基于布里渊散射理论的分布式测量技术

一、前言 BOTDR是基于布里渊后向散射理论而开发的分布式光纤测试设备。根据布里渊后向散射理论,在布里渊散射中,散射光的频率相对于注入光有一个频移,该频移称为布里渊频移。布里渊散射光频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。     

基于DE-GRNN算法的布里渊散射谱拟合

为了提高布里渊光时域分析(BOTDA)型分布式光纤传感技术的布里渊散射谱特征提取精度,提出一种基于差分进化算法(DE)优化广义回归神经网络(GRNN)的曲线拟合算法,通过利用差分进化算法实现对广义回归神经网络的光滑因子自动寻优,减少人为测试的繁杂性。仿真实验结果显示,该混合优化算法在不同信噪比及线宽的条件下,对布里渊散射谱具有较好的拟合度,最佳拟合度可达0.99以上,最小均方根误差为0.012 0,拟合性能优于传统布里渊散射谱拟合算法。     

布里渊光时域分析传感器扰偏性能研究

普通单模光纤中存在的偏振效应会对布里渊光时域分析传感器性能产生较大影响。理论分析并实验研究了扰偏器对布里渊光时域分析传感器性能的影响。结果表明,采用扰偏器时光纤末端处的检测信号增益的均方根误差相对于不采用扰偏器时降低约4.26dB,有效地抑制了检测信号的偏振起伏,降低了系统偏振噪声;信号增益提高约1.14dB,降低了信号的偏振相关衰落;布里渊频移的均方根误差降至1.6MHz,提高了布里渊频移的测量准确度。     

基于频移迭代的微波多普勒谱中心频率估计算法

为了准确估计回波多普勒谱的中心频率,提出了一种基于频移迭代的中心频率估计方法.该方法以谱矩法估计频移为初值,逐次改变积分区间,在每次迭代中都利用谱矩法估计其频移,直至估计的频移结果收敛,并将该结果作为中心频率.仿真结果表明:相比于目前常用的谱矩法和最小二乘多项式拟合法,频移迭代法估计中心频率效果更佳,其平均绝对误差和均方根误差均更小,且该方法估计精度不受频率分辨率约束.将该方法应用于微波多普勒测波雷达中,并得到了海浪参数.实验结果证实:利用频移迭代法估计中心频率,可以探测得到更准确的有效浪高和平均浪周期.     

基于YSPSO-ＲBFN 的布里渊散射谱特征提取

为提高提取到的传感布里渊散射谱的布里渊频偏量的精度,利用压缩因子粒子群优化算法调节权值的ＲBFN( Ｒadial Basis Function Net) 径向基函数神经网络对布里渊散射谱进行特征提取。提出的算法克服了传统ＲBFN 神经网络易于陷入局部极值的缺点,利用PSO( Particle Swarm Optimization) 算法调节权值后向传输网络,对布里渊散射谱进行精度提取,保证了求解的速度和精度。数值分析过程中,利用新型结合算法在不同线宽和不同信噪比大测量范围情况下的散射谱进行参数估计。通过实验获得不同温度下的布里渊散射谱数据,利用YSPSO-ＲBFN( Particle Swarm Optimization with Shinkage Factor Shirnhage Factor-Ｒadical Basis Function) 算法处理实验数据,结果表明,该算法可提高布里渊散射谱特征提取的精度,25 ℃下拟合误差为1． 99 MHz,温度升高拟合误差也在减小。在85 ℃时的频移拟合误差为0． 047 MHz。因此,将该算法用于布里渊散射温度和应变传感系统,可有效提高检测精度。     

外差激光雷达测量水体布里渊散射可行性研究

该文分析外差激光雷达测量水体布里渊散的可行性。借助测量水体布里渊散射的频移，可得到水体声速或温度。文中利用两条^127I2吸收线锁定激光输出频率，产生稳定的频差约为7.5GHz发射激光和激光本振，通过对^127I2吸收线稳定度、激光频率稳定度、系统信噪比和反演精度的分析和计算机模拟，得出水体深度25m以内水体布里渊散射频移的测量误差可以控制在2.5MHz以内，达到水中声速0.6m/s或温度0.1℃的测量精度。     

光CATV系统中提高受激布里渊阈值功率方法的研究

受激布里渊散射是限制光CATV传输系统入射功率从而限制系统传输 离的主要障碍,本文研究了光CATV传输系统中提高受激布里渊阈值功率的一种方法－非均匀掺杂光纤光,若光纤纤芯和包层参杂浓度沿传输方向变化,将导致布里渊频移发生变化,增益谱结构变化,最终影响受激布里渊阈值功率。本文分析了阈值功率与布里渊频移分布之间的数量关系,设计了渐增型,周期正弦型、正弦型,三角型和平方型5种沿光传输方向频移分布的方案,比较了它们提高SBS阈值功率的效果,数值计算表明,布里渊阈值功率可提高20dB,可将传输距离提高100km.     

基于信噪比检验的病态总体最小二乘谱修正迭代法

针对病态总体最小二乘谱修正迭代算法的不足,基于复共线性综合诊断,合理判断参数估计是否受到复共线性危害及危害程度,然后制定精准的正则化策略,提出了基于信噪比检验的病态总体最小二乘谱修正迭代算法,根据信噪比检验结果确定谱修正矩阵,根据改造的L曲线法确定谱修正参数.最后通过模拟算例验证了该算法求解病态总体最小二乘问题的数值稳定性和有效性.     

