基于GA-QPSO混合算法的Brillouin散射谱特征提取方法

提出了一种将遗传算法(GA)和量子粒子群(QPSO)算法相结合的新优化算法,该算法通过运用GA中的交叉和变异算子操作来优化QPSO算法,提高QPSO的全局搜索能力,克服其易陷入局部极值的缺点。将其应用到PseudoVoigt型布里渊散射谱特征提取,对不同权重比、不同线宽和不同信噪比下的布里渊散射谱进行了参数估计和分析,通过采集不同温度时的布里渊散射谱实验数据,利用GA-QPSO算法对实验数据进行处理。实验结果表明,利用GA-QPSO算法可以提高布里渊散射谱的频移提取精度,当温度为25℃时,频移拟合误差最大为2.18 MHz,且随着温度的升高,平均拟合误差逐渐减小,在80℃时的频移拟合误差最大为0.065 MHz。因此,将该算法用于布里渊散射温度和应变传感系统,在提高空间分辨率、检测精度等方面具有很好的应用前景。     

基于相似匹配方法的光纤布里渊频移提取准确性影响因素分析

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。     

多波长BOTDR系统中布里渊散射谱的特征提取

根据布里渊散射谱的传输特性和高精度特征提取的 要求,理论分析了布里渊频移的波长依 赖性和多波长探测光传感时的外差检测布里渊散射谱特征,提出了利用Pseudo-Voigt基函 数和莱 文伯格-马夸尔特(L-M)优化算法对布里渊散射叠加谱进行特征提取。通过与洛伦兹、高斯 和5次多项式 曲线拟合法进行预测比较,在中心频移为11.122903GHz的单波长和多波长传感的仿真散射谱模 型中,本文所提方法的频移测量误差最小,对应的温度测量误差仅为0.047、0.000和0.112℃, 且拟合度最好。在采用多模法布里-珀罗激光器的布里渊散射谱检测系统中,Pseudo-Voig t曲线拟 合的综合评价指标优于其他3种拟合方法。仿真分析和实验结果表明,Pseudo-Voigt曲线拟 合适用于多波长传感时布里渊散射叠加谱的特征提取,可有效地提高预测精度。     

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。     

二次多项式拟合在分布式光纤传感中的应用

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。     

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。     

随机噪声对海洋布里渊激光雷达测量的影响

为了分析激光雷达系统中随机噪声对海水布里渊散射谱以及温度反演精度的影响,依据布里渊散射理论及系统噪声特性,对带噪布里渊散射频谱进行了理论分析,并进行了信噪比从1dB~100dB的仿真实验。结果表明,当信噪比大于16dB时,频移和线宽的平均误差和不确定度能够控制在兆赫兹量级,温度误差和不确定度能够控制在0.2℃以内;采用实际应用中多次测量取平均的方法,10次平均能够保证0.2℃的测量精度对信噪比的要求下降到7dB。这为激光雷达在海水高精度遥感提供了指导。     

BOTDA传感系统的布里渊频移提取方法研究进展

随着布里渊光时域分析(BOTDA)传感技术在许多大型基础工程设施安全监测中的广泛应用,对测量精度和实时性的要求日益提高.采用传统的最小二乘曲线拟合方式对布里渊散射谱进行布里渊频移提取,其测量结果的精度依赖于参数初始值的选取和噪声的影响,并且拟合算法的参数迭代求解过程增加了数据处理的时间,降低了工程实时性.文章综述了多种非线性参数优化估计的曲线拟合算法和基于神经网络的布里渊散射谱特征提取的混合优化算法,介绍了无需经过曲线拟合的互相关法(XCM)、深度学习法(DL)和亚像素级精度的重心提取算法(CDA),这些算法能适应更大的扫频步长,实时性更好.     

