一种多准则的双峰识别算法在BOTDA上的应用

李鹏　刘雷　韩顺利　张志辉

摘要：基于BOTDA技术进行光纤应变测试，当应变区域较小时会存在双峰现象，此时系统往往不能准确识别应变区域，导致系统的空间分辨率降低。基于BOTDA双峰现象，提出了一种多准则的双峰识别算法，能够有效识别次峰位置，定位小的应变区域，提高系统的空间分辨率。

关键词：双峰识别算法;BOTDA;传感技术;应变区域

中图分类号：TP212

文献标识码：A

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

1 引言

BOTDA技术在传感技术领域的研究一直长盛不衰，其工作原理是在光纤两端分别注入直流探测光和脉冲抽运光，利用两束光之间的受激布里渊效应放大探测光，实现增强接收信号强度、提高测量精度和动态范围等目的。基于检测受激布里渊散射信号的BOTDA技术具有同时获取随时间和空间变化连续分布信息的能力，在长距离、高精度测量上与其他传感技术相比具有明显优势。

但BOTDA技术也存在局限性，其分辨率决定于脉冲宽度，脉冲越窄，分辨率越高，布里渊增益越弱，信噪比越低。而脉冲宽度受声子寿命和信噪比限制，当探测光脉冲宽度接近或小于声子寿命时，SBS效应难以测量，因此脉冲宽度不能无限小。本文基于差分脉冲对（ DPP-BOTDA）的技术，提出了一种多准则的双峰识别算法，能够在合适的脉冲宽度下识别出小范围的应变区域，在试验中取得良好效果。

2 DPP-BOTDA技术原理

LI等人提出了一种称为DPP-BOTDA的技术，来提高BOTDA的测量精度。该技术的主要思想是脉冲光输出两个分离的、具有微小脉宽差的长脉冲对，并在每个布里渊扫频频点上对这两个长的脉冲对做差。由于使用的两个做差脉冲对脉冲宽度较长，所以具有较强的信号强度，因此可以提高布里渊频移计算的精度和信噪比。比如10 ns的脉冲宽度，可以利用50 ns和40 ns两个较长的脉冲宽度损耗值做差，最终可以得到10 ns的脉冲宽度的损耗值。

3 一种多准则的双峰识别算法

BOTDA的测量精度受脉冲宽度的制约，理论上脉冲宽度越小，测量精度越大，空间分辨率越高，但是受脉冲光的信噪比制约，脉冲光的宽度不能无限小。小于10 ns的脉冲宽度信噪比很低，使得SBS效应难以测量，所以在实际的工程应用中，选择的最小脉冲宽度一般不小于IO ns，致使空间分辨率最大为Im。如果应变区域在脉冲光的空间分辨率范围内占比较小，就会出现双峰现象，并且次峰高度小于主峰的高度，此时，就需要准确识别出次峰位置，定位应变区域。这就存在一个多峰识别问题，当前多峰识别算法很多，其最终的目的就是寻找某个函数前n个局部最优解。对于具有多个峰值的函数，经典的尋优算法往往存在缺陷，难以找到全局最优解，也难以找到前n个所有的局部最优解。对于本文提到的具体问题，采用启发式的多峰寻优算法可以取得很好的计算效果。当应变区域小于脉宽光的空间分辨率时，峰的个数最多为2个，这是启发式寻峰算法的一个重要的准则。此外，为了确定次峰的位置，还加入峰高、偏移、形状等准则。

具体的算法流程可以分为以下几步：①寻找布里渊频谱中所有满足峰特点的峰，记录下其峰值点和位置等信息，作为候选峰;②从候选峰中，根据准则选择主峰;③从候选峰中，根据准则选择次峰;④最后对次峰进行洛伦兹拟合，计算出中心频移等参数。

3.1 候选峰寻找

在布里渊频谱中，首先需要找到所有满足峰特点的峰，避免遗漏，将峰特点定义得很简单，峰表现为峰左侧值递增，峰值最高，峰右侧值递减。为了提取该特征，用一个大小为奇数的滑动窗口，依次覆盖布里渊频谱的数据点，后值减前值，得到偶数个差值。判定这些差值是否满足前半部分值为正，后半部分值为负。如果满足条件，记录下滑动窗口覆盖处的值作为一个候选峰。最后得到所有满足最低要求的候选峰，这是后续算法进行的基础。

3.2 主峰选择

在BOTDA的布里渊频谱中，主峰位置对应的中心频移光功率值最大，在曲线中表现为峰值最高处。光纤中，当应变区域的长度小于光脉冲的空间分辨率的一半时，此时次峰表现为随着采样距离逐渐接近应变区域，峰值逐渐增高，但最高值不会高于主峰的高度。所以主峰的寻找可以通过比较所有候选峰峰值点的峰值大小，值最大值的峰即是主峰。

3.3 次峰选择

次峰选择是算法的重点部分，如果简单选取光功率值次大的候选峰作为次峰，效果往往很差。受噪声影响，在主峰的两个坡上，有时出现伪峰现场。并且当信号较差的时候，次峰高度可能小于突变的噪声高度。

针对可能出现的影响，定义一些准则，作为次峰选择的得分项，然后给这些准则设置合适的关注度系数，计算所有准则乘以关注度系数的加权和作为峰的最终得分，最后选取得分最高的峰作为次峰。

所以算法的重点就是选择合适的准则，通过试验分析，本文选择了峰高值、主峰偏移、峰形状作为得分项，计算最终得分，取得了好的试验结果。公式如下：

通过算法找到次峰后，再利用高斯拟合洛伦兹曲线即可得到次峰对应的中心频移等参数，最终得到应变值。

4 结论

通过对一组BOTDA采样结果的计算分析，如图1（a）所示，光标表示距离光纤起点27.8 m处，通过右上角的布里渊频谱发现此处存在双峰现象，单纯拟合主峰，发现不了该处的应变区域，在图中显示光标处为一条直线。

图1 （b）是利用本文提出的算法进行拟合的结果。通过分析发现，当存在双峰的时候，利用本文提出的算法，同样在光标27.8 m处能够准确定位次峰位置，图中显示出应变变化。所以该算法在一定程度上能够识别出小范围的应变区域，提高了BOTDA应变测试的空间分辨率。

参考文献：

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