基于布里渊激光雷达测量大气声速误差分析

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析.结果表明,在标准大气条件下,0km～86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s.该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值.     

基于布里渊激光雷达测量大气声速误差分析

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析。结果表明,在标准大气条件下,0km～86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s。该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值。     

布里渊激光雷达系统中的关键因素研究

基于德拜热运动的弹性波理论,考虑激光雷达的光散射效应,提出了布里渊激光雷达系统中的布里渊线宽的选择方法,并推导出散射光谱中的斯托克斯线和反斯托克斯线两条伴线的相对频移公式;分析指出,在介质中,由于弹性波总是有衰减,所以,布里渊谱线的线宽不为零;建立了布里渊激光雷达系统实验模型,通过选取适当的参数进行模拟计算,进一步讨论了布里渊线宽与海水温度的关系;得到了不同海水温度下的布里渊线宽曲线,从而清晰的表明,在激光雷达系统中,布里渊线宽并不是一个常值,在其他参量不变的情况下,随着海水温度的升高,布里渊线宽会逐渐变窄。     

基于单斜坡的分布式光纤温度传感适用性研究

传感器是配电物联网的基础,尤其是基于布里渊散射的分布式光纤传感器应用日益广泛。为了提高基于布里渊散射的分布式光纤传感的测量速度,为基于温度的电气设备状态感知奠定基础,对单斜坡法在光纤沿线温度测量的适用性进行了研究。编程实现了基于伪Voigt模型的谱拟合法和单斜坡法的计算机程序,针对不同信噪比的布里渊谱分别采用谱拟合法和单斜坡法计算光纤沿线的温度。结果表明,在一定的信噪比和光纤沿线布里渊频移波动程度范围内,单斜坡法的计算准确性可以达到与谱拟合法相近程度,但谱测量时间可以缩短为后者的几十分之一,对应的计算时间仅为谱拟合法的1/758。研究了信噪比、布里渊频移和线宽不确定度对误差的影响,结果表明,随信噪比(以dB为单位)增加,温度误差快速下降,然后逐渐趋于稳定值;随布里渊频移与工作点差距的增加,温度误差增大,且加速度随二者差距的增大而增大;温度误差随线宽偏差的增大而增大。     

基于边缘探测技术的布里渊散射测量误差分析

为了研究基于边缘探测技术的激光雷达探测布里渊散射过程中测量误差的大小,在分析海水信道的基础之上,推导出了激光雷达探测水下布里渊散射频移的测量误差公式,并对基于边缘探测技术接收到的布里渊散射回波信号的大小进行了估算,同时仿真出不同探测深度和不同水质参数条件下的布里渊散射频移测量误差,得到了在水质较好的情况下,水下120m处布里渊散射频移测量误差小于5MHz的结果.结果表明,边缘探测技术具有较高信噪比、较小测量误差.     

基于BOTDR的多模光纤温度传感

针对多模光纤存在的模式耦合和布里渊增益谱展宽限制传感精度的提高等问题,提出利用单模光纤对多模光纤中散射信号的高阶模进行过滤实现多模光纤分布式温度传感精度的提高。分析了多模光纤的布里渊散射与温度传感原理,搭建单模光纤滤模的移频本地外差布里渊光时域反射(BOTDR)系统,测量并比较了两种多模光纤的温度传感特性。结果表明:在单模光纤过滤高阶模的BOTDR系统中,阶跃折射率和渐变折射率多模光纤的布里渊频移的温度系数分别为(0.884±0.013)MHz/℃、(1.104±0.013)MHz/℃,温度测量精度分别为1.249℃、1.071℃;且利用单模光纤过滤散射信号中的高阶模可有效减小布里渊散射谱宽,75℃时分别为58.12 MHz、72.14 MHz,可有效提高多模光纤分布式温度传感精度。     

海洋探测布里渊雷达的关键技术及发展概况

海洋探测布里渊雷达结合了布里渊散射、激光雷达和遥感技术,是一种新颖的频率探测激光雷达,可以抵御幅度噪声,具有相当高的信噪比,抗干扰性强、测量精度高.分析了布里渊散射雷达系统的关键技术,概要地介绍了国内外布里渊雷达关键技术的发展状况,并讨论了布里渊雷达技术在海洋探测领域的实用化进程及应用前景.     