布里渊光子晶体光纤环形移频器

通过实验研究了一种光子晶体光纤环形移频器,该移频器基于布里渊频移原理,利用光子晶体光纤布里渊增益高、阈值低的特点,同时利用光纤环形腔选频放大技术获得窄线宽高增益激光输出。实验结果表明:在波长为1 548 nm单纵模光纤激光泵浦下,10 m长光子晶体光纤的受激布里渊散射阈值功率约为457mW,环形腔输出的受激布里渊散射Stokes光相对于入射光移频量为9.778GHz、线宽500 kHz,并且移频量可以通过温度进行微调。该移频器可以用于分布式光纤布里渊传感器和微波发生器。     

一种基于频移滤波器的混合信号盲恢复算法

针对单天线接收的频谱混叠的混合信号盲恢复问题,在频移滤波器结构上,提出了一种基于相关函数误差准则的自适应频移滤波信号盲恢复算法.该算法利用滤波器输出信号和参考信号以 及混合信号与参考信号之间的相关函数误差来调整自适应滤波器输出权值.分析了该算法的稳态性能.仿真结果表明:在信噪比大于-5 dB的条件下,该算法对混合...     

基于神经网络的光纤温度和应变快速解调方法

为了提高基于布里渊散射的分布式光纤传感系统实时性,在分析经典基于洛伦兹和伪Voigt模型拟合法优缺点的基础上,将多层前馈神经网络方法用于布里渊频移的估算.确定了神经网络的结构、输入及输出量、激活函数和训练算法,采用不同信噪比(5dB～40dB)和布里渊频移(10.62GHz～10.82GHz)的布里渊谱训练该网络,训练...     

一种新型瑞利BOTDA系统的研究

搭建了一种新型的基于瑞利散射的布里渊光时域分析（Rayleigh Brillouin optical time domain analysis, RBOTDA）传感系统。该系统工作在单端,能克服传统 BOTDA双端接入的缺点;采用两个EOM并联的结构产生含有连续基底光的脉冲光,探测光由基底连续光的瑞利散射提供,避免了多种受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering,SBS）作用带来的干扰,信噪比更高,传感距离更长;采用双边带探测方法,有效减少泵浦脉冲的损耗与非本地效应。建模解析了该系统中的SBS作用过程,并实验验证了系统的可行性。结果表明,布里渊增益谱完好地贴合洛伦兹曲线,非本地效应得到了有效的抑制;在2.4 km光纤上,室温25℃下泵浦脉宽50 ns时,布里渊频移为10.867 GHz,布里渊线宽约为40.21 MHz。     

Compton散射下的3阶色散对超短光孤子脉冲自频移的影响

应用多光子非线性Compton散射模型,对Compton散射下的3阶色散对超短光孤子脉冲自频移的影响进行了研究,通过理论分析、数值模拟和拟合,结果表明,Compton散射使3阶色散对孤子自频移有较强的抑制作用,在时域中引起孤子脉冲的调制振荡结构更为明显,频域中的频谱被分为两个较清晰的、峰值较高的谱峰,孤子自频移 ,但其斜率不同于散射前的斜率。     

光纤布拉格光栅传感解调中的寻峰算法

分析比较了光纤布拉格光栅(FBG)传感解调系统的6种寻峰算法:蒙特卡罗(Monte Carlo)算法、直接比较法、二次插值数值微分法、一般多项式拟合法、多项式-高斯公式拟合法和高斯公式非线性曲线拟合法。通过分析算法理论误差,结合算法仿真和实验研究,给出了算法误差及相关影响因素。研究发现输入信号的信噪比与寻峰算法的算法误差呈线性关系,相同条件下,高斯公式非线性曲线拟合法获得的精度最高。在光纤布拉格光栅传感实验系统中,对于信噪比为40dB的输入信号,算法的寻峰精度可达到0.44pm。结果表明,算法输入信噪比是影响寻峰算法中算法误差的决定因素,寻峰算法中的最佳算法为高斯公式非线性曲线拟合法。     

基于斜坡法的智能化架空线路应变快速感知

为了提高输电线路状态感知实时性, 将单斜坡法和基于伪Voigt模型的最小二乘谱拟合法用于架空线路复合光纤应变的测量, 基于实测布里渊谱系统, 研究了工作点增益的信噪比和布里渊频移对单斜坡法准确性的影响。结果表明, 随着工作点增益信噪比增加, 布里渊频移误差近似成指数规律减小; 随着布里渊频移与工作点频率之差的增加, 布里渊频移误差先快速下降, 然后略有增加; 当工作点处布里渊增益的信噪比不小于25 dB且工作点频率始终小于(或大于)布里渊频移时, 单斜坡法应变误差小于60 με; 根据不同布里渊频移下60 με对应的临界信噪比, 可插值获得不同情况下对应的临界信噪比; 单斜坡法的谱测量时间和计算时间分别为谱拟合法的1/161和1/600左右。该工作为提高智能化光纤复合架空线路态势感知实时性奠定了基础。     

