一种分布式温度与应变同时测量方法
【专利摘要】一种分布式温度与应变同时测量方法，它以共用同一套光路系统和电路系统的布里渊光时域反射计和相干光时域反射计为传感测量系统，所述传感测量系统轮流工作于BOTDR模式和COTDR模式，测量出沿单根单模传感光纤分布的布里渊散射谱和瑞利散射谱，并检测出布里渊散射谱的频移和瑞利散射谱的频移，然后根据两种散射谱频移与温度和应变呈线性关系的特性，建立关于温度和应变的二元一次方程组，通过求解方程组获得传感光纤每一位置处的温度和应变，进而获得沿整条传感光纤分布的温度和应变。本发明大大降低了系统的复杂性和制造成本，而且对光纤布里渊频移系数没有特别要求，扩大了测量系统的适用范围。
【专利说明】一种分布式温度与应变同时测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用单根光纤实现分布式温度与应变同时测量的方法，属于测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光纤传感技术由于具有抗电磁干扰能力强、设备易于安装、绝缘性好、灵敏度高等优点，在电力、建筑、土木工程等领域受到了越来越多的重视。BOTDR(Brillc)Uin OpticalTime Domain Reflectometry,布里渊光时域反射计)通过测量入射光脉冲在光纤中的布里渊散射谱频移来进行温度和应变的测量，但存在布里渊频移的温度和应变交叉敏感问题，导致温度和应变无法区分，限制了该技术的应用。COTDR(Coherent Optical Time DomainReflectometry,相干光时域反射计)通过测量由相干光源发出的入射光脉冲在光纤中的瑞利散射谱频移来进行温度和应变测量，但也存在瑞利散射谱频移的温度和应变交叉敏感问题，导致温度和应变无法区分，因而也限制了该技术的应用。
[0003]利用光纤的拉曼散射可进行温度的分布式测量，但不能进行应变的分布式测量。
[0004]目前，利用光纤传感技术对分布式温度和应变同时进行测量时通常采用双光纤法，该方法有两种方案，一种方案是两根光纤并行铺设，两根光纤布里渊频移的温度、应变系数不同，测量两根光纤的布里渊频移，通过联立方程组求解温度和应变，该方法只适用于特殊定制光纤，不能应用于通信用光缆或光电复合缆。另一种双光纤方案同样是两根光纤并行铺设，其中一根光纤只受温度影响，另一根同时受温度和应变的影响，测量两根光纤的布里渊频移，通过联立方程组求解温度和应变，这种方案也不适用于已经铺设的通信用光缆或光电复合缆。另外，将拉曼光纤分布式测温技术与布里渊技术相结合的测量方法可应用于单根光纤，但这种方法需要两套光路系统，其系统结构复杂，成本高，而且很难应用于单模光纤。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种利用单根光纤和单套光路系统对分布式温度与应变同时进行测量的方法，在减少设备投资的同时，扩大测量系统的适用范围。
[0006]本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
一种分布式温度与应变同时测量方法，它以共用同一套光路系统和电路系统的布里渊光时域反射计(BOTDR)和相干光时域反射计(COTDR)为传感测量系统，所述传感测量系统轮流工作于BOTDR模式和COTDR模式，测量出沿单根单模传感光纤分布的布里渊散射谱和瑞利散射谱，并检测出布里渊散射谱的频移和瑞利散射谱的频移，然后根据两种散射谱频移与温度和应变呈线性关系的特性，建立关于温度和应变的二元一次方程组，通过求解方程组获得传感光纤每一位置处的温度和应变，进而获得沿整条传感光纤分布的温度和应变。