一种分布式温度与应变同时测量方法

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。

主权项

一种分布式温度与应变同时测量方法，其特征是，该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；所述传感测量系统包括窄线宽可调谐激光器(1)、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、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(1)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形光纤耦合器(13)的另一输入端；X形光纤耦合器(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)；所述分布式温度与应变同时测量方法包括以下步骤：a.布里渊散射谱频移δv_B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(1)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v_B，进而求得布里渊散射谱频移δv_B＝v_B‑v_B0，其中，v_B0为预先测定的光纤在0℃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δv_R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(1)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δv_R；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：δv_B＝C_BT·δT+C_Bε·δεδv_R＝C_RT·δT+C_Rε·δε式中，δT为温度变化量，δε为应变变化量，C_BT和C_Bε分别为布里渊频移的温度系数和应变系数，C_RT和C_Rε分别为瑞利散射谱频移的温度系数和应变系数，求解该方程组即可得到温度变化量δT和应变变化量δε，进而解调出温度和应变；布里渊频移的温度系数C_BT和应变系数C_Bε、瑞利散射谱频移的温度系数C_RT和应变系数C_Rε通过标定获得，标定步骤如下：a.布里渊频移的温度系数C_BT和应变系数C_Bε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℃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(1)发出的激光进行上频率偏移扫频，信号处理与控制单元(18)检测出沿传感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，得到沿传感光纤分布的布里渊散射谱中心频率；②将放置传感光纤的恒温箱温度依次调节为0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，分别测得传感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C_BT；③将传感光纤置于恒定温度环境，对传感光纤进行拉伸，使传感光纤应变分别为0、100με、200με、300με、400με、500με，分别测得传感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C_Bε；b.瑞利散射谱频移的温度系数C_RT和应变系数C_Rε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℃，对窄线宽可调谐激光器(1)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测得传感光纤分别在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃时的瑞利散射谱，通过与0℃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℃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C_RT；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、100με、200με、300με、400με、500με，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C_Rε。