[发明专利]一种用于BOTDA设备空间分辨率的增强方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于BOTDA设备空间分辨率的增强方法及系统，属于分布式光纤传感技术领域，当受扰光纤长度小于空间分辨率时，采用PSO‑LM算法对过渡区域点的布里渊散射谱进行双峰洛伦兹拟合，根据代表异常段散射信息的次峰散射强度曲线的下降沿实现异常段精确定位，次峰对应布里渊频移修正传统拟合结果，解调实际异常光纤段信息，在不增加系统硬件复杂度的基础上进一步提高现有集成BOTDA设备的空间分辨率。本发明可以稳定将BOTDA传感系统的空间分辨率提高至原空间分辨率的一半以内，最高可至采样分辨率的2倍，且相对误差控制在5％以内。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种用于BOTDA设备空间分辨率的增强方法及系统。

背景技术

分布式光纤传感技术中布里渊光时域分析技术(Brillouin optical timedomain analysis,BOTDA)因其传感距离长、空间分辨率高、测量精度高，实际应用远远大于其他光纤传感技术。受声子衰减的影响，光纤中产生的布里渊散射增益谱形状呈洛伦兹谱线型，具体方程如下式所示：

其中，g₀为布里渊增益谱的峰值功率；v_B为布里渊频移；△v_B为布里渊增益谱的半峰全宽。从布里渊增益谱中可以提取布里渊频移，BOTDA就是利用光纤的受激布里渊散射光频移的变化量与温度和应变呈线性关系来实现分布式传感。

当光脉冲沿着光纤传播时与探测光相互作用，得到整条光纤的布里渊增益谱，但光纤上某一点对应的布里渊增益谱是由有效脉冲长度对应的空间分辨率的每一段光纤产生的增益总和构成。当光纤感知存在小于空间分辨率的局部热点或形变时，背景光纤与异常段之间过渡区域的布里渊散射谱不再是单一的洛伦兹型谱线，而是存在双峰的散射谱，若仍对异常的布里渊散射谱进行单峰洛伦兹拟合，则会导致拟合效果达不到精度要求，布里渊频移存在巨大偏差，不能准确反映温度或应变变化量的实际值。

现有技术中，已有将差分脉冲对技术(Differential pulse-width pairs,DPP)、脉冲预泵浦技术及双脉冲技术等用于提高BOTDA的空间分辨率，现有BOTDA集成设备主要以效果最好的差分脉冲对布里渊光时域分析技术(DPP-BOTDA)为主，但仍存在受扰光纤长度小于空间分辨率时导致测量精度急剧下降的情况，因此，急需一种用于BOTDA设备空间分辨率的增强方法及系统，用于解决现有光纤传感集成设备无法准确测量小于空间分辨率的异常段信息的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是从布里渊散射增益谱的机理入手，利用双峰拟合算法，并结合对异常峰值曲线的边沿分析，提出了一种可以在不增加系统硬件复杂度的基础上提升BOTDA空间分辨率的方法，以实现异常段光纤定位并解调受扰信息，并满足检测要求。

为了实现上述技术目的，本申请提供了一种用于BOTDA设备空间分辨率的增强方法，包括以下步骤：

通过单峰洛伦兹拟合，对BOTDA设备进行光纤全段探测，收集整条光纤的布里渊散射增益谱及布里渊频移信息；

基于存在异常偏移的布里渊散射增益谱，获取异常段，通过PSO算法和LM算法的组合算法，对异常段进行双峰洛伦兹拟合，获取次峰散射强度曲线，对异常光纤段进行定位；

获取异常光纤段的次峰布里渊频移，对异常光纤段的单峰拟合频移结果进行修正，并依据布里渊频移与温度和应变的关系，解调异常光纤段的信息，用于增强BOTDA设备的空间分辨率。

优选地，在对BOTDA设备进行光纤全段探测的过程中，使用LM算法进行单峰洛伦兹拟合，获取布里渊散射增益谱和布里渊频移信息。

优选地，在获取异常段的过程中，异常段对应的受扰光纤长度小于BOTDA设备的空间分辨率。