一種多準(zhǔn)則的雙峰識(shí)別算法在BOTDA上的應(yīng)用

李鵬　劉雷　韓順利　張志輝

摘要：基于BOTDA技術(shù)進(jìn)行光纖應(yīng)變測(cè)試，當(dāng)應(yīng)變區(qū)域較小時(shí)會(huì)存在雙峰現(xiàn)象，此時(shí)系統(tǒng)往往不能準(zhǔn)確識(shí)別應(yīng)變區(qū)域，導(dǎo)致系統(tǒng)的空間分辨率降低。基于BOTDA雙峰現(xiàn)象，提出了一種多準(zhǔn)則的雙峰識(shí)別算法，能夠有效識(shí)別次峰位置，定位小的應(yīng)變區(qū)域，提高系統(tǒng)的空間分辨率。

關(guān)鍵詞：雙峰識(shí)別算法;BOTDA;傳感技術(shù);應(yīng)變區(qū)域

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.069

1 引言

BOTDA技術(shù)在傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究一直長(zhǎng)盛不衰，其工作原理是在光纖兩端分別注入直流探測(cè)光和脈沖抽運(yùn)光，利用兩束光之間的受激布里淵效應(yīng)放大探測(cè)光，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度、提高測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍等目的。基于檢測(cè)受激布里淵散射信號(hào)的BOTDA技術(shù)具有同時(shí)獲取隨時(shí)間和空間變化連續(xù)分布信息的能力，在長(zhǎng)距離、高精度測(cè)量上與其他傳感技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

但BOTDA技術(shù)也存在局限性，其分辨率決定于脈沖寬度，脈沖越窄，分辨率越高，布里淵增益越弱，信噪比越低。而脈沖寬度受聲子壽命和信噪比限制，當(dāng)探測(cè)光脈沖寬度接近或小于聲子壽命時(shí)，SBS效應(yīng)難以測(cè)量，因此脈沖寬度不能無(wú)限小。本文基于差分脈沖對(duì)（ DPP-BOTDA）的技術(shù)，提出了一種多準(zhǔn)則的雙峰識(shí)別算法，能夠在合適的脈沖寬度下識(shí)別出小范圍的應(yīng)變區(qū)域，在試驗(yàn)中取得良好效果。

2 DPP-BOTDA技術(shù)原理

LI等人提出了一種稱(chēng)為DPP-BOTDA的技術(shù)，來(lái)提高BOTDA的測(cè)量精度。該技術(shù)的主要思想是脈沖光輸出兩個(gè)分離的、具有微小脈寬差的長(zhǎng)脈沖對(duì)，并在每個(gè)布里淵掃頻頻點(diǎn)上對(duì)這兩個(gè)長(zhǎng)的脈沖對(duì)做差。由于使用的兩個(gè)做差脈沖對(duì)脈沖寬度較長(zhǎng)，所以具有較強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度，因此可以提高布里淵頻移計(jì)算的精度和信噪比。比如10 ns的脈沖寬度，可以利用50 ns和40 ns兩個(gè)較長(zhǎng)的脈沖寬度損耗值做差，最終可以得到10 ns的脈沖寬度的損耗值。

3 一種多準(zhǔn)則的雙峰識(shí)別算法

BOTDA的測(cè)量精度受脈沖寬度的制約，理論上脈沖寬度越小，測(cè)量精度越大，空間分辨率越高，但是受脈沖光的信噪比制約，脈沖光的寬度不能無(wú)限小。小于10 ns的脈沖寬度信噪比很低，使得SBS效應(yīng)難以測(cè)量，所以在實(shí)際的工程應(yīng)用中，選擇的最小脈沖寬度一般不小于IO ns，致使空間分辨率最大為Im。如果應(yīng)變區(qū)域在脈沖光的空間分辨率范圍內(nèi)占比較小，就會(huì)出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，并且次峰高度小于主峰的高度，此時(shí)，就需要準(zhǔn)確識(shí)別出次峰位置，定位應(yīng)變區(qū)域。這就存在一個(gè)多峰識(shí)別問(wèn)題，當(dāng)前多峰識(shí)別算法很多，其最終的目的就是尋找某個(gè)函數(shù)前n個(gè)局部最優(yōu)解。對(duì)于具有多個(gè)峰值的函數(shù)，經(jīng)典的尋優(yōu)算法往往存在缺陷，難以找到全局最優(yōu)解，也難以找到前n個(gè)所有的局部最優(yōu)解。對(duì)于本文提到的具體問(wèn)題，采用啟發(fā)式的多峰尋優(yōu)算法可以取得很好的計(jì)算效果。當(dāng)應(yīng)變區(qū)域小于脈寬光的空間分辨率時(shí)，峰的個(gè)數(shù)最多為2個(gè)，這是啟發(fā)式尋峰算法的一個(gè)重要的準(zhǔn)則。此外，為了確定次峰的位置，還加入峰高、偏移、形狀等準(zhǔn)則。

