光纤布里渊散射谱特征参数提取方法及影响因素研究

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光纤布里渊分布式传感技术通过提取布里渊散射谱中包含的特征参数,利用其与温度和应变的关系能够实现对光纤不同位置处温度和应变信息的测量,因此温度和应变的测量精度与布里渊散射谱特征参数提取的准确性有着密切的关系。目前关于布里渊散射谱特征参数的提取主要通过参数拟合、模式匹配和优化算法等方法来实现,利用这些方法得到的特征参数准确度与方法本身及其实现过程中不同参数的选择具有一定的关系。为了灵活利用不同的布里渊散射谱特征提取方法,实现高精度的参数提取,有必要对其进行全面的研究。为此,本文对布里渊散射谱特征提取方法和影响因素进行了研究,主要内容如下:(1)研究了光纤布里渊散射原理。建立了异质七芯光纤的仿真模型,采用有限元方法求解了不同纤芯中的光学模式。计算了不同波长时各纤芯的布里渊散射谱特征参数。结果表明,在波长相同的情况下,由于异质七芯光纤中纤芯结构的不同,中间纤芯和外层纤芯中的布里渊频移不同,线宽和增益峰值基本相同。(2)提出了一种基于人工鱼群算法(Artificial Fish School Algorithm,AFSA)和Levenberg-Marquardt(LM)算法相结合的布里渊散射谱特征提取算法(AFSA-LM算法)。分别利用AFSA算法和AFSA-LM算法对异质七芯光纤中不同纤芯的布里渊散射谱特征参数进行提取。结果表明,采用AFSA-LM算法能实现高准确度的布里渊频移提取,对于布里渊线宽的提取,两种算法均存在一定的误差。(3)研究了基于相似匹配方法的布里渊频移提取算法的原理,验证了该算法的有效性和在实时性方面的优势。在仅单一因素变化下研究了参考谱和探测谱的线宽、信噪比、扫频间隔、扫频范围对基于该方法的布里渊频移提取准确性的影响规律。结果表明,布里渊频移提取误差与线宽成线性关系,探测谱与参考谱线宽差距本身对算法准确性产生的影响较小;频移误差随参考谱和探测谱信噪比的增加均呈指数规律减小;扫频间隔不变时,随参考谱扫频范围增加频移误差有增加的趋势,同时计算时间线性增加;探测谱的扫频范围为2倍线宽时频移误差最小。
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