边缘检测技术在分布式光纤传感中的应用

提出了采用双边缘技术测量光纤传感中的布里渊频移。利用边上信号对频率变化敏感的特点，提出了边缘检测技术，并通过设置最佳的工作点，使系统工作在最敏感的点上。理论分析表明，为实现0．5MHz的布里渊频移测量精度，通过测量最大信号的常规检测所需的信噪比为65．1127dB．单边缘检测所需的信噪比为37dB，双边缘检测所需的信噪比为31dB。所以，在相同信噪比下，与常规检测技术相比，边缘检测技术可以大大提高布里渊频移测量精度。     

布里渊光时域反射系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大研究

由于布里渊光时域反射(BOTDR)系统中布里渊散射信号非常微弱,常常导致传感距离受限,进而影响系统的信噪比和测量精度。因此,提出对BOTDR系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大进行研究。实验结果表明,后向抽运拉曼放大的受激布里渊散射(SBS)阈值要比前向抽运的高;当抽运功率为700mW时,前向抽运放大增益可达13.78dB,随后出现二阶布里渊散射谱线,使得放大增益开始下降;当抽运功率为1000mW时,后向抽运放大增益可达16.33dB,随后放大增益仍有增长的趋势,有利于对布里渊背向散射信号持续放大。     

基于压缩感知的BOTDA性能增强方法

为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性,提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示,然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能,仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱,搭建了45 km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明:在累加平均次数为100时,所提算法将信噪比提升了6.37 dB,优于累加平均次数3000时的10.13 dB,对应测量时间减少了1/30;采用8 MHz步长数据重构布里渊增益谱,该方法的重构结果与4 MHz步长数据的相关系数为0.9992,对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。     

粒子群优化和拉凡格氏混合优化算法提取传感布里渊散射谱特征的方法

在基于布里渊散射的分布式光纤传感系统中,沿途光电检测信号信噪比(SNR)过低为被测量的信息反演带来困难。针对高精度解调传感布里渊散射谱的布里渊频偏量的需求,提出了一种利用粒子群优化(PSO)和拉凡格氏(L-M)混合优化算法对传感散射谱进行特征提取的方法。利用PSO算法粗调得到一组全局最优解,再以全局最优解作为L-M算法的初值,最终将L-M算法的运算结果作为结果输出。它克服了PSO算法过早收敛于局部极值和L-M算法依赖初值的问题,保证了求解的速度和精度。数值分析表明,新算法适合对不同权重比、不同线宽和低SNR、大测量范围情况下的散射谱进行参数估计,并且在SNR为10dB的情况下得到的绝对误差仅为2.18838MHz,优于其他两种算法。实验研究表明新算法适用于多种脉宽状况下的布里渊散射谱的特征提取,并可有效提高预测精度。     

基于高频微波技术的分布式布里渊光纤温度传感器

提出了一种基于分布式布里渊光纤传感系统的温度快速测量方案。该方案基于外差相干检测原理,利用高速脉冲检波管对布里渊散射信号进行直接探测,从而缩短了测量时间;并结合累加平均与小波变换技术,减小了布里渊散射信号中的噪声,通过对去噪后的信号进行解调实现了长距离温度测量。实验结果表明,在24.8km的长度范围内,温度测量误差小于3℃,测量时间小于3s。     

瑞利BOTDA系统小波降噪新方法

基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统(BOTDA)因为单端入射的特性而有广泛的应用前景.研究了应用提升小波变换对传感信号进行降噪,与传统小波变换相比,提升小波变换结构简单,运算速度快,易于硬件实现.分别利用累加平均法、传统小波变换和提升小波变换对瑞利BOTDA系统传感信号进行降噪,通过信噪比、均方误差和计算时间对三种方法的降噪效果进行比较.结果表明,累加平均法将信噪比提高了约14 dB,传统小波变换将信噪比提高了约18 dB,计算速度是累加平均法的3.26倍.提升小波变换将信噪比提高了约19 dB,计算时间仅为传统小波变换的约60％.结果表明,提升小波变换适用于瑞利BOTDA系统实时降噪处理.     

