[发明专利]基于LM谱线拟合算法的布里渊信号频谱高速检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种布里渊信号频谱高速检测方法，尤其涉及一种基于LM谱线拟合算法的布里渊信号频谱高速检测方法。

背景技术

分布式布里渊光纤温度和应变传感是通过检测光纤中的布里渊散射信号的功率和布里渊频移来检测光纤的温度和应变。通过布里渊散射谱的分析可得到布里渊散射信号功率和布里渊频移，因此，测得布里渊散射谱线就可以获得沿光纤分布的温度和应变信息。

在布里渊光纤传感中，泵浦光脉冲的宽度受限于声子的有限寿命（在常规单模光纤中约10ns，这对应1m的空间分辨），否则布里渊作用将进入瞬态过程，因此，布里渊光纤传感系统的空间分辨率一般只能达到米量级，这使得一些很小区域范围（如厘米范围）内较大的应变或温度会在脉冲宽度所决定的空间分辨率范围（米范围）上平均，从而造成事故隐患，这限制了其在一些场合的应用，特别是结构的健康监测。

为了提高空间分辨率，多种技术被提出，并实现了厘米量级空间区域上温度和应变变化的测量。如R.Bernini教授所领导的团队提出了一种新的信号处理技术，该技术以一序列谐波函数为基，通过最小化实际测量环境下信号光功率的变化与均匀环境情况下信号光功率的变化的差值来得到这些谐波函数的系数，从而提高空间分辨率。X.Bao(鲍晓毅)教授所领导的团队通过不完全调制，实现了小于10ns光脉冲情况下的布里渊信号传感，该团队通过频谱峰值搜索算法和等效瑞利判据，用2ns的注入光脉冲，实现了厘米量级的测量。

但是，在所有上述方法中，都仅仅是对谱线的形状进行拟合，而没有对单峰情况下可能存在的多峰成份进行拟合，即没有将单峰谱线分解为不同洛伦兹谱线的组合。而在实际情况中，当远小于脉冲宽度所决定的空间分辨率的微小区域上存在温度或（和）应变局部变化时，布里渊散射谱线不会呈现多峰结构，而只表现为一个峰，因此，上述方法不能发现远小于脉冲宽度所决定的空间分辨率的微小区域上可能存在的局部温度和应变变化。同时，上述所有方法都没有对提高光谱获取的速度问题进行研究。谱峰值搜索算法和等效瑞利判据只有在出现明显的信号峰情况下才是有效的，同时，采用的输入光脉冲越窄，系统处理的时间将越长，从而系统的动态特性将越差。等效光脉冲的方法更是会大幅提高测量次数，从而增大测量时间，系统的动态特性会明显下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LM谱线拟合算法的布里渊信号频谱高速检测方法，它采用大的频率扫描间隔和基于LM（Levenberg-Marquardt-莱文伯格—马夸特）算法相结合的频谱重建技术，不仅可以大大提高空间分辨率，而且可以大大改善频谱测量时间和谱线拟合时间，明显增强系统的动态特性。

本发明是这样来实现的，方法步骤为：

第一、采用比频率测量精度大得多的频率扫描间隔，获取布里渊散射信号谱线。

温度、应变和布里渊散射信号频移之间的关系为：

    （公式1）