用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法

摘要

用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法，涉及一种提高光纤传感器空间分辨率的数据分析方法。本发明利用对布里渊光纤传感器发射的脉冲光进行测量，得到布里渊光纤传感器发射的脉冲光的形状方程，由于脉冲光与布里渊散射信号在光纤中反向传播，因此持续τ′的布里渊信号是脉冲光在光纤中前进τ′的时间里产生的；把布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程在τ′时间上积分，得到等效脉冲光形状方程，并通过公式得到各段的中心频率，进一步得到各段脉冲光能量之比，最后得到光纤中各段长度上的物理信息。本发明简化了数据分析的难度，提高光纤传感器的空间分辨率，使得分析数据时使用的布里渊散射谱更加接近真实情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高光纤传感器空间分辨率的数据分析方法。

背景技术

光束在光纤等介质中传播时会产生布里渊散射光，布里渊散射光的光谱包含有在传播介质中产生该布里渊散射光的位置处的物理信息。布里渊光纤传感器就是利用探测光源向光纤中发射的脉冲光产生的布里渊散射谱，进而利用布里渊散射谱的中心频率、峰值功率及半峰全宽等参量来计算出与这些参量相联系的光纤中的物理信息。图7和图8为常见的两种类型的布里渊光纤传感器，一种是利用自发布里渊散射进行传感的，同时它利用的是光时域反射的原理，另一种是利用受激布里渊散射进行传感的，同时它利用的是布里渊光时域分析的原理。

光电探测器在任意时刻接收到的布里渊散射信号并非是在光纤中某一无限短的长度上产生的，而是在等于激光器所发射的脉冲光的长度的一半长度的光纤上所产生的。这一等于脉冲光一半的长度便是通常所指的布里渊光纤传感器的空间分辨率。例如当脉冲光时长为10ns时，它在光纤中的长度是10ns×(2×10⁸m/s)＝2m，其中2×10⁸m/s是光纤中的光速，所以此时的空间分辨率是1m。

可见，通过减小脉冲光的时间宽度可以提高布里渊光纤传感器的空间分辨率。但是当脉冲光时长小于10ns时，它在光纤中产生的布里渊散射谱会出现急剧的展宽，而且所产生的布里渊散射谱的功率也会变小，这样就导致在这种情况下难以准确求得光纤中各部分产生的布里渊散射谱的各个参量，从而难以准确求得与这些参量对应的光纤中的物理信息。为了进一步提高空间分辨率，一种根据对布里渊散射谱进行分解分析的方法被提了出来。这种方法将布里渊光纤传感器发射的脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱看作是若干按照脉冲光等分的等长较短的脉冲光共同产生的，如图1所示。通过利用光纤中已知物理信息的位置的布里渊散射谱，利用公式1逐步推出最后一段较短的脉冲光的布里渊散射谱，从而可以得到代表光纤中更短长度上的布里渊散射谱信息，进而提高了布里渊光纤传感器的空间分辨率。公式1如下所示：

$g_B=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{g}_{\mathrm{Bi}}$(公式1)

其中g_B为布里渊光纤传感器发射的脉冲光在光纤中某一段等于脉冲光的一半的长度上产生的布里渊散射谱，g_Bi为将脉冲光看作等分的n段后第i段脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，并且g_B1到g_B(n-1)均为由光纤中已知物理信息的位置得到的已知量，p_i为各个g_Bi的功率权重，可以通过脉冲光的波形得到。利用这一方法的具有代表性的文献如：H.Murayama and al；Improvement of spatial resolution for strain measurements by analyzing Brillouingain spectrum.Proc.of SPIE，Bellingham，WA.2005，551～554。但是由于没有考虑到信号采集模块的采集速率问题，它只能将布里渊光纤传感器的空间分辨率的提高到0.3m。

由于在分析布里渊光纤传感器的布里渊散射谱信号的特点及信号采集时单次采样时间不可能无限小，所以提高光纤传感器的空间分辨率的范围较小，距离真实的布里渊散射谱还有很大差距。

发明内容

本发明目的是简化数据分析的难度，提高光纤传感器的空间分辨率，使得分析数据时使用的布里渊散射谱更加接近真实情况。

本发明采用如下的技术方案：

将布里渊光纤传感器发射的脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱看作是若干按照脉冲光等分的等长较短的脉冲光共同产生的，通过利用光纤中已知物理信息的位置的布里渊散射谱，利用公式(1)$g_B=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{g}_{\mathrm{Bi}},$逐步推出最后一段较短的脉冲光的布里渊散射谱，从而可以得到代表光纤中更短长度上的布里渊散射谱信息，进而提高布里渊光纤传感器的空间分辨率；公式中g_B为布里渊光纤传感器发射的脉冲光在光纤中某一段等于脉冲光的一半的长度上产生的布里渊散射谱，g_Bi为将脉冲光看作等分的n段后第i段脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，并且g_B1到g_B(n-1)均为由光纤中已知物理信息的位置得到的已知量，p_i为各个g_Bi的功率权重，可以通过脉冲光的波形得到；将A/D采样模块的单次采样时间与布里渊光纤传感器发射的脉冲光结合起来，以确保在最后数据分析时使用的布里渊散射谱是更加接近真实情况的能够反映光纤中物理信息的布里渊散射谱；将布里渊光纤传感器发射的脉冲光与对信号的采集时间结合起来，抽象成为一个等效脉冲光，最终得到的被分析的布里渊散射谱可被看作是该等效脉冲光在光纤中产生的，并且是被信号采集模块在无限短的时间内接受到的布里渊散射谱；用前述公式(1)对布里渊散射谱的分解分析按照等效脉冲光的形状进行。

