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基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤传感系统被广泛用于测量外界环境的温度、应力等信息。为了进一步提高分布式光纤传感系统的测量精度与速度,提出一种基于自适应梯度下降算法的布里渊频移提取方法,搭建了24.4 km基于BOTDA的分布式温度传感系统,并进行实验验证。结果表明,与传统莱文伯-马奈特洛伦兹拟合法相比,本文方法能够快速、准确地提取出布里渊频移,对提高基于BOTDA的分布式温度传感系统的测量精度具有重要意义。
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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
Laser&O
p
toelectronicsPro
g
ress
Se
p
tember
,
分布式光纤温度传感系统的布里渊频移提取方法
王 婷
,
田 凤
,
汤 文 青
,
崔 岩 松
北京邮电大学电子工程学院
,
北京
摘要
基于布里渊光时域分析
(
)
的 分 布式 光 纤 传 感系 统 被 广 泛用 于 测 量 外界 环 境 的 温度
、
应 力 等信 息
.
为了进一步提高分布式光纤传感系统的测量精度与速度
,
提出一种基于自适应梯度下 降算 法的布 里渊 频移提 取方
法
,
搭建了
基于
的分布式温度传感系统
,
并进行实验验证
.
结果表明
,
与传统莱文伯
马奈特洛伦
兹拟合法相比
,
本文方法能够快速
、
准确地提取出布里渊频移
,
对提高基于
的分 布式 温度传 感系 统的测 量
精度具有重要意义
.
关键词
光纤光学
;
光纤传感
;
布里渊光时域分析
;
自适应梯度下降算法
;
布里渊频移
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
LOP.
BrillouinFre
q
uenc
y
ShiftExtraction MethodforDistributed
O
p
ticalFiberTem
p
eratureSensin
g
S
y
stem
Wan
g
Tin
g
TianFen
g
Tan
g
Wen
q
in
g
CuiYanson
g
Schoolo
f
ElectronicEn
g
ineerin
g
Bei
j
in
g
Universit
y
o
f
PostsandTelecommunications
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
大学生创新基金
(
)、
国家自然科学基金
(
)
EGmail
:
引
言
随着物联网
、
互联网等新兴技术的蓬勃发展
,
光
纤传感技术因具有重 量 轻
、
安全性好
、
分辨率高
、
传
感距离长
,
以及定位精确度高等优点
,
被广泛应用于
结 构 健 康 监 测
、
电 力 系 统 及 国 防 安 全 等 诸 多 领
域
[
]
.
其中
,
基于 布 里渊光时 域 分析
(
)
的
分布式光纤 传 感 技 术 利 用 光 纤 的 受 激 布 里 渊 散 射
(
)
原理 进 行 温 度
、
应 力 等 参 数 的 测 量
.
当 注 入
光纤的抽运脉冲光 达到阈值 功 率
,
并且与连 续 探测
光之间 的 频 差 等 于 光 纤 固 有 的 布 里 渊 频 移
(
)
时
,
会产生
效应
[
]
.
根据
与温度
、
应力的
线性关系
,
可获得对应的温度或应力信息
[
]
.
近年
来
,
研究学者对
系统中
的提取方法进
行了很多研究
,
如人工神经网络法
[
]
、
交叉互相关卷
积法
(
)
[
]
、
高斯牛顿法
、
莱文伯
马奈特洛伦兹
拟合法
(
)
等
[
]
.
其 中
,
相 较 于
高斯牛顿法等非线 性算法需 要 更少的初 始 值
,
被广
激 光 与 光 电 子 学 进 展
泛应用于布里渊增益谱
(
)
的
提取
,
但是算
法计算复杂度高
;
利用交叉互相关卷积方法得
到洛伦兹曲线的中心频率
,
从而实现对温度
、
应力的
动态测量
,
但该方法 的 时扫频步 长 增大会导 致 其对
温度
、
应力等测量精确度的降低
.
因此
,
研究能够提
高基于
的光纤温 度 传感系统 的
提 取
精度
、
降低计算复杂度
、
节省提取时间的方法具有重
要的现实意义
.
