一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法技术

一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法，采用布里渊光时域反射计传感测量系统测得传感光纤的布里渊谱频域采样值；对所测布里渊谱采样值{                                                ，k=1,2…N}采用如下（1）式函数进行拟合，。本发明专利技术可提高布里渊频移的检测精度，可同时获得光纤中声子衰减系数、光纤布里渊频移及光纤的散射脉冲光的相干时间三个参数。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法
本专利技术涉及一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法，属于光纤传感

技术介绍
光纤传感技术由于具有抗电磁干扰能力强、设备易于安装、绝缘性好、灵敏度高等优点，在电力、建筑、土木工程等领域受到了越来越多的重视。布里渊光时域反射计(BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry，BOTDR)通过测量入射光脉冲在光纤中的自发布里渊散射光谱的中心频移来进行温度和应变的测量。光纤中的自发布里渊散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光，本专利技术中所述布里渊谱表示斯托克斯光或反斯托克斯光中任何一种与光源外差检测的信号功率谱。在连续单频光的入射下，自发布里渊散射的斯托克斯光谱和反斯托克斯光谱均呈洛仑兹函数分布，斯托克斯光谱的中心频率比入射光频率低fB，反斯托克斯光谱的中心频率比入射光频率高fB，fB被称为布里渊频移，其与光纤散射点处的温度和应变均呈线性关系，因此，测量出fB，即可测量出光纤散射点处的温度或应变。BOTDR技术采用脉冲光为入射光，脉冲光在光纤中行进过程中，不断产生后向自发布里渊散射，BOTDR利用光时域反射原理，通过检测布里渊频移fB沿光纤的分布，即可测量出沿光纤的温度或应变分布。因此检测布里渊频移fB为BOTDR的关键技术之一。目前，对光纤布里渊频移fB的检测，是通过对布里渊谱进行洛仑兹函数拟合得到的。即通过等间隔频率扫描，测量出布里渊谱采样值，再用洛仑兹函数对测量出的频域采样值进行拟合，拟合出的洛仑兹函数中心点对应的频率即为布里渊频移fB。该方法简单，易于实现，因此得到普遍应用。但该方法应用于脉冲光的光纤布里渊谱拟合时，存在拟合精度差的问题，虽然单频(或窄线宽)连续光的自发布里渊谱为洛仑兹函数分布，但脉冲光的布里渊谱并不是洛仑兹函数分布，原因在于脉冲光的频谱相对于连续光来说被展宽，实际得到的布里渊谱也就相应被展宽。因此简单地采用洛仑兹拟合并不能获得高精度的拟合结果，也就不能得到布里渊频移fB以及光纤温度或应变的高精度检测结果。另外洛伦兹拟合仅能获得布里渊频移，不能获得光纤中的声波衰减系数和散射脉冲光的相干时间参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提出一种针对脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法，在提高布里渊谱的拟合精度的情况下，可同时获得光纤中的声波衰减系数、布里渊频移和散射脉冲光的相干时间三个参数。本专利技术所述问题是由以下述技术方案解决的：1.采用布里渊光时域反射计(BOTDR)传感测量系统测得传感光纤的布里渊谱频域采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}，N为采样点数，fk为布里渊谱的扫描检测频点，Sk为对应频点fk处的布里渊谱采样值，采样频率范围(Δf＝fN-f1)至少为3倍的布里渊谱半值全宽(即3dB带宽)，并使布里渊谱峰值频率位于采样频率范围中心区域，确保采样值包含有一个完整的3dB带宽布里渊谱样值。2.对所测布里渊谱采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}采用如下(1)式函数进行拟合，其中A、Γ、fB和T为待拟合参量，A为幅度系数、Γ为声子衰减系数、fB为布里渊频移，T为散射光脉冲的相干时间，f为布里渊散射的斯托克斯光或反斯托克斯光与光源频率之差。(1)式右边第一项为洛仑兹函数，右边第二、第三项为脉冲光带来的光谱展宽部分。可应用Levenberg–Marquardt算法或其它数值拟合算法进行拟合。3.将拟合完成后所得到的A、Γ、fB和T的值代入(1)式，该式即为脉冲光的布里渊谱，Γ、fB和T的值分别为所测得的光纤中的声子衰减系数、布里渊频移和散射脉冲光的相干时间。上述布里渊谱采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}是由BOTDR系统采用外差方式检测的。先对脉冲光的自发布里渊散射斯托克斯光或反斯托克斯光与光源进行外差检测，然后对外差检测之后的电信号中各fk频率分量的功率进行检测得到布里渊谱采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点及有益的效果：(1)采用本专利技术的拟合方法所产生的误差比采用洛伦兹拟合所产生的误差更小；(2)本专利技术的方法可同时拟合出光纤中的声子衰减系数、布里渊频移和散射脉冲光的相干时间三个参数。