力段长度长一个窗函数长度h，对布里渊频移曲线中温度或应力信息进行修正，将温度段布里渊频移曲线开始和末尾的位置都相内偏移h/2长度。
[0036]进一步地，若温度或应力信息的长度小于窗函数长度一半时，包含温度或应力信息的曲线长度会比真实温度或应力段长度长λl，λ为修正系数，由下列式子得：
[0037][0038]其中l为真实温度或应力段长度，h为窗函数长度，t为窗函数长度被细分的子脉冲长度。
[0039]进一步地，所述S5中不确定度δT计算公式为:
[0040][0041]其中N1为布里渊频移曲线上温度或应力段开始位置的数据点数,N2为末尾位置的数据点数,V
n
为温度或应力段各位置的布里渊频移的大小，为温度或应力段各位置的布里渊频移的大小的平均数。
[0042]本专利技术的有益效果：本专利利用基于短时傅里叶变换(STFT)布里渊光时域反射仪装置采集并构建布里渊增益谱，运用寻极大值算法来提高了布里渊频移检测中的空间分辨率；在工程运用领域中，不仅能做到节约成本，还极大的提高了监测的精度，提高系统的空间分辨率。
附图说明
[0043]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，记录BOTDR系统数据采集模块采集到的布里渊散射信号；S2，对布里渊散射信号进行短时傅里叶变换来构建三维频谱；S3，通过寻极大值算法来构建布里渊频移图，并结合寻峰因子来判断布里渊频移；S4，对布里渊频移曲线中温度或应力段信息进行修正；S5，对温度段的布里渊频移值的不确定度进行计算，得到频率分辨率。2.根据权利要求1所述的一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，其特征在于，所述S2中，构建三维频谱的步骤为：S21，以一定窗长h，一定滑窗间距Δt对光纤沿线的信号进行傅里叶变换，离散型的短时傅里叶变换可写成：其中，K(v,t)为通过傅里叶变换构建三维频谱，s(i)原始布里渊散射信号w(iΔt
‑
t)为窗函数；S22，将窗长分为m份，则时间t0点的布里渊增益谱为：其中，K
i
(v,t)为各份子窗长产生的布里渊增益谱；a
i
表示权重系数；S23，当一个窗长内既有常温信息，又有温度或应变信息，时间t0点的布里渊增益谱为：其中，v1为常温段光纤的布里渊频移，v2为受温度或应变段光纤的布里渊频移。3.根据权利要求1所述的一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，其特征在于，所述S3中，寻极大值算法是在MATLAB系统上对短时傅里叶变换构建的频谱图各点进行极大值判断。4.根据权利要求3所述的一种提高布里渊光时域反射仪空间分辨率的方法，其特征在于，所述极大值判断条件为：v(x)
‑
v(x
‑
Δv)>0&&v(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋茗，陈映恺，毕研钊，曹栋，刘鑫煜，单媛媛，郭林峰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：