基于布里渊散射的分布式光纤传感中温度和应变与布里渊频移成线性关系, 为了提高温度和应变测量的准确性, 提出了一种改进的二次多项式拟合算法用于提取布里渊频移。该算法分为两步: 首先使用一种改进的中值滤波算法对含噪布里渊谱信号进行预处理, 以提高增益峰值定位的准确性; 然后截取围绕峰值左右对称的一个线宽的原始布里渊谱进行二次多项式拟合以实现布里渊频移的高精度提取。以布里渊频移误差及峰值定位准确性作为衡量指标, 比较研究后确定同一频率下所有空间点对应的布里渊增益作为滤波器的输入。研究了不同扫频间隔和信噪比及不同滤波窗长下改进算法的效果, 同时研究了最优窗长的选择问题。结果表明, 不同信噪比和扫频间隔下改进算法均能有效提高布里渊频移提取的准确性。随窗口长度增加布里渊频移误差先减少后增加, 在扫频间隔为1~10MHz、信噪比为0～40dB情况下, 通用的最优窗长为53~163。

基于相似匹配方法的布里渊频移提取算法具有无需预设模型、适应性强的优点。为了获得谱信号参数和扫频参数对算法性能的影响,在仅单一因素变化情况下系统研究了布里渊线宽(简称线宽)、信噪比、扫频间隔、扫频范围对布里渊频移提取准确性的影响规律。结果表明:频移误差与线宽成线性关系,探测谱与参考谱线宽差距本身对算法准确性产生的影响较小;频移误差随参考谱和探测谱信噪比的增加均呈指数规律减小;扫频间隔不变时随参考谱扫频范围增加频移误差存在增加的趋势,同时计算时间线性增加;探测谱的扫频范围为2倍线宽时频移误差最小。研究结果可为布里渊频移的准确提取提供参考。

为了在保证测量准确性的基础上提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性, 对布里渊频移的快速、 高精度提高算法进行了研究。 实现了基于二次多项式拟合的布里渊频移提取算法和典型的基于洛伦兹、 高斯、 伪Voigt和Voigt模型的算法, 采用光时域反射计(BOTDR)实测了一段长光纤上的布里渊谱, 采用以上算法提取了对应的布里渊频移。 计算结果表明, 二次多项式拟合算法的计算速度明显快于以上经典算法, 其计算耗时仅分别为以上经典算法的1.15%, 1.80%, 1.51%和0.51%, 但计算误差明显大于经典算法, 影响了其实际应用。 以上结果与对应数值产生布里渊谱的计算结果吻合。 为了提高该算法的计算准确性, 系统研究了扫频范围、 扫频点数、 信噪比、 线宽和扫频范围偏差对基于二次多项式的布里渊频移提取准确性的影响。 结果表明: 当扫频点数固定时随扫频范围增加布里渊频移误差先减少到最小值后逐渐增加, 扫频点数固定时最佳扫频范围为1个线宽; 扫频范围不变时随扫频点数和信噪比的增加布里渊频移误差分别成幂和指数规律减少; 扫频范围与线宽比值不变及扫频点数不变时随线宽增加布里渊频移误差线性增大; 随扫频范围偏差增加误差逐渐增大, 实际用于拟合的谱信号尽量围绕布里渊频移左右对称。 根据以上研究结果提出了一种用于布里渊频移快速提取的改进二次多项式拟合算法, 该算法从测量得到布里渊谱中截取1倍线宽且关于最大增益对称的谱信号用于后续拟合, 较之经典的谱拟合算法, 改进算法不仅能大幅提高计算速度且计算准确性与经典算法相似。 采用数值产生及实测布里渊谱的计算结果验证了所提出算法的有效性。 提出的算法不仅能有效提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性。

利用光纤中的背向瑞利散射通过光频域反射原理实现整段光纤上的分布式应变测量。对应变解调算法进行了改进, 采用二次互相关的方法实现了光纤的波长分辨率为5pm, 空间分辨率为2cm。搭建了一套基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感系统, 对应变系数进行了标定, 并实现了5m长光纤上的分布式应变测量, 应变测量范围为50~500με, 应变分辨率为4.2με。改进后的算法克服了传统算法中波长分辨率和空间分辨率相互制约的缺点, 能在保证波长分辨率的前提下提高空间分辨率, 对该应变传感技术的后续研究具有一定借鉴意义。

为实现对飞行器结构高精度、高分辨率的健康监测,开展了对光频域反射光纤分布式传感技术的研究。介绍了瑞利散射光谱互相关分布式传感的原理,分析了传统互相关法中传感单元长度对光谱分辨率的限制因素,提出利用傅里叶插值法提高光谱分辨率的方法,并进行了实验验证。实验结果表明,采用所提方法可在长度为14.2 m的单模光纤上实现传感单元长度为1 cm、光谱分辨率为1.6 pm的连续分布式传感。所提方法在高精度、高分辨率的短、中程健康监测领域具有广阔的应用前景。

由于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer)光纤预警系统高灵敏度的特性, 使其对于环境中的声波及瞬时高频噪声也异常敏感, 如何提高信噪比, 使有用信号在众多噪声中显现出来, 实现精确定位, 成为该领域研究的关键问题。分析了Φ-OTDR分布式光纤系统的工作原理, 介绍了分离平均与差分、滑动平均与差分以及小波阈值去噪三种常用的定位算法。利用连续小波变换分析了挖掘信号的功率谱分布随距离传播的变化规律, 并提出了一种利用小波高频分量进行定位的算法方案。实验证明小波高频分量定位算法具有更高的定位精度, 信噪比为9.6033dB。

在各类大型基础设施的安全检测过程中，应变作为一项重要的参数需要重点检测。为了准确测量一定范围内应变分布，提出了基于光频域反射技术(OFDR)的光纤连续分布式定位应变测量传感方法。这种方案根据瑞利散射光谱移动的原理，采用距离域移动窗互相关的光谱漂移解调算法来获取连续分布式的应变参量。实验结果表明，这种方法可以对100 m 范围内光纤所受应变的大小及其分布位置进行稳定而有效的传感，系统空间定位分辨率为20 cm，相较于其他传感方式，这种方法既实现了对应变的定量检测，同时也获取了应变的空间分布信息，实现了应变的定位功能。

提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统。传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3 mm的细光缆,并埋设于室外。入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化,由于干涉作用,光相位变化将引起光强度的变化,通过实时将当前时刻的φ-光时域反射计后向瑞利散射信号与其前一时刻(时间间隔0.1 s)的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置。经适当的数据处理后,该传感系统定位精度可达到50 m(为目前报道的φ-光时域反射计传感系统最高定位精度),定位范围可达到14 km,信噪比约为12 dB,且灵敏度较高。该系统可望能广泛用于**基地、国界、核设施及监狱等重要场所的安全防范。