本发明首先根据布里渊光纤传感器的说明或对它发射的脉冲光进行测量，得到布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程；通过对布里渊光纤传感器中信号采集模块的说明或实验测量，得到布里渊光纤传感器的信号采集模块在对信号的单次采集中所需要的时间；将布里渊散射谱的形成特点与布里渊光纤传感器中信号采集模块在单次采样中所需的时间结合起来，把布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程在上述信号采集模块单次采样所需的时间上积分，得到一个等效脉冲光形状方程；在利用公式对布里渊光纤传感器得到的布里渊散射谱进行分解分析时，其分析对象布里渊散射谱可以被等效的看作是布里渊光纤传感器的信号采集模块在任意无限短的时间内接收到的该等效脉冲光方程所描述的等效脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，这样基于公式的对布里渊散射谱的分解分析工作可以按照等效脉冲光的形状进行，使分解分析的过程及得到的布里渊散射谱各参量能够准确反映光纤中一小段长度上的物理信息，使布里渊光纤传感器的空间分辨率得到显著提高。

本发明按照以下步骤来实现上述结果：

第一步：对布里渊光纤传感器发射的脉冲光进行测量，得到布里渊光纤传感器发射的脉冲光的形状方程y₀(t)，其中t为时间，脉冲光的持续时间为τ；

第二步：测量布里渊光纤传感器的信号采集模块在对信号的单次采集中所需要的时间，这里假设为τ′；

第三步：把布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程在上述信号采集模块单次采样所需的时间上积分(这里为τ′在时间上积分)，可得到一个等效脉冲光形状方程，如下面公式(3)所示：

(公式3)

其中q(t)为用来描述等效脉冲光形状的函数，y(t)为等效脉冲光形状方程；

第四步：通过公式(3)可以看到，等效脉冲光持续时长为τ+τ′，由等效脉冲光持续时间决定的布里渊光纤传感器发射的脉冲光对应的实际空间分辨率为：

${\mathrm{\Δz}}^{\′}=\frac{c(\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}^{\′})}{\left(2n\right)}$(公式4)

其中c为光纤中的光速，n为光纤的折射率；

第五步：通过公式(4)中的Δz′除以Δz₀，可求得需将等效脉冲光按其长度等分的段数m为m＝Δz′/Δz₀；

第六步：对于布里渊光纤传感器得到的光纤中产生的某个布里渊散射谱g_B，可利用公式(1)对g_B进行分解分析，以提高空间分辨率。

$g_B=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{Bi}}$(公式1)

其中$g_B=\frac{{P(w/2)}^2}{{(x-x_0)}^2+{(w/2)}^2},$P为g_B的峰值功率，w为g_B的半峰全宽，x为自变量，x₀为g_B的中心频率；$g_{\mathrm{Bi}}=\frac{P_i{(w_i/2)}^2}{{(x-x_i)}^2+{(w_i/2)}^2}$为将脉冲光看作等分的m段中第i段脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，p_i为各个g_Bi的功率，w_i为各个g_Bi的半峰全宽，x_i为各个g_Bi的中心频率；

第七步：将公式(3)得到的等效脉冲光等分为m段，利用等效脉冲光的形状方程分别求得各段对应的面积，它们的面积之比表示等分的m段脉冲光能量之比；由于g_Bi由m段脉冲光分别产生，所以各个p_i之比等于各段等分的等效脉冲光的面积之比，进而可通过P求出各个p_i；

第八步：对布里渊光纤传感器从光纤中一段已知物理信息且大于Δz′长度的光纤上得到的某个布里渊散射谱利用公式(1)进行分解分析，因为这种情况下各个x_i与x₀相同，所以可根据x₀得到各个x_i；这样结合第七步便可以求得从g_B1到g_Bm各自的表达式；

第九步：将第八步中求得的g_Bm、g_Bm-1、……g_B2分别作为公式(1)中的g_Bm-1、g_Bm-2……g_B1，各p_i保持不变，然后利用公式(1)对布里渊光纤传感器采集到的与第六步中分析的布里渊散射谱g_B沿光纤中脉冲光发射方向相距Δz₀长度的布里渊散射谱进行分析，从而求得该布里渊散射谱的g_Bm；此g_Bm的各参量对应的光纤中的物理信息就是对应于光纤中一段长度为Δz₀的光纤上的物理信息；该段光纤的位置与布里渊光纤传感器获得的g_B的位置相差Δz′；