尾流气泡群的激光多普勒检测方法

提出了一种基于气泡群后向散射光多普勒频移谱特性的舰船尾流检测方法。利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对尾流区运动气泡群后向散射激光多普勒频移谱进行了理论模拟,分析了气泡数密度和速率分布对后向散射光信号多普勒频移谱特性的影响。在此基础上,利用差动型激光多普勒探测方法,实验研究了模拟尾流气泡群后向散射光多普勒频移谱特性,实验结果与理论模拟基本符合。研究表明,随着尾流中气泡数密度和速率分布范围的增大,后向散射光信号的多普勒频移谱的幅度、截止频移也随之增大。这证明了激光后向散射多普勒频移谱特性分析法可作为一种有效的尾流检测方法。     

基于谱估计的Fabry-Perot标准具透过率曲线参数估计方法

直接探测多普勒测风激光雷达系统大多采用基于Fabry-Perot（F-P）标准具的条纹技术和边缘技术测量多普勒频移。但激光器频率漂移会使得透过率曲线的估计出现一定误差,为了抑制其影响,提出了一种基于谱估计的F-P标准具透过率曲线参数估计方法。首先将标准具全量程扫描结果进行重构得到观测矩阵。之后使用MUSIC算法得到透过率曲线的伪谱。对伪谱进行谱峰搜索后,将得到的谱峰位置进行线性拟合得到自由谱间距。然后将上步的拟合结果代入透过率函数,利用非线性最小二乘法对其他参数进行估计。在仿真分析的基础上,采用真实测量数据进行了实验验证。结果表明所提出的方法在扫描步点间隔达到50、信噪比大于10 dB的情况下,估计差小于1%。该算法扫描时间短,估计误差小,具有实际应用价值。     

基于信噪比方法的天地波混合体制雷达一阶回波谱提取

天地波混合体制高频雷达(简称天地波雷达,HFHSSWR)海面一阶谱的频移和展宽特性,使得其一阶谱的提取比高频地波雷达(HFSWR)更困难。该文研究了天地波雷达一阶谱频移和展宽特性,并基于其在2维距离-多普勒谱上连续分布的特点,将信噪比方法应用于天地波雷达一阶谱提取。通过双基地角、电离层和海流等对一阶谱频移及展宽特性的定量分析,确定了信噪比方法中一阶谱中心位置、谱峰宽度、左右一阶谱间距等参数的计算方法和取值范围。并利用2维信噪比方法,解决由于天地波雷达信噪比下降引起的一阶谱边界检测不精确的问题。最后,将信噪比法分别应用于仿真和实测天地波雷达数据,验证了方法的有效性。     

BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变区分测量方法

为了解决已敷设传感光纤中布里渊谱峰功率初值难以获取,基于频移和功率双参量的温度和应变区分测量误差大等问题,提出了解决方法。通过标定实验确定布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数、频移初始值;根据布里渊散射功率特性方程,通过试探法,利用已敷设光路中温度和应变已知的参考光纤确定方程系数,建立了谱峰功率初始值;利用归一化方法克服了传感系统中乘性噪声导致的测量误差;利用谱宽变化消除了温度和应变突变点处的谱峰功率异常峰值;最后,根据光纤复合海底电缆的现场情况建立了模拟光路,并进行了温度和应变测量实验。结果表明,在5.6 km处可实现4.3℃和110 的测量精度,可实现已敷设传感光纤整条光路上的温度和应变区分测量,为工程应用提供了理论和实验依据。     

一种新的克服多普勒频移的分集算法

多普勒频移或其他原因产生的同步误差严重影响OFDM系统性能。提出了以子载波间干扰(ICI)引起的损失信噪比作为目标函数,进而对多普勒分集接收机进行联合优化;利用泰勒级数简化目标函数,降低了算法实现复杂度;在获得最大多普勒频移估计的条件下,获到支路频移与合并系数的联合优化解。仿真表明,采用LS信道估计的情况下,算法性能可逼近MMSE分集算法。