一种布里渊频移误差估算方法技术

本发明专利技术的目的是为了估算基于布里渊散射的光纤分布式传感中温度/应变测量误差，提供了一种快速、准确的布里渊频移误差估算方法。本发明专利技术的技术方案是：将脉冲光入射至光纤中，在光纤入射端检测散射光的布里渊谱，采用基于伪Voigt模型的拟合算法对实测布里渊谱进行拟合，计算获得线宽和一个线宽内的信噪比。根据下式估算布里渊频移误差

【技术实现步骤摘要】
一种布里渊频移误差估算方法
本专利技术涉及一种光纤分布式传感中布里渊频移误差的估算方法，属于测量

技术介绍
分布式光纤传感器除具有一般光纤传感器抗电磁干扰、耐腐蚀以及电绝缘性好等优点外，还具有只需一次测量即可获取沿整个光纤被测场分布信息等独特优点，另外其测量精度高、定位准确、传感距离可达上百公里。因此，应用领域非常广泛。其中，基于光纤布里渊散射的分布式传感技术在温度和应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率具有优势，因此引起了国内外的广泛关注和研究。利用该技术对油气管道、大型水利水电工程结构和电力线缆等的温度和应变进行在线监测，可实现故障隐患及故障点的快速、准确定位。基于布里渊散射的温度和应变传感研究主要围绕温度和应变测量的准确性、温度和应变的同时测量、空间分辨率的提高、温度和应变测量范围提升等几个方面。测量准确性是其他一切测量指标的基础。温度和应变会影响布里渊增益谱，通过检测布里渊增益谱的特征参数有希望能测量温度和应变。由于布里渊频移与温度和应变成线性关系且稳定性最高，这些特征参数中最为常用的是布里渊频移。一旦温度和应变系数确定后，温度和应变测量的准确性将直接取决于布里渊频移测量的准确性。为了估算布里渊频移误差，有人提出了一个著名的布里渊频移最小可检测误差估算公式，如下其中，δvB为布里渊频移最小可检测误差；ΔvB为线宽；为SNR信噪比。该公式已被广泛引用。这样只要知道了信噪比和线宽，现实中的很多情况下的温度和应变测量误差都可以估算。但是，现实情况下，扫频点数和扫频范围可能会不同，这也会影响布里渊频移误差，进而会影响布里渊频移误差估算的准确性，而原有公式没有考虑到这两点。这样其估算结果可能存在误差。另外，没有文献公开报道了该公式的获得过程，这使其可信度下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了有效估算基于布里渊散射的光纤分布式传感的温度/应变测量误差，考虑到温度/应变与布里渊频移成线性关系，提出了一种快速、准确的布里渊频移误差估算方法。本专利技术的技术方案是：将脉冲光入射至光纤中，光在光纤中传播发生布里渊散射，在入射端检测散射光的布里渊谱。采用基于伪Voigt模型的拟合算法对实测布里渊谱进行拟合，计算获得线宽和一个线宽内的信噪比。提出一个基于信噪比、扫频范围、扫频点数和线宽的布里渊频移误差估算公式，根据布里渊谱一个线宽内的信噪比、扫频范围、扫频点数和线宽结合该公式估算布里渊频移误差。本专利技术的优点有：(1)准确性高通过单一影响因素分析获得各个因素对布里渊频移误差影响规律的基础上结合实际情况分析获得考虑多个因素情况下布里渊频移误差估算公式，所得结果经过大量不同情况下的实际谱数据检验，误差仅为10％左右。(2)使用方便、速度快直接给出了布里渊频移误差的估算公式，一旦知道线宽、一个线宽内的信噪比、扫频范围和扫频点数即可直接估算布里渊频移误差，耗时极短。同时线宽、信噪比、扫频范围和扫频点数非常容易获得。(3)能定性分析各因素对误差的影响规律根据布里渊频移误差的估算公式能定性分析各因素对误差的影响规律，可用于选择合适的参数进一步减少布里渊频移误差。附图说明图1为信噪比与布里渊频移误差的关系及拟合情况；图2为扫频范围与布里渊频移误差的关系及拟合情况；图3为线宽与布里渊频移误差的关系及拟合情况；图4为扫频点数与布里渊频移误差的关系及拟合情况；图5为提出的布里渊频移误差估算公式的估算结果及拟合情况；图6为本专利技术的流程图；图7为叠加平均次数为218时布里渊频移与光纤位置的关系；图8为扫频范围为10.52～10.92GHz，扫频间隔为1MHz时不同脉冲宽度和叠加平均次数下布里渊频移误差和本专利技术估算的结果；图9为2个线宽和扫频间隔＝2MHz时不同脉冲宽度和叠加平均次数下布里渊频移误差和本专利技术估算的结果。