第十步：重复第九步，依次得到光纤中各Δz₀长度上的物理信息。

本发明相对于现有技术具有以下特点：综合考虑了布里渊散射谱的形成过程及对该散射谱信号实现单次采集所需的时间，并以等效脉冲光的形式将形成布里渊光纤传感器最后的分析对象“最终布里渊散射谱”的脉冲光及采集过程统一表示出来，达到了简化和准确分析的目的。这样使得基于公式1的对布里渊散射谱的分解分析工作可以按照等效脉冲光的形状进行，使布里渊光纤传感器的空间分辨率得到有效及显著的提高。

附图说明

图1是最终返回到信号采集模块的布里渊散射信号可以看作是脉冲光中各段较短脉冲光产生的布里渊散射信号的叠加；

图2是使用布里渊光纤传感器测量光纤中0.05m长度上的应变；

图3是布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状；

图4是脉冲光前进Δt时长可以产生2Δt时长的布里渊散射信号；

图5是功率归一化的等效脉冲光的波形；

图6是采用本发明的方法得到的光纤的应变分布图；

图7是目前采用光时域反射技术的布里渊光纤传感器示意图；

图8是目前采用光时域分析技术的布里渊光纤传感器示意图。

具体实施方式

下面参照相关附图对使用本发明方法提高布里渊光纤传感器的空间分辨率过程进行说明，并以利用布里渊光纤传感器进行应变测量为例。

图6与图7是现在常见的两种类型的布里渊光纤传感器，它们都是通过测量布里渊散射谱的中心频率、峰值功率及半峰全宽等参量来探测光纤中沿光纤分布的物理信息。其中图6是光从单端入射，它探测的是自发布里渊散射，利用的是光时域反射的技术；图7是光从光纤的两端入射，它探测的是受激布里渊散射，利用的是光时域分析的技术。它们的主要特征是都需要将脉冲光入射到光纤，并对最后采集到的布里渊散射谱进行分析，空间分辨率受到脉冲光长度的影响。

如图2所示，本示例中对200m长的光纤中某一段0.05m长度上所受的应变进行了测量，其中滑块A固定在支架C上并且将光纤夹紧，滑块B可以在支架C上自由滑动，也夹紧光纤；A与B相距5cm，砝码M重1.47N，通过滑轮拉动滑块B，使A与B间的光纤受到拉力。本示例中的布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状如图3所示，其持续时间为10ns，归一化波形可用如下的公式来表示：

(公式5)。

通过实验测量，布里渊光纤传感器的信号采集模块单次采样所需时间为5ns，与10ns的光脉冲持续时间相比其信号采集时间不可忽略。这样最终在单次采样时间内采集到的布里渊散射谱信号是脉冲光在光纤中产生的布里渊散射信号的在5ns时间内叠加。

由于上述原因，当利用公式1把对采集到的布里渊散射谱按照布里渊光纤传感器发射的脉冲光的形状进行分解分析时，由于被分析的布里渊散射谱形成过程与光纤传感器发射的脉冲光不对应，难以得到理想的结果。

在本发明中，通过将布里渊光纤传感器发射的脉冲光波形在信号采集模块单次采集的时间内进行积分，由此得到了与被分析的布里渊散射谱相对应的脉冲光即等效脉冲光的波形，该计算过程可用如下的的公式表示：

(公式6)，

y(t)为等效脉冲光形状方程，其归一化波形如图4所示。

在本示例中使布里渊光纤传感器通过等效采样的方式沿光纤每隔0.05m的长度采得一个布里渊散射谱信号，尽管如此，每个采集到的布里渊散射谱信号仍旧是包含着与光纤中等效脉冲光的一半长度相对应的物理信息，其空间分辨率仍为光纤中等效脉冲光长度的一半。将光纤中的等效脉冲光看作是由若干0.1m长的较短脉冲光相接而成，则它们各自的功率权重p_i可以依照等效脉冲光的波形得出。以光纤中某段大于等效脉冲光所决定的空间分辨率长度上且其上应变均匀一致分布的位置的布里渊散射谱为参考，因为应变分布均匀一致，所以从g_B1到g_Bm等分量的参数一致，将p_i代入公式1之后，按照公式1可得到该参考布里渊散射谱的g_B1到g_Bm等分量。然后沿光纤向后推移一个0.05m的采样点对新的布里渊散射谱信号进行分析，这样刚才得到的g_B2到g_Bm等分量分别成为新的分析对象的g_B1到g_B(m-1)，利用公式1便可得到最后一段按照等效脉冲光波形细分出的0.1m长等效脉冲光对应的布里渊散射谱g_Bm，它的各参量代表的应变信息就是光纤中0.05m长度上的应变信息。然后再按照同样的过程对在下一个0.05m处采样点采集到的布里渊散射谱进行分析，以此类推，可得到参考光纤位置之后的每段0.05m光纤长度上的应变信息，其结果如图5所示。光纤受到1.47N拉力的实际应变为0.152％，通过本发明的方法进行分析得到的应变为0.164％，应变测量误差为7.9％。布里渊光纤传感器的空间分辨率被提高到0.05m。由上可见，本发明的方法可以有效地提高布里渊光纤传感器的空间分辨率。