一種分布式溫度與應變同時測量方法
【專利摘要】一種分布式溫度與應變同時測量方法，它以共用同一套光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的布里淵光時域反射計和相干光時域反射計為傳感測量系統(tǒng)，所述傳感測量系統(tǒng)輪流工作于BOTDR模式和COTDR模式，測量出沿單根單模傳感光纖分布的布里淵散射譜和瑞利散射譜，并檢測出布里淵散射譜的頻移和瑞利散射譜的頻移，然后根據(jù)兩種散射譜頻移與溫度和應變呈線性關系的特性，建立關于溫度和應變的二元一次方程組，通過求解方程組獲得傳感光纖每一位置處的溫度和應變，進而獲得沿整條傳感光纖分布的溫度和應變。本發(fā)明大大降低了系統(tǒng)的復雜性和制造成本，而且對光纖布里淵頻移系數(shù)沒有特別要求，擴大了測量系統(tǒng)的適用范圍。
【專利說明】一種分布式溫度與應變同時測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用單根光纖實現(xiàn)分布式溫度與應變同時測量的方法，屬于測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光纖傳感技術由于具有抗電磁干擾能力強、設備易于安裝、絕緣性好、靈敏度高等優(yōu)點，在電力、建筑、土木工程等領域受到了越來越多的重視。BOTDR(Brillc)Uin OpticalTime Domain Reflectometry,布里淵光時域反射計)通過測量入射光脈沖在光纖中的布里淵散射譜頻移來進行溫度和應變的測量，但存在布里淵頻移的溫度和應變交叉敏感問題，導致溫度和應變無法區(qū)分，限制了該技術的應用。COTDR(Coherent Optical Time DomainReflectometry,相干光時域反射計)通過測量由相干光源發(fā)出的入射光脈沖在光纖中的瑞利散射譜頻移來進行溫度和應變測量，但也存在瑞利散射譜頻移的溫度和應變交叉敏感問題，導致溫度和應變無法區(qū)分，因而也限制了該技術的應用。
[0003]利用光纖的拉曼散射可進行溫度的分布式測量，但不能進行應變的分布式測量。
[0004]目前，利用光纖傳感技術對分布式溫度和應變同時進行測量時通常采用雙光纖法，該方法有兩種方案，一種方案是兩根光纖并行鋪設，兩根光纖布里淵頻移的溫度、應變系數(shù)不同，測量兩根光纖的布里淵頻移，通過聯(lián)立方程組求解溫度和應變，該方法只適用于特殊定制光纖，不能應用于通信用光纜或光電復合纜。另一種雙光纖方案同樣是兩根光纖并行鋪設，其中一根光纖只受溫度影響，另一根同時受溫度和應變的影響，測量兩根光纖的布里淵頻移，通過聯(lián)立方程組求解溫度和應變，這種方案也不適用于已經(jīng)鋪設的通信用光纜或光電復合纜。另外，將拉曼光纖分布式測溫技術與布里淵技術相結合的測量方法可應用于單根光纖，但這種方法需要兩套光路系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構復雜，成本高，而且很難應用于單模光纖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術之弊端，提供一種利用單根光纖和單套光路系統(tǒng)對分布式溫度與應變同時進行測量的方法，在減少設備投資的同時，擴大測量系統(tǒng)的適用范圍。
[0006]本發(fā)明所述問題是以下述技術方案實現(xiàn)的:
一種分布式溫度與應變同時測量方法，它以共用同一套光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的布里淵光時域反射計(BOTDR)和相干光時域反射計(COTDR)為傳感測量系統(tǒng)，所述傳感測量系統(tǒng)輪流工作于BOTDR模式和COTDR模式，測量出沿單根單模傳感光纖分布的布里淵散射譜和瑞利散射譜，并檢測出布里淵散射譜的頻移和瑞利散射譜的頻移，然后根據(jù)兩種散射譜頻移與溫度和應變呈線性關系的特性，建立關于溫度和應變的二元一次方程組，通過求解方程組獲得傳感光纖每一位置處的溫度和應變，進而獲得沿整條傳感光纖分布的溫度和應變。