[发明专利]用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法

权利要求书

1.用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法，将布里渊光纤传感器发射的脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱看作是若干按照脉冲光等分的等长较短的脉冲光共同产生的，通过利用光纤中已知物理信息的位置的布里渊散射谱，利用公式(1)$g_B=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{g}_{\mathrm{Bi}},$逐步推出最后一段较短的脉冲光的布里渊散射谱，从而可以得到代表光纤中更短长度上的布里渊散射谱信息，进而提高布里渊光纤传感器的空间分辨率；公式中g_B为布里渊光纤传感器发射的脉冲光在光纤中某一段等于脉冲光的一半的长度上产生的布里渊散射谱，g_Bi为将脉冲光看作等分的n段后第i段脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，并且g_B1到g_B(n-1)均为由光纤中已知物理信息的位置得到的已知量，p_i为各个g_Bi的功率权重，可以通过脉冲光的波形得到；其特征在于：

将A/D采样模块的单次采样时间与布里渊光纤传感器发射的脉冲光结合起来，以确保在最后数据分析时使用的布里渊散射谱是更加接近真实情况的能够反映光纤中物理信息的布里渊散射谱；

将布里渊光纤传感器发射的脉冲光与对信号的采集时间结合起来，抽象成为一个等效脉冲光，最终得到的被分析的布里渊散射谱可被看作是该等效脉冲光在光纤中产生的，并且是被信号采集模块在无限短的时间内接受到的布里渊散射谱；

用前述公式(1)对布里渊散射谱的分解分析按照等效脉冲光的形状进行。

2.根据权利要求1所述用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法，其特征在于：首先根据布里渊光纤传感器的说明或对它发射的脉冲光进行测量，得到布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程；通过对布里渊光纤传感器中信号采集模块的说明或实验测量，得到布里渊光纤传感器的信号采集模块在对信号的单次采集中所需要的时间；将布里渊散射谱的形成特点与布里渊光纤传感器中信号采集模块在单次采样中所需的时间结合起来，把布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程在上述信号采集模块单次采样所需的时间上积分，得到一个等效脉冲光形状方程；在利用公式对布里渊光纤传感器得到的布里渊散射谱进行分解分析时，其分析对象布里渊散射谱可以被等效的看作是布里渊光纤传感器的信号采集模块在任意无限短的时间内接收到的该等效脉冲光方程所描述的等效脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，这样基于公式的对布里渊散射谱的分解分析工作可以按照等效脉冲光的形状进行，使分解分析的过程及得到的布里渊散射谱各参量能够准确反映光纤中一小段长度上的物理信息，使布里渊光纤传感器的空间分辨率得到显著提高。

3.根据权利要求1或2所述用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法，其特征在于按以下步骤：

第一步：对布里渊光纤传感器发射的脉冲光进行测量，得到布里渊光纤传感器发射的脉冲光的形状方程y₀(t)，其中t为时间，脉冲光的持续时间为τ；

第二步：测量布里渊光纤传感器的信号采集模块在对信号的单次采集中所需要的时间，这里假设为τ′；

第三步：把布里渊光纤传感器发射的脉冲光形状方程在上述信号采集模块单次采样所需的时间上积分(这里为τ′在时间上积分)，可得到一个等效脉冲光形状方程，如下面公式(3)所示：

$y\left(t\right)={\∫}_t^{t+{\mathrm{\τ}}^{\′}}{y}_0\left(t\right)\mathrm{dt}=\left\{\begin{array}{cc}q\left(t\right)& (t_0\≤t\≤t_0+\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}^{\′})\\ 0& (t\<t_0\mathrm{ort}>t_0+\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}^{\′})\end{array}\right.$(公式3)

其中q(t)为用来描述等效脉冲光形状的函数，y(t)为等效脉冲光形状方程；

第四步：通过公式(3)可以看到，等效脉冲光持续时长为τ+τ′，由等效脉冲光持续时间决定的布里渊光纤传感器发射的脉冲光对应的实际空间分辨率为：

$\mathrm{\Δ}{z}^{\′}=\frac{c(\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}^{\′})}{\left(2n\right)}$(公式4)

其中c为光纤中的光速，n为光纤的折射率；

第五步：通过公式(4)中的Δz′除以Δz₀，可求得需将等效脉冲光按其长度等分的段数m为m＝Δz′/Δz₀；

第六步：对于布里渊光纤传感器得到的光纤中产生的某个布里渊散射谱g_B，可利用公式(1)对g_B进行分解分析，以提高空间分辨率。

$g_B=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{Bi}}$(公式1)

其中$g_B=\frac{P{(w/2)}^2}{{(x-x_0)}^2+{(w/2)}^2},$P为g_B的峰值功率，w为g_B的半峰全宽，x为自变量，x₀为g_B的中心频率；$g_{\mathrm{Bi}}=\frac{P_i{(w_i/2)}^2}{{(x-x_i)}^2+{(w_i/2)}^2}$为将脉冲光看作等分的m段中第i段脉冲光在光纤中产生的布里渊散射谱，p_i为各个g_Bi的功率，w_i为各个g_Bi的半峰全宽，x_i为各个g_Bi的中心频率；

第七步：将公式(3)得到的等效脉冲光等分为m段，利用等效脉冲光的形状方程分别求得各段对应的面积，它们的面积之比表示等分的m段脉冲光能量之比；由于g_Bi由m段脉冲光分别产生，所以各个p_i之比等于各段等分的等效脉冲光的面积之比，进而可通过P求出各个p_i；

第八步：对布里渊光纤传感器从光纤中一段已知物理信息且大于Δz′长度的光纤上得到的某个布里渊散射谱利用公式(1)进行分解分析，因为这种情况下各个c_i与x₀相同，所以可根据x₀得到各个x_i；这样结合第七步便可以求得从g_B1到g_Bm各自的表达式；

第九步：将第八步中求得的g_Bm、g_Bm-1、……g_B2分别作为公式(1)中的g_Bm-1、g_Bm-2……g_B1，各p_i保持不变，然后利用公式(1)对布里渊光纤传感器采集到的与第六步中分析的布里渊散射谱g_B沿光纤中脉冲光发射方向相距Δz₀长度的布里渊散射谱进行分析，从而求得该布里渊散射谱的g_Bm；此g_Bm的各参量对应的光纤中的物理信息就是对应于光纤中一段长度为Δz₀的光纤上的物理信息；该段光纤的位置与布里渊光纤传感器获得的g_B的位置相差Δz′；

第十步：重复第九步，依次得到光纤中各Δz₀长度上的物理信息。