李永倩 1,2,3,*范海军 1,2,3张立欣 1,2,3王磊 1,2,3[ ... ]赵旭 1,2,3
1 华北电力大学电子与通信工程系, 河北 保定 071003
2 华北电力大学, 河北省电力物联网技术重点实验室, 河北 保定 071003
3 华北电力大学, 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能, 然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、 易耦合和易辐射损耗, 而且导致了布里渊增益谱畸变、 谱宽展宽和布里渊增益峰值降低, 严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。 因此, 研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。 首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究, 并与少模光纤、 单模光纤进行对比。 结果表明： 多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关, 当布里渊散射角不变时, 布里渊频移与模式群编号呈负相关; 当模式群编号不变时, 布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。 相比单模光纤, 少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响, 布里渊增益峰值和布里渊频移较低, 布里渊增益谱较宽。 多模光纤中的高阶模最多, 对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低, 布里渊增益谱最宽。 此外, 分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。 搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统, 通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能, 以评估整形优化程度。 实验结果表明： 提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽, 获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度, 分别为0.974 47和0.987 89。 利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能, 最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。
布里渊散射谱 多模光纤 谱整形 谱宽 抗弯曲性能 Brillouin scattering spectrum Multimode fiber Spectrum shaping Spectrum width Bending tolerance 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3559
Author Affiliations
Abstract
The Brillouin scattering spectrum has been used to investigate the properties of a liquid medium. Here, we propose an improved method based on the double-edge technique to obtain the Brillouin spectrum of a liquid. We calculated the transmission ratios and deduced the Brillouin shift and linewidth to construct the Brillouin spectrum by extracting the Brillouin edge signal through filtered double-edge data. We built a detection system to test the performance of this method and measured the Brillouin spectrum for distilled water at different temperatures and compared it with the theoretical prediction. The observed difference between the experimental and theoretical values for Brillouin shift and linewidth is less than 4.3 MHz and 3.2 MHz, respectively. Moreover, based on the double-edge technique, the accuracy of the extracted temperatures and salinity is approximately 0.1 °C and 0.5%, respectively, indicating significant potential for application in water detection and oceanography.The Brillouin scattering spectrum has been used to investigate the properties of a liquid medium. Here, we propose an improved method based on the double-edge technique to obtain the Brillouin spectrum of a liquid. We calculated the transmission ratios and deduced the Brillouin shift and linewidth to construct the Brillouin spectrum by extracting the Brillouin edge signal through filtered double-edge data. We built a detection system to test the performance of this method and measured the Brillouin spectrum for distilled water at different temperatures and compared it with the theoretical prediction. The observed difference between the experimental and theoretical values for Brillouin shift and linewidth is less than 4.3 MHz and 3.2 MHz, respectively. Moreover, based on the double-edge technique, the accuracy of the extracted temperatures and salinity is approximately 0.1 °C and 0.5%, respectively, indicating significant potential for application in water detection and oceanography.
Brillouin scattering spectrum double-edge technique temperature salinity oceanography Opto-Electronic Advances
2023, 6(1): 220016
华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003
针对多模光纤的分布式传感系统受多模光纤布里渊散射特性的影响，利用有限元仿真得到多模光纤6种典型传输模式的电场分布，并从布里渊频移、线宽、峰值增益和布里渊散射谱4个方面仿真研究了单一模式和模式叠加情况下多模光纤的布里渊散射特性。仿真结果表明: 多模光纤不同传输模式的线宽和增益峰值都随着模式阶数的增加略有减少，布里渊频移随模式阶数减小而明显增加；在不受应变和温度影响的情况下，多模式叠加后布里渊散射谱相较单一模式线宽发生展宽，增益峰值大幅减小。
多模光纤 布里渊频移 线宽 增益峰值 布里渊散射谱 multimode fiber Brillouin frequency shift linewidth max gain Brillouin scattering spectrum
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
利用传统的洛伦兹线型拟合来进行布里渊散射谱特征提取是一种普遍使用的方法, 其测量结果的准确度容易受噪声含量、扫频谱型和拟合算法的影响。不仅如此, 这种方法需要反复迭代求出参数向量的最小二乘解, 实时性较差。针对该情况提出的互相关卷积与高阶质心结合算法能有效提取布里渊频移, 具有极短的测量时间, 但扫频数据服从洛伦兹分布的程度直接影响了计算结果的准确度, 因此提出了二维小波阈值去噪方案, 并运用综合评价指标计算与拐点定位进行最优参量选取, 得到了一组最佳的降噪参量, 如此能有效提高测量结果的精准性。