[0007]上述分布式溫度與應變同時測量方法，所述傳感測量系統(tǒng)包括窄線寬可調諧激光器、兩個光纖耦合器、光移頻器、光開關、光脈沖調制器、兩個擾偏器、光放大器、光纖環(huán)行器、恒溫參考光纖、傳感光纖、X形光纖耦合器、平衡光電檢測器、微波帶通濾波器、微波放大器、微波檢波器、信號處理與控制單元；窄線寬可調諧激光器發(fā)出的激光經(jīng)第一光纖耦合器分為兩路:第一路經(jīng)光移頻器進入第二光纖耦合器，第二路輸入到光開關的端口 a ;第二光纖耦合器的輸出光分為兩路:第一路依次經(jīng)光脈沖調制器、第一擾偏器、光放大器輸入到光纖環(huán)行器的輸入端d，第二路輸入到光開關的端口 b ;光開關的端口 c經(jīng)第二擾偏器連接到X形光纖稱合器的一個輸入端；光纖環(huán)行器的端口 e輸出的入射光經(jīng)參考光纖輸入到傳感光纖，散射光從光纖環(huán)行器的端口 f輸出到X形光纖稱合器的另一輸入端；X形光纖稱合器的兩輸出端連接平衡光電檢測器的輸入端；平衡光電檢測器輸出的差頻布里淵散射信號依次經(jīng)微波帶通濾波器、微波放大器和微波檢波器送入信號處理與控制單元，平衡光電檢測器輸出的瑞利散射信號直接送入信號處理與控制單元，光移頻器、光脈沖調制器和光開關的時序控制端接信號處理與控制單元。
[0008]上述分布式溫度與應變同時測量方法，它按以下步驟進行處理:
a.布里淵散射譜頻移5?的測量
信號處理與控制單元控制光開關的a端與c端接通，使傳感測量系統(tǒng)工作于BOTDR模式，通過光移頻器對窄線寬可調諧激光器發(fā)出的激光進行上頻率偏移掃頻，信號處理與控制單元檢測出沿光纖分布的布里淵散射譜，通過對布里淵散射譜進行洛侖茲擬合，得到布
里淵散射譜中心頻車4 ,進而求得布里淵散射譜頻移3? = 4 ，其中，H為預先測定
的光纖在O °C和零應變狀態(tài)下的布里淵散射譜中心頻率；
b.瑞利散射譜頻移5士的測量
信號處理與控制單元控制光開關的b端與c端接通，使測量系統(tǒng)工作于COTDR模式，通過光移頻器對窄線寬可調諧激光器發(fā)出的激光進行上頻率偏移掃頻，信號處理與控制單元測量出實測瑞利散射譜，并與基準瑞利散射譜作互相關運算，由互相關峰值位置計算出實
測瑞利散射譜相對基準瑞利散射譜的頻率偏移% ;
c.溫度與應變的解調
利用布理淵散射譜和瑞利散射譜的頻移與溫度和應變呈線性關系的特性，建立下列二元一次方程組:
【權利要求】
1.一種分布式溫度與應變同時測量方法，其特征是，所述方法以共用同一套光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的布里淵光時域反射計(BOTDR)和相干光時域反射計(COTDR)為傳感測量系統(tǒng)，所述傳感測量系統(tǒng)輪流工作于BOTDR模式和COTDR模式，測量出沿單根單模傳感光纖分布的布里淵散射譜和瑞利散射譜，并檢測出布里淵散射譜的頻移和瑞利散射譜的頻移，然后根據(jù)兩種散射譜頻移與溫度和應變呈線性關系的特性，建立關于溫度和應變的二元一次方程組，通過求解方程組獲得傳感光纖每一位置處的溫度和應變，進而獲得沿整條傳感光纖分布的溫度和應變。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種分布式溫度與應變同時測量方法，其特征是，所述傳感測量系統(tǒng)包括窄線寬可調諧激光器(I)、兩個光纖耦合器、光移頻器(3)、光開關(4)、光脈沖調制器(6)、兩個擾偏器、光放大器(8)、光纖環(huán)行器(9)、恒溫參考光纖(10)、傳感光纖(11)、X形光纖耦合器(13)、平衡光電檢測器(14)、微波帶通濾波器(15)、微波放大器(16)、微波檢波器(17)、信號處理與控制單元(18);窄線寬可調諧激光器(I)發(fā)出的激光經(jīng)第一光纖耦合器(2)分為兩路:第一路經(jīng)光移頻器(3)進入第二光纖耦合器(5)，第二路輸入到光開關(4)的端口 a ;第二光纖耦合器(5)的輸出光分為兩路:第一路依次經(jīng)光脈沖調制器(6)、第一擾偏器(7)、光放大器(8)輸入到光纖環(huán)行器(9)的輸入端d,第二路輸入到光開關(4)的端口 b ;光開關(4)的端口 c經(jīng)第二擾偏器(12)連接到X形光纖耦合器(13)的一個輸入端；光纖環(huán)行器(9)的端口 e輸出的入射光經(jīng)參考光纖(10)輸入到傳感光纖(11),散射光從光纖環(huán)行器(9)的端口 f輸出到X形光纖稱合器(13)的另一輸入端；X形光纖I禹合器(13)的兩輸出端連接平衡光電檢測器(14)的輸入端；平衡光電檢測器(14)輸出的差頻布里淵散射信號依次經(jīng)微波帶通濾波器(15)、微波放大器(16)和微波檢波器(17)送入信號處理與控制單元(18)，平衡光電檢測器(14)輸出的瑞利散射信號直接送入信號處理與控制單元(18)，光移頻器(3)、光脈沖調制器(6)和光開關(4)的時序控制端接信號處理與控制單元(18)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種分布式溫度與應變同時測量方法，其特征是，它包括以下步驟: a.