附图说明图1是BOTDR系统测得的光纤上某点处的布里渊谱采样值；图2是采用本专利技术方法对布里渊谱采样值的拟合结果；图3是采用洛伦兹函数对布里渊谱采样值的拟合结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行更详细的描述。1、首先设置布里渊光时域反射计(BOTDR)传感测量系统工作参数，例如，入射脉冲光宽度为10ns，布里渊谱的频域测量范围为10.72GHz-11GHz，测得传感光纤的布里渊谱57个频域采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…57}，采样频率间隔Δfk＝fk+1-fk＝5MHz，起始频率f1＝10.72GHz，终止频率f57＝11GHz，采样值包含有一个完整的3dB带宽布里渊谱样值集合。布里渊谱采样如图1所示。2、对所测布里渊谱采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…57}，采用(1)式函数进行拟合，A、Γ、fB和T为待拟合参量，A为幅度系数、Γ为声子衰减系数、fB为布里渊频移，T为散射脉冲光的相干时间，f为布里渊散射的斯托克斯光或反斯托克斯光与光源频率之差。应用Levenberg–Marquardt算法进行函数拟合，结果为：A＝6.2636×105、Γ＝1.91742×108、fB＝10.8547GHz、T＝11.02ns，拟合误差为1.496×10-6。3、将拟合得到的A、Γ、fB和T的值代入(1)式，该式即为脉冲光的布里渊谱，拟合得到的布里渊谱频域曲线如图2所示。4、为了对比，采用洛仑兹函数对同样的采样点应用Levenberg–Marquardt算法进行拟合，得到结果为：A＝6.8439×105、Γ＝5.1381×108、fB＝10.8551GHz，拟合误差为4.519×10-6，得到的布里渊谱Sl(f)如图3所示，与图2相比，拟合误差大大增加。由于本专利技术方法所提出的(1)式不但含有洛仑兹函数项，同时含有散射脉冲光的相干时间带来的光谱展宽项，更真实反映了布里渊谱的频域特性，因此采用(1)式比只采用洛仑兹函数能获得更好的拟合精度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：步骤A：采用布里渊光时域反射计(BOTDR)传感测量系统测得传感光纤的布里渊谱频域采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}，N为采样点数，fk为布里渊谱的扫描检测频点，Sk为对应频点fk处的布里渊谱样值，采样频率范围(Δf＝fN‑f1)至少为3倍的布里渊谱半值全宽(即3dB带宽)，并使布里渊谱峰值频率位于采样频率范围中心区域，确保采样值包含有一个完整的3dB带宽布里渊谱样值；步骤B：对所测布里渊谱采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}采用下式函数进行拟合，SSP(f)=AΓ(Γ/2)2+4π2(f-fB)2+A2e-Γ·T/2[(Γ/2)2-4π2(f-fB)2]cos[2π(f-fB)T]T[(Γ/2)2+4π2(f-fB)2]2-A4πe-Γ·T/2Γ(f-fB)sin[2π(f-fB)T]+2[(Γ/2)2-4π2(f-fB)2]T[(Γ/2)2+4π2(f-fB)2]2]]>其中，A、Γ、fB和T为待拟合参量，A为幅度系数、Γ为声子衰减系数、fB为布里渊频移，T为散射脉冲光的相干时间，f为布里渊散射的斯托克斯光或反斯托克斯光与光源频率之差；上式右边第一项为洛仑兹函数，上式右边第二、三项为脉冲光带来的光谱展宽部分；可应用Levenberg‑Marquardt算法或其它数值拟合算法进行拟合；步骤C：将拟合完成后所得到的A、Γ、fB和T的值代入上式，该式即为脉冲光的布里渊谱，Γ、fB和T的值分别为所测得的光纤中的声子衰减系数、布里渊频移和散射脉冲光的相干时间。...

【技术特征摘要】
1.一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：步骤A：采用布里渊光时域反射计(BOTDR)传感测量系统测得传感光纤的布里渊谱频域采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}，N为采样点数，fk为布里渊谱的扫描检测频点，Sk为对应频点fk处的布里渊谱样值，采样频率范围(Δf＝fN-f1)至少为3倍的布里渊谱半值全宽(即3dB带宽)，并使布里渊谱峰值频率位于采样频率范围中心区域，确保采样值包含有一个完整的3dB带宽布里渊谱样值,其中△f为采样频率范围,fN为布里渊谱的第N个扫描检测频点,f1为布里渊谱的第1个扫描检测频点；步骤B：对所测布里渊谱采样值{(fk，Sk)，k＝1,2…N}采用下式函数进行拟合，

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志，李永倩，尚秋峰，赵丽娟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13