布里渊散射谱 小波阈值去噪 综合评价指标 互相关卷积 高阶质心 Brillouin scattering spectrum wavelet threshold denoising comprehensive evaluation index crosscorrelation convolution higherorder centroid
燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
提出了一种利用混合蛙跳算法(SFLA)优化最小二乘支持向量机(LSSVM)算法的混合优化算法, 并将其应用到多峰Brillouin散射谱的特征提取中。SFLA-LSSVM混合优化算法利用SFLA对LSSVM算法中的惩罚因子C和核函数中的核宽度σ进行寻优, 避免了LSSVM算法陷入局部最优导致的Brillouin频移误差较大。通过对相同信噪比、不同线宽以及相同线宽、不同信噪比2种情况下的多峰Brillouin散射谱仿真分析以及实验验证, 拟合适应度为0.0067, 拟合度为99.99%, Brillouin频移误差为0.18 MHz。实验结果表明SFLA-LSSVM混合优化算法能够精确地对多峰Brillouin散射谱进行拟合, 同时该算法具有拟合精度高、均方误差小、运行速度快的特点, 为多峰Brillouin散射谱的特征提取提供了一种新方法。
散射 多峰Brillouin散射谱 混合蛙跳算法 最小二乘支持向量机 温度 拟合
华北电力大学电气与电子工程学院, 河北 保定 071003
针对目前布里渊光时域分析(BOTDA)分布式光纤传感系统存在的实时性较差的问题, 为了缩短测量时间, 提出一种基于互相关卷积与高阶矩质心计算相结合的布里渊散射谱特征提取方法。首先将布里渊散射谱沿光纤的扫频数据与理想Lorentz曲线作互相关卷积, 然后利用卷积结果峰值附近的理想Lorentz线型特征进行高阶矩质心提取, 并将提取结果作为布里渊频移(BFS)的估计值; 其次, 搭建1.5 km的瑞利BOTDA温度传感系统对所提算法进行可行性验证。结果表明: 不同于常用的Lorentz拟合(LCF), 所提算法避免了复杂的迭代求解所造成的测量时间延长, 具有良好的实时性与测量精度, 选取恰当的数据点数与阶数可将误差控制在小于1 MHz; 当进行长距离高分辨率的动态测量而不得不加大扫频间隔以减少测量时间时, 所提算法的测量误差远小于基于莱文伯-马奈特(LM)算法的LCF的测量误差。
散射 布里渊光时域分析 互相关卷积 布里渊散射谱 质心计算 高阶矩 中国激光
2017, 44(11): 1106011
1 The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
2 Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
In this study, a hybrid algorithm combining genetic algorithm (GA) with back propagation (BP) neural network (GA-BP) was proposed for extracting the characteristics of multi-peak Brillouin scattering spectrum. Simulations and experimental results show that the GA-BP hybrid algorithm can accurately identify the position and amount of peaks in multi-peak Brillouin scattering spectrum. Moreover, the proposed algorithm obtains a fitting degree of 0.9923 and a mean square error of 0.0094. Therefore, the GA-BP hybrid algorithm possesses a good fitting precision and is suitable for extracting the characteristics of multi-peak Brillouin scattering spectrum.
fiber optics fiber optics Brillouin scattering spectrum Brillouin scattering spectrum genetic algorithm (GA) genetic algorithm (GA) back propagation (BP) neural network back propagation (BP) neural network multi-peak spectrum multi-peak spectrum Frontiers of Optoelectronics
2017, 10(1): 62
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题, 提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系; 设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统, 在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明: 当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时, 根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz, 此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW, 对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz, 其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。
光纤 受激布里渊散射阈值 外差检测 布里渊散射谱宽 fiber optics stimulated Brillouin scattering threshold heterodyne detection Brillouin scattering spectrum width 红外与激光工程
2017, 46(2): 0222001
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066004
2 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
采用传统方法对多峰Brillouin散射谱进行拟合的过程中, 通常是以谱线最大功率点为基准的, 却忽略了其他比该点小但却是极值的功率点。 这样获得的拟合曲线通常只有一个峰值, 相当于把除最高峰之外还有多个小峰的多峰Brillouin散射谱进行了简化, 导致大量有用信息的丢失。 为了提高Brillouin散射谱的特征提取精度, 提出了一种基于MCDM和PSO-LM混合优化算法的多峰Brillouin散射谱特征提取方法(MCDM-PSO-LM)。 MCDM可以识别和准确定位多峰Brillouin散射谱的各个波峰和波谷; PSO-LM混合优化算法可以实现分别对各个波峰和波谷的曲线进行拟合并找到每一个波峰的中心频率, 该算法既克服了PSO算法过早收敛于局部极值和LM算法依赖初值的问题, 又可以将PSO算法的全局搜索能力和LM算法的局部收敛能力结合在一起。 较传统算法而言, MCDM-PSO-LM算法保证了对最优值求解的速度和精度, 提高了运算能力, 使解析解最大限度地接近最优值。 分别在不同信噪比和不同线宽条件下进行仿真验证, 频移和温度误差分析结果表明, MCDM-PSO-LM方法可以对多峰Brillouin散射谱的各个波峰与波谷进行准确定位, 可用于多峰Brillouin散射谱的特征提取, 识别效果明显强于传统算法, 提高了信息分析的准确性。
多峰Brillouin散射谱 多准则决策 PSO-LM混合优化算法 特征提取 Multi-peaks Brillouin scattering spectrum Multi-criteria decision-making Particle swarm optimization-levenberg marquardt hy Feature extraction 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2183
激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象, 其散射谱特征参数(频移、线宽)取决于散射角和散射介质压强、温度等参数, 通过探测高速气流激光布里渊散射谱, 可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理, 设计了一种基于法布里-珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置, 搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明, 通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。
瑞丽散射 布里渊散射 瑞丽-布里渊散射谱 高速气流 温度 压强 测试 Rayleigh scattering Brillouin scattering Rayleigh-Brillouin scattering spectrum high-velocity gas flow temperature pressure measurement