基于移相法的三维面型测量系统优化算法研究

概述了基于相位测量的光学三维面型测量原理和移相法相位测量技术。针对移相法相位测量过程中的移相误差,结合优化的方法研究了传统五步移相算法的误差估计。根据相位展开原理,提出了加权最小二乘相位展开方法,并分别用两种不同的优化方法进行二维相位展开,对结果比较分析,验证了其性能与效率。     

受激布里渊散射慢光系统中强度调制器的应用研究

基于Mach-Zehnder干涉式的强度调制器具有移频特性,用于受激布里渊散射的慢光系统可以用来产生具有布里渊频移的信号光.理论和实验分析了M-Z干涉式电光强度调制器的频移特性.受激布里渊散射慢光实验中利用12.5 Gbit/s的电光强度调制器产生了相对于泵浦光具有9.394 GHz布里渊频移,脉宽为50 ns的信号光.在泵浦功率20 mW的情况下,该脉冲在2.5 km长的高非线性光纤中获得了32 dB的非饱和增益,脉冲延迟了25 ns.     

基于布里渊放大结构的分布式光纤温度传感技术的研究

阐述了一种基于布里渊放大结构的分布式光纤温度传感技术,该技术利用了光纤中布里渊频移与温度的依赖关系。本文从传感光纤的结构特点和材料的物性系数出发,在理论上证明了光纤温度与布里渊频移量之间存在线性关系。基于此传感技术建立了一实验系统。测试数据证明了理论分析的正确性。     

脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统的瞬态解析方法

为了解决空间分辨率和频率测量精度之间的矛盾,将脉冲预泵浦的概念引入瑞利布里渊光时域分析系统,建立了运用瞬态受激布里渊散射耦合波方程组描述该系统的数学模型。采用时域有限差分法求解了瞬态受激布里渊散射耦合波方程,仿真拟合了常微分方程组的时域幅值解,并实验验证了脉冲预泵浦瑞利布里渊光时域分析系统散射光功率谱和理论的一致性。结果表明,传感脉冲光、瑞利散射光和声波场三波幅值拟合方程的均方根误差可达0.003 097、0.005 717和0.020 75,沿光纤长度该系统功率谱呈现出携带布里渊信息的瑞利散射特性,可实现光纤温度和应变的传感检测。     

基于V-A法的光纤式电流测量仪研究

提出了一种适用于超高压输电系统的基于V-A法的电流测量方法,并设计了基于该方法的电流测量仪.该仪器的取样元件为输电导线,采用硅钢片作为高压电源的材料,利用光纤隔离高电位和传递测量信息,能观测系统短路电流的波形,测量误差利用最小二乘法进行补偿,其精度高于0.5级.运行结果表明:该仪器的动态性能优于电流互感器,达到了设计要求.     

基于BOTDR的分布式光纤测斜管研发与应用

深层水平位移是基坑工程安全监控的重要监测指标,通常采用测斜管进行监测,确保基坑的安全与稳定。为了提高测斜管监测结果的精度与自动化程度,弥补传统监测手段的局限与不足,从基于布里渊光时域反射计(BOTDR)光纤监测技术原理和特点出发,研发了一种基于BOTDR技术的分布式光纤测斜管,详细介绍了其制作方法与施工工艺,通过现场基坑测试,获得了分布式光纤测斜管的应变信息,并通过数据分析获得了基坑深层水平位移变化。结果表明:基于BOTDR技术的分布式光纤测斜管能够准确地反映基坑的变形情况,具有很好的工程适用性,且与传统监测手段相比,具有测量精度高、数据采集全面、监测方便、能够实时监测等优点,在基坑工程的变形监测中具有显著的优越性和推广价值。     

基于圆形特征点的非线性相机标定方法

针对高精度标定板制作困难费用高的问题,提出了一种快速简易的相机标定方法。用数码相机对一张具有不同大小圆形特征点的标定表绕着光轴旋转拍摄几幅图像,利用亚像素边缘轮廓检测算法检测图像中的轮廓;采用最小二乘椭圆拟合方法得到亚像素椭圆中心坐标,用稳定的图像点与空间点的对应算法确定图像点与空间点的对应,计算过程中对所求参数进行了非线性优化。实验表明,重投影平均误差在0．2个像素以下,证明了该方法的可行性和较高的标定精度。     

一种不受电压过零点影响的新型频率测量方法

提出了一种将三点式曲线拟合与多点绝对值和补偿的新型频率测量方法，理论分析及数字仿真表明，该方法不受电压过零点的影响，在任何采样点都具有稳定和可靠的计算精度，且算法自身对谐波有一定的抑制能力。     

光纤复合式变压器电磁线的温度检测精度分析

针对目前大型变压器内部温度场精确测量的需求,为提升传统光纤测温的感知范围与测量精度,设计了一种光纤复合式变压器绕组测温方案,对于绕组与光纤之间各个部件的热量传递进行了建模,并采用有限元法对光纤测量的精度进行了数值计算。通过理论对比分析可知,根据所建立的热路模型由光纤测量温度可反推绕组附近绝缘纸等部件的精确温度,误差可控制在合理范围内,进一步提升了光纤测温的准确度与感知范围。     

Brillouin scattering spectrum character extraction based on genetic algorithm and seeker optimization algorithm

A new hybrid optimization method based on genetic algorithm(GA) and seeker optimization algorithm(SOA) is presented in this paper. The hybrid algorithm optimizes SOA by using crossover and mutation operations in GA in order to improve the global search ability of SOA. Four algorithms, i.e. particle swarm optimization(PSO), SOA, GA and quantum-behaved particle swarm optimization(GA-QPSO) and GA-SOA are used to process the simulation and experimental data of Brillouin scattering spectrum(BSS) at different temperatures. The results show that GA-SOA improves the accuracy of extracting the center frequency shift and the minimum center frequency of Brillouin scattering spectrum compared with other three algorithms. The shift error is 0.203 MHz. Therefore, GA-SOA can be applied to the accurate extraction of BSS characteristics.