布里淵散射譜頻移.5?的測量 信號處理與控制單元(18)控制光開關(4)的a端與c端接通，使傳感測量系統(tǒng)工作于BOTDR模式，通過光移頻器(3)對窄線寬可調諧激光器(I)發(fā)出的激光進行上頻率偏移掃頻，信號處理與控制單元(18)檢測出沿光纖分布的布里淵散射譜，通過對布里淵散射譜進行洛侖茲擬合，得到布里淵散射譜中心頻率Vi ,進而求得布里淵散射譜頻移5? = Va - Vm，其中，為預先測定的光纖在O °C和零應變狀態(tài)下的布里淵散射譜中心頻率； b.瑞利散射譜頻移的測量 信號處理與控制單元(18)控制光開關(4)的b端與c端接通，使測量系統(tǒng)工作于COTDR模式，通過光移頻器(3)對窄線寬可調諧激光器(I)發(fā)出的激光進行上頻率偏移掃頻，信號處理與控制單元(18)測量出實測瑞利散射譜，并與基準瑞利散射譜作互相關運算，由互相關峰值位置計算出實測瑞利散射譜相對基準瑞利散射譜的頻率偏移; c.溫度與應變的解調利用布理淵散射譜和瑞利散射譜的頻移與溫度和應變呈線性關系的特性，建立下列二元一次方程組:
4.根據(jù)權利要求3所述的一種分布式溫度與應變同時測量方法，其特征是，布里淵頻移的溫度系數(shù)和應變系數(shù)C1、瑞利散射譜頻移的溫度系數(shù)Cjir和應變系數(shù)通過標定獲得，標定步驟如下: a.布里淵頻移的溫度系數(shù)CV和應變系數(shù)的標定 ①信號處理與控制單元(18)控制光開關(4)的a端與c端接通，使測量系統(tǒng)工作于BOTDR模式，將傳感光纖置于0°C的恒溫箱中，并使之處于零應變狀態(tài)，通過光移頻器(3)對窄線寬可調諧激光器(I)發(fā)出的激光進行上頻率偏移掃頻，信號處理與控制單元(18)檢測出沿光纖分布的布里淵散射譜，通過對布里淵散射譜進行洛侖茲擬合，得到沿光纖分布的布里淵散射譜中心頻率； ②將放置光纖的恒溫箱溫度依次調節(jié)為0°C、10°C、20°C、30°C、40°C、50°C，分別測得光纖布里淵散射譜中心頻率，通過線性擬合獲得布里淵頻移的溫度系數(shù)CV ； ③將傳感光纖置于恒定溫度環(huán)境，對光纖進行拉伸，使光纖應變分別為0、100μ e、200 μ e、300 μ e、400 μ e、500 μ e，分別測得光纖布里淵散射譜中心頻率，通過線性擬合獲得布里淵頻移的應變系數(shù)^*& ； b.瑞利散射譜頻移的溫度系數(shù)Cisr和應變系數(shù)的標定 ①信號處理與控制單元(18)控制光開關(4)的b端與c端接通，使測量系統(tǒng)工作于COTDR模式，參考光纖的溫度設置為恒定值，應變設置為零；放置傳感光纖的恒溫箱溫度設置為0°C，對窄線寬可調諧激光器(I)發(fā)出的激光進行上頻率偏移掃頻，信號處理與控制單元(18)測量出實測瑞利散射譜； ②按照上述方法測得傳感光纖分別在0°C、10°C、20°C、30°C、40°C、50°C時的瑞利散射譜，通過與0°C瑞利散射譜進行頻域互相關運算，計算出上述各溫度點相對于0°C時的瑞利散射譜的頻移，再通過線性擬合獲得瑞利散射譜頻移的溫度系數(shù)CV ； ③將傳感光纖置于恒定溫度狀態(tài)，對其進行拉伸，使傳感光纖應變分別為0、100μe、200 μ e、300 μ e、400 μ e、500 μ e，分別測得傳感光纖的瑞利散射譜，通過與零應變?nèi)鹄⑸渥V進行頻域互相關運算，計算出上述各應變量相對于零應變時的瑞利散射譜的頻移，再通過線性擬合獲得瑞利散射譜頻移的應變系數(shù)。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種分布式溫度與應變同時測量方法，其特征是，所述窄線寬可調諧激光器(I)所輸出激光的波長位于光纖通信C波段，其線寬小于IMHz。
【文檔編號】G01K11/32GK103674084SQ201310685896
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權日:2013年12月16日
【發(fā)明者】楊志, 李永倩, 尚秋峰, 趙麗娟 申請人:華北電力大學（保定）