本 文 提 出 一 种 基 于 自 适 应 梯 度 下 降 算 法
(
)
的
提 取 方 法
,
分 析 了 该 方 法 提 取
中
的 原 理
,
搭 建 了
的 基 于
的温度传感系统
,
并进行实验验证
,
结果 表
明
,
与 常 规 梯 度 下 降 算 法 相 比
,
对 于 初 始
值的依赖程度更低
,
收敛速度更快
,
并且具有较高的
测量精度
.
基本原理
2.1
基 于
BOTDA
的 光 纤 温 度 传 感 系 统 的 基 本
原理
图
为基于
的光纤温度传感系统的原
理图
.
首先
,
激光源 通 过上下两 支 路分别输 入 到两
个调制器产生脉冲 抽运光和 连 续探测光
,
当相向传
输的抽运光和探测光频差处于
范围内时
,
两束
光就会在传感光纤区域内发生
效 应
[
]
.
连
续改变两束光的频差可获得 传感光纤长 度的
,
对获得的布里渊谱 进行数据 拟 合
,
可得光纤 沿 线的
分布
,
根据
与温度变化的线性关系可实现
分布式温度传感
[
]
.
为光纤中 脉 冲 光
、
探 测
光与声波发生的非线性效应
.
由于声波在光纤中会
按照指数形式衰减
,
布里渊散 射 信号呈现 出 洛伦兹
图
基于
的光纤温度传感系统原理图
形态
,
其表达式为
g
(
v
)
=
g
v
æ
è
ç
ö
ø
÷
(
v
-
v
)
+
v
æ
è
ç
ö
ø
÷
, (
)
式中
:
g
表示布里 渊 散射信号 增 益峰值
;
v
表 示
的半峰全宽
;
v
为布里渊频移
;
v
为扫描频率
.
当
v
v
时
,
布里渊增益会达到峰值
g
.
理想布里
渊散射信号如图
所示
.
图
布里渊散射信号示意图
当光信号受外界因素影响时
,
v
可表示为
v
=
nV
w
(
θ
/
)/
c
, (
)
式中
:
n
为介质折射率
;
c
为光速
;
θ
为抽运光与探测
光的夹角
;
w
为抽运波频率
;
V
为声速
,
可表示为
V
=
(
-
k
)
E
(
+
k
)(
-
k
)
ρ
, (
)
式中
:
k
、
E
、
ρ
分别表示泊松比
、
杨氏模量
、
光纤介质
的密度
.
由
(
)
式和
(
)
式可知
,
任何能直 接 或间接
引起参数
V
和
n
改 变 的 外 界 因 素 都 会 对
v
产 生
影响
[
]
.
由于 存在弹光效 应和热光效 应
,
光纤所受温 度
T
和应力
ε
的变化会使
n
、
V
等光纤自 身 参数发生
变化
.
根据文献
[
],
v
可表示为
v
(
T
,
)
=
v
(
T
,
)
+
C
T
,
v
(
T
-
T
), (
)
v
(
T
,
ε
)
=
v
(
T
,
)
+
C
ε
,
v
ε
, (
)
式中
:
T
为温度
;
T
为参考温度
;
C
T
,
v
为光纤的布里
渊频移温度系数
;
ε
为应力
;
C
ε
,
v
为光纤布里渊频移
应力 系 数
.
从
(
)
式 和
(
)
式 可 以 看 出
,
v
和
T
、
ε
呈线性关系
.(
)
式表示光纤所受应力为
时
(
即光
纤处于松弛状态
),
光纤中
v
与
T
的关系
;(
)
式表
示当光纤处于 参考温度为
T
的环境中时 受应力
ε
的情况下
,
光纤
v
与
ε
的关系
.
综上所述
,
v
的变
化可以反映光纤所受温度或应力的大小
.
为了分离
应力对温度的影响
,
假设光纤不受应力影响
,
即保持
传感 光 纤 处 于 松 弛 状 态
,
观 察
v
与 温 度 变 化
的关系
.
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