改进高阶Vanderpol振子在微弱信号检测中的应用

在高精度的微弱光电信号检测系统中,存在信号被强噪声湮没的情况.针对这一问题,提出了一种基于改进高阶Vanderpol振子的微弱正弦信号定量检测方法.该方法利用改进高阶广义Vanderpol系统的高灵敏度与强抗噪性的特点提高了微弱信号检测的可靠性,再结合Lyapunov指数定量检测和90.移相补偿来实现混沌系统状态的量化判断和待测信号参数的高精度提取.仿真结果表明改进的Vanderpol振子比传统Vanderpol振子运算速度更快.与传统Duffing振子相比,在5％幅值检测误差范围内,改进的高阶广义Vanderpol系统可多获得37 dB的信噪比增益和60 dB的检测门限增益;与基于相轨迹突变定性检测待测信号幅相法相比,90°移相补偿幅相定量检测法在信噪比降低时其检测相对误差仍可控制在2％以内.改进算法实现了微弱正弦信号的高灵敏度和高精度的幅相检测.     

满足0.2级的光纤电流互感器信噪比分析

电流比值误差和相位误差是检验互感器的重要指标,噪声对其有较大影响.光纤电流互感器不同于传统电流互感器的重要特征之一即是存在较大噪声,在测量小电流时表现尤为显著,已经成为阻碍光纤电流互感器实用化进程的重要难题.分析了高斯白噪声背景下电流比值误差和电流相位误差的统计特征,研究了0.2S级下电流互感器数字输出信号信噪比所需满足的条件,探讨了电流互感器信噪比的计算方法以及影响信噪比的因素,并设计实验验证了理论分析的正确性.分析表明,为满足0.2S级光纤电流互感器信噪比需达到136,在额定电流以及数据更新率一定的情况下,仅有通过降低噪声以及增加敏感线圈缠绕圈数的方法可以提高系统信噪比.     

SNR improvement in self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer using Golay pulse codes

The application of Golay pulse coding technique in spontaneous Brillouin-based distributed temperature sensor based on self-heterodyne detection of Rayleigh and Brillouin scattering is theoretically and experimentally analyzed. The enhancement of system signal to noise ratio (SNR) and reduction of temperature measurement error provided by coding are characterized. By using 16-bit Golay coding, SNR can be improved by about 2.77 dB, and temperature measurement error of the 100 m heated fiber is reduced from 1.4 °C to 0.5 °C with a spatial resolution of 13 m. The results are believed to be beneficial for the performance improvement of self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer.     

基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号检测

分析了布里渊分布式光纤传感技术原理,采用自行研制的光纤单纵模分布反馈(DFB)激光器结合电光调制技术,利用相干检测技术,对布里渊微弱后向散射信号进行检测。通过改进滤波放大技术,对微弱后向散射光信号进行有效放大,再用扰偏技术及信号采样平均处理,实现对光纤传感器后向布里渊散射信号在11 GHz高频段直接采集显示。结果表明,探测所得布里渊散射信号峰值功率可达50 mV,能有效降低解调系统信号检测难度,改善了系统信噪比(SNR)。初步实验结果证明了该方案的可行性。     

基于整体经验模态分解的信噪比估计方法

为了提高未知样式信号的信噪比估计性能,提出一种基于噪声辅助的信噪比估计新算法,通过固有模态函数（IMF）分量平均周期的变化判断信号与噪声界限,给出了基于噪声辅助估计法的工作原理和流程图,分析了基于噪声辅助估计法的性能。仿真结果表明,基于噪声辅助估计法能够实现盲信号信噪比估计,在0 dB信噪比下均方误差不超过0.2 dB。     

采用APD检测的编码瑞利BOTDA系统性能

瑞利布里渊光时域分析系统具有单光源、单端工作、非破坏的优点,为了解决系统信噪比与空间分辨率之间的矛盾,将编码技术应用到瑞利布里渊光时域分析系统中,可以在保持空间分辨率不变的前提下提高系统信噪比。提出了基于雪崩光电二极管检测和Simplex编码的瑞利布里渊光时域分析系统,系统中的随机散粒噪声功率和信号功率有关,而热噪声功率主要取决于雪崩光电二极管光电检测器的性能、与信号功率无关。由系统中与两种噪声相关的电流波动的方差和Simplex码的编解码规则可得编码系统的均方误差,由此推导了系统信噪比和编码增益公式。随着编码长度的增加,编码增益会逐渐增大并在某一编码长度后趋于稳定,因此系统存在最佳编码长度,最终推导了最佳编码长度公式,并对信噪比和最佳编码长度进行了MATLAB仿真。仿真结果表明,在基于Simplex码的瑞利布里渊光时域分析系统中,当脉冲基底1阶边带产生的瑞利散射光功率为0.5 mW时,随编码长度的增加,编码增益逐渐增大并趋于稳定值6.69 dB,系统的最佳编码长度为63 bit。