[发明专利]布里渊散射谱图像中温度和应变信息同时提取方法及系统

说明书

本发明公开了一种布里渊散射谱图像中温度和应变信息同时提取方法及系统，涉及分布式光纤传感领域。步骤如下：获取大有效面积光纤的双峰布里渊散射谱以及谱峰对应的布里渊频移温度系数和应变系数；将若干组双峰布里渊散射谱进行随机组合形成布里渊散射谱图像矩阵，布里渊散射谱图像矩阵作为卷积神经网络的训练集；采用训练集训练卷积神经网络，并利用误差反向传播算法迭代优化卷积神经网络的参数，得到训练完成的卷积神经网络；把实际测量的布里渊散射谱数据作为测试集，输入到训练完成的卷积神经网络中，在网络输出端同时得到温度和应变信息。本发明在保证测量精度的同时，实现了温度和应变同时测量，显著缩短数据处理时间，满足快速测量的需求。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，更具体的说是涉及一种布里渊散射谱图像中温度和应变信息同时提取方法及系统。

背景技术

布里渊分布式光纤传感系统已广泛应用于电力、石油、交通运输等领域大型建筑结构和设备的健康状态监测和故障诊断。该系统通常是通过测量布里渊频移来获取传感信息，可以利用曲线拟合的方法找到布里渊散射谱的最大幅度对应的中心频率来确定布里渊频移，再根据布里渊频移与温度和应变的线性关系换算得到沿传感光纤分布的温度和应变信息。然而，由于布里渊频移同时对温度和应变敏感，当传感光纤沿线某位置处的温度和应变同时变化时，仅以单一的布里渊频移将无法同时对二者进行区分，即布里渊光纤传感系统存在温度和应变测量的交叉敏感问题，限制了该系统在特殊场合的应用。

目前，解决温度和应变测量的交叉敏感问题主要有两大类方法：布里渊散射结合拉曼散射的混合传感系统和采用特殊光纤(如大有效面积光纤、保偏光纤、多芯光纤等)进行传感测量。其中，结合布里渊散射和拉曼散射的混合传感系统结构复杂且成本较高，使其应用受限。采用特殊光纤的方法是依据测量得到的具有多个峰值的布里渊散射谱或不同光学模式对应的布里渊频移具有不同的温度和应变系数，利用求解方程组的方式实现温度和应变的同时测量。但是，采用特殊光纤实现测量时，仍存在以下问题：以大有效面积光纤为例，对于同一传感光纤来说，不同散射谱峰值处对应的布里渊频移的温度和应变系数很接近，在求解方程组过程中易产生较大误差，从而降低了温度和应变的测量精度。另外，目前采用的布里渊频移确定方法仍以曲线拟合法为主，这将需要较长的数据处理时间，会影响系统测量速度。

因此，对本领域技术人员来说，如何在保证测量精度的同时，高效提取布里渊散射谱图像中温度和应变信息，是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种布里渊散射谱图像中温度和应变信息同时提取方法及系统，以解决背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一方面，提供一种布里渊散射谱图像中温度和应变信息同时提取方法，具体步骤包括如下：

获取大有效面积光纤的双峰布里渊散射谱以及谱峰对应的布里渊频移温度系数和应变系数；

将若干组双峰布里渊散射谱进行随机组合形成布里渊散射谱图像矩阵，布里渊散射谱图像矩阵作为卷积神经网络的训练集；

采用训练集训练所述卷积神经网络，并利用误差反向传播算法迭代优化卷积神经网络的参数，得到训练完成的卷积神经网络；

把实际测量的布里渊散射谱数据作为测试集，输入到训练完成的卷积神经网络中，在网络输出端同时得到温度和应变信息。

通过数值仿真的方式获取所述双峰布里渊散射谱。

双峰布里渊散射谱的表示公式为：

其中，g(v)表示归一化的双峰布里渊散射谱，v表示入射光频率，和分别表示两个散射谱峰的增益；和分别表示两个散射谱峰对应的布里渊频移，和分别表示两个散射谱的谱宽。

可选的，每一个布里渊散射谱峰对应的频率，即布里渊频移，与温度和应变的变化量成线性关系。