【摘 要】
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自20世纪分布式光纤传感系统研究至今,该系统已经成为检测大型土木建筑健康情况不能缺少的一种手段,如海底光缆、石油管道、桥隧和铁路等。其中布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)以其检测距离远、环境影响因素识别精度高、强信号和高空间分辨率等优势,成为国内外学者的研究热点。本文主要研究了单峰及多峰受激布里渊散射(Stimulated
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自20世纪分布式光纤传感系统研究至今,该系统已经成为检测大型土木建筑健康情况不能缺少的一种手段,如海底光缆、石油管道、桥隧和铁路等。其中布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)以其检测距离远、环境影响因素识别精度高、强信号和高空间分辨率等优势,成为国内外学者的研究热点。本文主要研究了单峰及多峰受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)谱特征提取,以及基于SBS谱双频移特征的温度应变同时测量技术。针对传统单峰SBS谱拟合方法存在依赖初值,易陷入局部极值等问题,首先根据传感光纤中发生的SBS效应,构建呈Pseudo-Voigt线型的单峰SBS谱理论模型,然后提出基于差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DE)优化广义回归神经网络(General Regression Neural Network,GRNN)的单峰SBS谱拟合算法。通过仿真实验利用GRNN和DE-GRNN算法分别对不同线宽和不同信噪比下的单峰SBS谱拟合,验证该方法可以实现高精度的SBS谱特征提取。为了解决由于光纤掺杂、特殊光纤和温度应变同时测量等因素带来的多峰SBS谱特征提取,以及传统多峰拟合方法存在的分割过程繁琐和部分单峰SBS谱拟合方法不适用于多峰SBS谱拟合的问题,首先构建了多峰SBS谱理论模型,并不失一般性的实现对三峰SBS谱仿真。然后提出基于小波包去噪结合遗传算法(Genetic Algorithm,GA)改进GRNN的多峰SBS谱拟合方法,仿真实验结果表明该方法可以有效解决多峰SBS谱特征提取问题。同时,与GA优化后向传输神经网络(Back-Propagation,BP)算法和DE-GRNN算法的对比仿真实验验证该方法处于强背景噪声时仍具有较好的拟合性能。最后本文对BOTDA传感系统中基于SBS谱双频移特征的温度应变同时测量技术进行了研究,并利用实际测得的SBS谱数据对所提出的拟合算法进行了仿真验证及结果分析。首先给出了实验系统装置设计及双频移测量方法的应用原理,然后对实测数据拟合实现系统温度及应变系数标定,最后利用小波包去噪结合GA-GRNN算法拟合温度应变同时测量实验得到的双峰SBS谱离散数据,分析其在实验室中模拟真实环境时的拟合性能,表明了所用方法的应用价值。
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