[0007]上述分布式温度与应变同时测量方法，所述传感测量系统包括窄线宽可调谐激光器、两个光纤耦合器、光移频器、光开关、光脉冲调制器、两个扰偏器、光放大器、光纤环行器、恒温参考光纤、传感光纤、X形光纤耦合器、平衡光电检测器、微波带通滤波器、微波放大器、微波检波器、信号处理与控制单元；窄线宽可调谐激光器发出的激光经第一光纤耦合器分为两路:第一路经光移频器进入第二光纤耦合器，第二路输入到光开关的端口 a ;第二光纤耦合器的输出光分为两路:第一路依次经光脉冲调制器、第一扰偏器、光放大器输入到光纤环行器的输入端d，第二路输入到光开关的端口 b ;光开关的端口 c经第二扰偏器连接到X形光纤稱合器的一个输入端；光纤环行器的端口 e输出的入射光经参考光纤输入到传感光纤，散射光从光纤环行器的端口 f输出到X形光纤稱合器的另一输入端；X形光纤稱合器的两输出端连接平衡光电检测器的输入端；平衡光电检测器输出的差频布里渊散射信号依次经微波带通滤波器、微波放大器和微波检波器送入信号处理与控制单元，平衡光电检测器输出的瑞利散射信号直接送入信号处理与控制单元，光移频器、光脉冲调制器和光开关的时序控制端接信号处理与控制单元。
[0008]上述分布式温度与应变同时测量方法，它按以下步骤进行处理:
a.布里渊散射谱频移5?的测量
信号处理与控制单元控制光开关的a端与c端接通，使传感测量系统工作于BOTDR模式，通过光移频器对窄线宽可调谐激光器发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元检测出沿光纤分布的布里渊散射谱，通过对布里渊散射谱进行洛仑兹拟合，得到布
里渊散射谱中心频车4 ,进而求得布里渊散射谱频移3? = 4 ，其中，H为预先测定
的光纤在O °C和零应变状态下的布里渊散射谱中心频率；
b.瑞利散射谱频移5士的测量
信号处理与控制单元控制光开关的b端与c端接通，使测量系统工作于COTDR模式，通过光移频器对窄线宽可调谐激光器发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元测量出实测瑞利散射谱，并与基准瑞利散射谱作互相关运算，由互相关峰值位置计算出实
测瑞利散射谱相对基准瑞利散射谱的频率偏移% ;
c.温度与应变的解调
利用布理渊散射谱和瑞利散射谱的频移与温度和应变呈线性关系的特性，建立下列二元一次方程组:
【权利要求】
1.一种分布式温度与应变同时测量方法，其特征是，所述方法以共用同一套光路系统和电路系统的布里渊光时域反射计(BOTDR)和相干光时域反射计(COTDR)为传感测量系统，所述传感测量系统轮流工作于BOTDR模式和COTDR模式，测量出沿单根单模传感光纤分布的布里渊散射谱和瑞利散射谱，并检测出布里渊散射谱的频移和瑞利散射谱的频移，然后根据两种散射谱频移与温度和应变呈线性关系的特性，建立关于温度和应变的二元一次方程组，通过求解方程组获得传感光纤每一位置处的温度和应变，进而获得沿整条传感光纤分布的温度和应变。
2.根据权利要求1所述的一种分布式温度与应变同时测量方法，其特征是，所述传感测量系统包括窄线宽可调谐激光器(I)、两个光纤耦合器、光移频器(3)、光开关(4)、光脉冲调制器(6)、两个扰偏器、光放大器(8)、光纤环行器(9)、恒温参考光纤(10)、传感光纤(11)、X形光纤耦合器(13)、平衡光电检测器(14)、微波带通滤波器(15)、微波放大器(16)、微波检波器(17)、信号处理与控制单元(18);窄线宽可调谐激光器(I)发出的激光经第一光纤耦合器(2)分为两路:第一路经光移频器(3)进入第二光纤耦合器(5)，第二路输入到光开关(4)的端口 a ;第二光纤耦合器(5)的输出光分为两路:第一路依次经光脉冲调制器(6)、第一扰偏器(7)、光放大器(8)输入到光纤环行器(9)的输入端d,第二路输入到光开关(4)的端口 b ;光开关(4)的端口 c经第二扰偏器(12)连接到X形光纤耦合器(13)的一个输入端；光纤环行器(9)的端口 e输出的入射光经参考光纤(10)输入到传感光纤(11),散射光从光纤环行器(9)的端口 f输出到X形光纤稱合器(13)的另一输入端；X形光纤I禹合器(13)的两输出端连接平衡光电检测器(14)的输入端；平衡光电检测器(14)输出的差频布里渊散射信号依次经微波带通滤波器(15)、微波放大器(16)和微波检波器(17)送入信号处理与控制单元(18)，平衡光电检测器(14)输出的瑞利散射信号直接送入信号处理与控制单元(18)，光移频器(3)、光脉冲调制器(6)和光开关(4)的时序控制端接信号处理与控制单元(18)。