以下结合附图对本专利技术做进一步描述：1相关因素对布里渊频移误差的影响1.1信噪比不失一般性，g0、vB和ΔvB分别为峰值增益、布里渊频移和线宽，它们分别设置为0.9、10.8GHz和0.03GHz，采用式(1)所示的洛伦兹模型产生布里渊谱。其中v为频率。扫频范围为vB-ΔvB到vB+ΔvB。采用0均值正态分布的高斯白噪声施加到产生的信号，信噪比在0dB到50dB范围内变化，信噪比为一个线宽内的结果。扫频点数为61。为了反映随机性的影响，以上参数的每种组合信号随机产生10000次。为10000次布里渊频移误差幅值的均值。信噪比与布里渊频移误差幅值均值(后续简称布里渊频移误差)的关系如图1所示。图中也给出了信噪比与布里渊频移误差的拟合结果，拟合得到公式为0dB时过大的噪声导致洛伦兹模型拟合得到布里渊频移超出了扫频范围，将误差取值为扫频范围内的随机值，故误差规律与其他情况有异，式(3)的预测误差略大。除此之外，拟合误差和拟合相对误差的最大值分别为1.66×10-5GHz和2.21％。拟合误差幅值和相对误差幅值的均值分别为4.34×10-6GHz和1.19％。由此可见，随信噪比(单位为dB)的增加误差呈指数规律下降。1.2扫频范围不失一般性，信噪比设置为10dB。扫频范围为从vB-RΔvB/2到vB+RΔvB/2，R为扫频范围与线宽的比值，在0.3到10范围内变化。其他参数与1.1节一致。得到扫频范围与布里渊频移误差的关系如图2所示。图中也给出了布里渊频移误差与R的拟合结果，拟合得到公式为由图2可知，如果扫频点数保持不变，随着扫频范围从较小值增加布里渊频移计算误差先减少后增加。在扫频范围在0.6ΔvB到2ΔvB范围内，扫频范围对布里渊频移误差的影响很小，可以近似认为在此范围内布里渊频率计算误差不变。在扫频范围在0.2ΔvB到10ΔvB范围内变化时最大频移误差与最小频移误差比值为3。因此，给出布里渊频移误差估算公式时需要给出扫频范围，否则公式的适用性会下降或者产生较大的误差。1.3线宽不失一般性，信噪比设置为10dB。线宽在0.03GHz到0.15GHz范围内变化。其他参数与1.1节一致。得到布里渊频移误差与线宽的关系如图3所示。图中也给出了布里渊频移误差与线宽的拟合结果，拟合得到公式为拟合误差和拟合相对误差的最大值分别为8.87×10-6GHz和5.25×10-1％。拟合误差幅值和相对误差幅值的均值分别为6.70×10-6GHz和2.93×10-1％。由此可见，随线宽的增加误差线性增大。1.4扫频点数不失一般性，信噪比设置为10dB。扫频点数在11到12001范围内变化。其他参数与1.1节一致。得到扫频点数与的关系如图4所示。图中也给出了布里渊频移误差与扫频点数的拟合结果，拟合得到公式为其中，N为扫频点数。拟合误差和拟合相对误差的最大值分别为4.21×10-5GHz和4.64％。拟合误差幅值和相对误本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速、准确的布里渊频移误差估算方法。其特征是：将脉冲光入射至光纤中，光在光纤中传播发生布里渊散射，在入射端检测散射光的布里渊谱，采用基于伪Voigt模型的拟合算法对实测布里渊谱进行拟合，计算获得线宽和一个线宽内的信噪比。根据布里渊谱的特征参数来估算布里渊频移误差。/n

【技术特征摘要】
1.一种快速、准确的布里渊频移误差估算方法。其特征是：将脉冲光入射至光纤中，光在光纤中传播发生布里渊散射，在入射端检测散射光的布里渊谱，采用基于伪Voigt模型的拟合算法对实测布里渊谱进行拟合，计算获得线宽和一个线宽内的信噪比。根据布里渊谱的特征参数来估算布里渊频移误差。


2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志钮，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