[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高光纤传感器空间分辨率的数据分析方法。

背景技术

光束在光纤等介质中传播时会产生布里渊散射光，布里渊散射光的光谱包含有在传播介质中产生该布里渊散射光的位置处的物理信息。布里渊光纤传感器就是利用探测光源向光纤中发射的脉冲光产生的布里渊散射谱，进而利用布里渊散射谱的中心频率、峰值功率及半峰全宽等参量来计算出与这些参量相联系的光纤中的物理信息。图7和图8为常见的两种类型的布里渊光纤传感器，一种是利用自发布里渊散射进行传感的，同时它利用的是光时域反射的原理，另一种是利用受激布里渊散射进行传感的，同时它利用的是布里渊光时域分析的原理。

光电探测器在任意时刻接收到的布里渊散射信号并非是在光纤中某一无限短的长度上产生的，而是在等于激光器所发射的脉冲光的长度的一半长度的光纤上所产生的。这一等于脉冲光一半的长度便是通常所指的布里渊光纤传感器的空间分辨率。例如当脉冲光时长为10ns时，它在光纤中的长度是10ns×(2×10⁸m/s)＝2m，其中2×10⁸m/s是光纤中的光速，所以此时的空间分辨率是1m。

可见，通过减小脉冲光的时间宽度可以提高布里渊光纤传感器的空间分辨率。但是当脉冲光时长小于10ns时，它在光纤中产生的布里渊散射谱会出现急剧的展宽，而且所产生的布里渊散射谱的功率也会变小，这样就导致在这种情况下难以准确求得光纤中各部分产生的布里渊散射谱的各个参量，从而难以准确求得与这些参量对应的光纤中的物理信息。为了进一步提高空间分辨率，一种根据对布里渊散射谱进行分解分析的方法被提了出来。这种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，如图1所示。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，进而提高了布里渊光纤传感器的空间分辨率。公式1如下所示：

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

其中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。利用这一方法的具有代表性的文献如：H.Murayama and al；Improvement of spatial resolution for strain measurements by analyzing Brillouingain spectrum.Proc.of SPIE，Bellingham，WA.2005，551～554。但是由于没有考虑到信号采集模块的采集速率问题，它只能将布里渊光纤传感器的空间分辨率的提高到0.3m。

由于在分析布里渊光纤传感器的布里渊散射谱信号的特点及信号采集时单次采样时间不可能无限小，所以提高光纤传感器的空间分辨率的范围较小，距离真实的布里渊散射谱还有很大差距。

发明内容

本发明目的是简化数据分析的难度，提高光纤传感器的空间分辨率，使得分析数据时使用的布里渊散射谱更加接近真实情况。