具體的算法流程可以分為以下幾步：①尋找布里淵頻譜中所有滿(mǎn)足峰特點(diǎn)的峰，記錄下其峰值點(diǎn)和位置等信息，作為候選峰;②從候選峰中，根據(jù)準(zhǔn)則選擇主峰;③從候選峰中，根據(jù)準(zhǔn)則選擇次峰;④最后對(duì)次峰進(jìn)行洛倫茲擬合，計(jì)算出中心頻移等參數(shù)。

3.1 候選峰尋找

在布里淵頻譜中，首先需要找到所有滿(mǎn)足峰特點(diǎn)的峰，避免遺漏，將峰特點(diǎn)定義得很簡(jiǎn)單，峰表現(xiàn)為峰左側(cè)值遞增，峰值最高，峰右側(cè)值遞減。為了提取該特征，用一個(gè)大小為奇數(shù)的滑動(dòng)窗口，依次覆蓋布里淵頻譜的數(shù)據(jù)點(diǎn)，后值減前值，得到偶數(shù)個(gè)差值。判定這些差值是否滿(mǎn)足前半部分值為正，后半部分值為負(fù)。如果滿(mǎn)足條件，記錄下滑動(dòng)窗口覆蓋處的值作為一個(gè)候選峰。最后得到所有滿(mǎn)足最低要求的候選峰，這是后續(xù)算法進(jìn)行的基礎(chǔ)。

3.2 主峰選擇

在BOTDA的布里淵頻譜中，主峰位置對(duì)應(yīng)的中心頻移光功率值最大，在曲線中表現(xiàn)為峰值最高處。光纖中，當(dāng)應(yīng)變區(qū)域的長(zhǎng)度小于光脈沖的空間分辨率的一半時(shí)，此時(shí)次峰表現(xiàn)為隨著采樣距離逐漸接近應(yīng)變區(qū)域，峰值逐漸增高，但最高值不會(huì)高于主峰的高度。所以主峰的尋找可以通過(guò)比較所有候選峰峰值點(diǎn)的峰值大小，值最大值的峰即是主峰。

3.3 次峰選擇

次峰選擇是算法的重點(diǎn)部分，如果簡(jiǎn)單選取光功率值次大的候選峰作為次峰，效果往往很差。受噪聲影響，在主峰的兩個(gè)坡上，有時(shí)出現(xiàn)偽峰現(xiàn)場(chǎng)。并且當(dāng)信號(hào)較差的時(shí)候，次峰高度可能小于突變的噪聲高度。

針對(duì)可能出現(xiàn)的影響，定義一些準(zhǔn)則，作為次峰選擇的得分項(xiàng)，然后給這些準(zhǔn)則設(shè)置合適的關(guān)注度系數(shù)，計(jì)算所有準(zhǔn)則乘以關(guān)注度系數(shù)的加權(quán)和作為峰的最終得分，最后選取得分最高的峰作為次峰。

所以算法的重點(diǎn)就是選擇合適的準(zhǔn)則，通過(guò)試驗(yàn)分析，本文選擇了峰高值、主峰偏移、峰形狀作為得分項(xiàng)，計(jì)算最終得分，取得了好的試驗(yàn)結(jié)果。公式如下：

通過(guò)算法找到次峰后，再利用高斯擬合洛倫茲曲線即可得到次峰對(duì)應(yīng)的中心頻移等參數(shù)，最終得到應(yīng)變值。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一組BOTDA采樣結(jié)果的計(jì)算分析，如圖1（a）所示，光標(biāo)表示距離光纖起點(diǎn)27.8 m處，通過(guò)右上角的布里淵頻譜發(fā)現(xiàn)此處存在雙峰現(xiàn)象，單純擬合主峰，發(fā)現(xiàn)不了該處的應(yīng)變區(qū)域，在圖中顯示光標(biāo)處為一條直線。

圖1 （b）是利用本文提出的算法進(jìn)行擬合的結(jié)果。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在雙峰的時(shí)候，利用本文提出的算法，同樣在光標(biāo)27.8 m處能夠準(zhǔn)確定位次峰位置，圖中顯示出應(yīng)變變化。所以該算法在一定程度上能夠識(shí)別出小范圍的應(yīng)變區(qū)域，提高了BOTDA應(yīng)變測(cè)試的空間分辨率。

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