3.根据权利要求2所述的一种分布式温度与应变同时测量方法，其特征是，它包括以下步骤: a.布里渊散射谱频移.5?的测量 信号处理与控制单元(18)控制光开关(4)的a端与c端接通，使传感测量系统工作于BOTDR模式，通过光移频器(3)对窄线宽可调谐激光器(I)发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元(18)检测出沿光纤分布的布里渊散射谱，通过对布里渊散射谱进行洛仑兹拟合，得到布里渊散射谱中心频率Vi ,进而求得布里渊散射谱频移5? = Va - Vm，其中，为预先测定的光纤在O °C和零应变状态下的布里渊散射谱中心频率； b.瑞利散射谱频移的测量 信号处理与控制单元(18)控制光开关(4)的b端与c端接通，使测量系统工作于COTDR模式，通过光移频器(3)对窄线宽可调谐激光器(I)发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元(18)测量出实测瑞利散射谱，并与基准瑞利散射谱作互相关运算，由互相关峰值位置计算出实测瑞利散射谱相对基准瑞利散射谱的频率偏移; c.温度与应变的解调利用布理渊散射谱和瑞利散射谱的频移与温度和应变呈线性关系的特性，建立下列二元一次方程组:
4.根据权利要求3所述的一种分布式温度与应变同时测量方法，其特征是，布里渊频移的温度系数和应变系数C1、瑞利散射谱频移的温度系数Cjir和应变系数通过标定获得，标定步骤如下: a.布里渊频移的温度系数CV和应变系数的标定 ①信号处理与控制单元(18)控制光开关(4)的a端与c端接通，使测量系统工作于BOTDR模式，将传感光纤置于0°C的恒温箱中，并使之处于零应变状态，通过光移频器(3)对窄线宽可调谐激光器(I)发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元(18)检测出沿光纤分布的布里渊散射谱，通过对布里渊散射谱进行洛仑兹拟合，得到沿光纤分布的布里渊散射谱中心频率； ②将放置光纤的恒温箱温度依次调节为0°C、10°C、20°C、30°C、40°C、50°C，分别测得光纤布里渊散射谱中心频率，通过线性拟合获得布里渊频移的温度系数CV ； ③将传感光纤置于恒定温度环境，对光纤进行拉伸，使光纤应变分别为0、100μ e、200 μ e、300 μ e、400 μ e、500 μ e，分别测得光纤布里渊散射谱中心频率，通过线性拟合获得布里渊频移的应变系数^*& ； b.瑞利散射谱频移的温度系数Cisr和应变系数的标定 ①信号处理与控制单元(18)控制光开关(4)的b端与c端接通，使测量系统工作于COTDR模式，参考光纤的温度设置为恒定值，应变设置为零；放置传感光纤的恒温箱温度设置为0°C，对窄线宽可调谐激光器(I)发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元(18)测量出实测瑞利散射谱； ②按照上述方法测得传感光纤分别在0°C、10°C、20°C、30°C、40°C、50°C时的瑞利散射谱，通过与0°C瑞利散射谱进行频域互相关运算，计算出上述各温度点相对于0°C时的瑞利散射谱的频移，再通过线性拟合获得瑞利散射谱频移的温度系数CV ； ③将传感光纤置于恒定温度状态，对其进行拉伸，使传感光纤应变分别为0、100μe、200 μ e、300 μ e、400 μ e、500 μ e，分别测得传感光纤的瑞利散射谱，通过与零应变瑞利散射谱进行频域互相关运算，计算出上述各应变量相对于零应变时的瑞利散射谱的频移，再通过线性拟合获得瑞利散射谱频移的应变系数。
5.根据权利要求4所述的一种分布式温度与应变同时测量方法，其特征是，所述窄线宽可调谐激光器(I)所输出激光的波长位于光纤通信C波段，其线宽小于IMHz。
【文档编号】G01K11/32GK103674084SQ201310685896
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】杨志, 李永倩, 尚秋峰, 赵丽娟 申请人:华北电力大学（保定）