【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分布式光纤传感领域，具体的说是一种基于门控循环单元和注意力机制的botda的温度提取方法。
技术介绍
1、布里渊光时域分析技术（botda）通过利用布里渊散射效应，实现了在光纤中实时、连续、高分辨率的传感测量。通过传输激光脉冲信号到被测光纤中，并利用布里渊散射引起的光声波反射信号，botda技术可以对光纤中的温度、应变等物理量进行精确测量和监测。相较于传统的分布式光纤传感技术，botda技术具有更高的测量分辨率和灵敏度。
2、botda技术在许多领域中都得到了广泛应用。在结构健康监测领域，botda技术可以用于实时监测桥梁、隧道、油气管道等基础设施的应变和温度变化，从而提供及时的预警和维护。在油田勘探和生产中，botda技术可以用于监测井下温度和应变，优化油井操作和提高采油效率。此外，botda技术还可以应用于地质勘探、地震监测、火灾探测等领域。采用洛伦兹曲线拟合法确定布里渊频移，即找到被测布里渊增益谱的最大值对应的中心频率作为布里渊频移，然后利用布里渊频移与温度的线性关系公式计算得到温度信息。
3、洛伦兹曲线拟合法确定布里渊频移的精度取决于拟合初始参数的合理设置，而且对被测布里渊增益谱的信号处理需要迭代优化拟合参数，这意味着曲线拟合法需要较长的时间。
4、较长的数据处理时间会使得由该系统获得温度数据的时间可能严重滞后于温度的变化，降低了温度传感的时效性。而且曲线拟合过程中可能出现过拟合或欠拟合的现象，特别是在选择较大扫频步进时，会导致估计不准确，影响测量精度，也不利于实现高精度
5、由于光纤中被测光的自然展宽和多普勒展宽现象以及电光调制器消光比不足导致的连续光泄漏，使得布里渊增益谱会逐渐趋于高斯型曲线，这也在一定程度上影响了洛伦兹曲线拟合方法的测量精度。
6、门控循环单元（gru）是一种改进的循环神经网络（rnn），旨在克服传统rnn的缺陷。它引入了门控机制，包括更新门和重置门，以更好地管理内部状态的信息流动。
7、门控循环单元相对于传统rnn更容易训练，同时仍能够有效地捕捉时序数据中的关键信息，因此在许多序列建模任务中表现出色。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提出一种基于门控循环单元和注意力机制的botda的温度提取方法，主要包括以下步骤：
2、步骤s1、利用布里渊光时域分析系统进行数据采集，确定布里渊频移温度系数；
3、步骤s2、采用洛伦兹函数建立布里渊增益谱数据集；
4、步骤s3、对门控循环单元和注意力机制网络模型进行训练，即利用反向传播算法迭代优化网络模型；
5、步骤s4、使用训练好的门控循环单元和注意力机制网络模型对布里渊光时域分析系统采集的布里渊增益谱进行温度解析，即该网络模型以布里渊增益谱作为门控循环单元的输入，数据经过门控循环单元的处理输入至注意力机制层，经过注意力机制层处理，最终提取出温度信息。
6、在以上方案的基础上，进一步的，在步骤s1中,所述布里渊光时域分析系统包括窄线宽激光器、耦合器、电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、声光调制器、扰偏器、环形器、隔离器、可调光学衰减器、布拉格光栅、光电探测器、采集卡；
7、所述窄线宽激光器发出的激光被耦合器分为两路，分别是连续探测光和泵浦脉冲光，所述探测光经过电光调制器被微波信号调制，被第一掺铒光纤放大器放大信号，通过第一偏振控制器控制偏振态，然后经过控制偏振噪声的扰偏器后进入隔离器，经过可调光学衰减器进行光强调节进入环形器；
8、所述泵浦光经过第二掺铒光纤放大器进行信号放大，通过偏振控制器，然后经过声光调制器进行调制，调制后的泵浦光信号进入传感光纤，在传感光纤中与探测光发生受激布里渊散射效应，后向传播的散射光有环形器接入支路，经过布拉格光栅进行单边带滤波后输入到光电探测器的输入端转为电信号，然后被采集卡进行数据采集，采集数据交付到计算机，在计算机中通过门控循环单元对采集的传感光纤的数据进行温度提取。
9、在以上方案的基础上，进一步的，所述步骤s1利用布里渊光时域分析系统进行数据采集，确定布里渊频移温度系数的具体操作如下：
10、传感光纤中布里渊频移的理论表达式如下式：
11、
12、式中， v a为传感光纤中的声波声速；n为光纤折射率，为入射光波长，温度变化时，引起光纤折射率和声速的变化导致布里渊频移发生变化，声速 v a表示如下式：
13、
14、将其代入布里渊频移理论表达式可以得到下式：
15、
16、其中k为泊松比，e为杨氏模量，ρ为光纤密度；当传感光纤温度发生改变影响所述的参数则布里渊频移和温度的关系如下式：
17、
18、其中，传感光纤选定后，其为固定的常数。
19、在以上方案的基础上，进一步的，所述窄线宽激光器（分布式反馈激光器）的峰值功率为10dbm，中心波长为1550.12nm，所述耦合器的耦合比为30:70，所述声光调制器的消光比为50db，所述传感光纤长度40km，所述声光调制器的消光比为50db。
20、在以上方案的基础上，进一步的，在步骤s2中,采用洛伦兹函数建立布里渊增益谱数据集，采用如下公式：
21、
22、其中，表示布里渊增益，幅值；表示布里渊中心频率；表示布里渊增益谱的半高全宽，设置参数温度范围0-100℃，变化步长0.1℃，扫频步长1mhz，扫频范围10.76-11.01ghz，布里渊增益谱的半高全宽范围为30-70mhz。
23、根据上述公式，不断修改洛伦兹函数公式中的参数对布里渊增益谱进行仿真，得到不同状态下的布里渊增益谱。
24、在以上方案的基础上，进一步的，所述步骤s3对门控循环单元和注意力机制网络模型进行训练，包括如下步骤：
25、步骤s3.1、将步骤s2中得到的数据集划分为训练集与测试集；
26、步骤s3.2、搭建所述门控循环单元和注意力机制的网络；并对门控循环单元的各参数进行随机初始化；其中包括门控循环单元的各层权重和偏置；
27、步骤s3.3、将门控循环单元接入注意力层，利用矩阵存储权重关系，提高对于关键区域的关注；
28、步骤s3.4、利用所述训练集输入至门控循环单元和注意力机制融合的网络进行监督学习训练；
29、步骤s3.5、将测试集输入训练得到的，计算均方根误差；
30、步骤s3.6、判断误差是否大于预设阈值，若大于阈值则调整门控循环单元结构参数并重复步骤s3.5，直到误差小于预设阈值，得到训练好的门控循环单元和注意力机制。
31、在以上方案的基本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：在步骤S1中,所述布里渊光时域分析系统包括窄线宽激光器、耦合器、电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、声光调制器、扰偏器、环形器、隔离器、可调光学衰减器、布拉格光栅、光电探测器、采集卡；
3.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：所述步骤S1利用布里渊光时域分析系统进行数据采集，确定布里渊频移温度系数的具体操作如下：
4.根据权利要求2所述的基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：所述窄线宽激光器的峰值功率为10dBm，中心波长为1550.12nm，所述耦合器的耦合比为30:70，所述声光调制器的消光比为50dB，所述传感光纤长度40km，所述声光调制器的消光比为50dB。
5.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的B
6.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：所述步骤S3对门控循环单元和注意力机制网络模型进行训练，包括如下步骤：
7.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：所述步骤S4中的门控循环单元描述为：
8.根据权利要求6所述的基于门控循环单元和注意力机制的BOTDA的温度提取方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述门控循环单元具体由4层构成，一个输入层一个输出层，2个隐藏层，所述输入层层结点为251，所述隐藏层的结点数为64，输出层结点数为1，所述注意力机制层的隐藏层与门控循环单元一致。
...【技术特征摘要】
1.一种基于门控循环单元和注意力机制的botda的温度提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的botda的温度提取方法，其特征在于：在步骤s1中,所述布里渊光时域分析系统包括窄线宽激光器、耦合器、电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、声光调制器、扰偏器、环形器、隔离器、可调光学衰减器、布拉格光栅、光电探测器、采集卡；
3.根据权利要求1所述的基于门控循环单元和注意力机制的botda的温度提取方法，其特征在于：所述步骤s1利用布里渊光时域分析系统进行数据采集，确定布里渊频移温度系数的具体操作如下：
4.根据权利要求2所述的基于门控循环单元和注意力机制的botda的温度提取方法，其特征在于：所述窄线宽激光器的峰值功率为10dbm，中心波长为1550.12nm，所述耦合器的耦合比为30:70，所述声光调制器的消光比为50...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙志慧，张伟，王昌，姜邵栋，张发祥，孔喆，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：
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