用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法

摘要

本发明公开了一种用于提高布里渊光时域反射仪BOTDR应变和温度分离精度的方法，首先利用BOTDR得到的光纤中布里渊频移曲线和功率曲线联合解调出光纤的应变曲线和温度曲线。然后通过对温度曲线和应变曲线进行滑动平均，以减小温度曲线和应变曲线的波动。通过对温度曲线和应变曲线的对比，确定出光纤中温度、应变以及温度应变共同变化的区域。再利用布里渊频移曲线，根据各种状态对应的区域准确求出光纤中的温度、应变分布。本发明不需要增加额外的传感设备或光纤，实现方法简单，并且相对于直接利用布里渊频移和功率进行温度和应变的分离方法，不需准确标定光纤的布里渊功率‑应变系数和布里渊功率‑温度系数，同时显著提高了测量精度。

权利要求

1.一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据BOTDR测得的光纤中布里渊频移曲线和布里渊功率曲线，对光纤的应变和温度分布进行预分离，得到光纤的应变分布曲线和温度分布曲线；

步骤二、从步骤一得到的光纤的应变分布曲线中找出应变发生变化和未发生变化的区域，从步骤一得到的温度分布曲线中找出温度发生变化和未发生变化的区域；

步骤三、对于步骤二中得到的温度未发生变化的区域，根据布里渊频移和温度关系，利用步骤一中得到的布里渊频移求出温度未发生变化的区域的温度均值，将该温度均值作为该区域任意位置的温度；

对于步骤二中得到的与应变变化区域没有重叠的温度变化区域，根据布里渊频移和温度关系，利用步骤一中得到的布里渊频移得到该温度变化区域的温度大小；

对于步骤二中得到的与应变变化区域有部分重叠的温度变化区域，截取温度变化区域中不与应变变化区域重叠的部分区域，先根据布里渊频移和温度的关系，利用步骤一中得到的该部分区域的布里渊频移求出该部分区域的温度均值，然后将此温度均值视为与应变变化区域有部分重叠的温度变化区域的温度；

通过以上过程即得到整根光纤的温度分布；

步骤四、利用步骤三中得到的整根光纤的温度分布，换算得到温度引起的布里渊频移分布，再将整根光纤测量得到的布里渊频移与温度引起的布里渊频移分布相减，得到光纤沿线布里渊频移差的分布，再将此布里渊频移差的分布利用布里渊频移和应变的关系换算得到整根光纤的应变分布。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法，其特征在于，所述步骤一中对光纤的应变和温度进行预分离的方法为利用布里渊频移和功率信号，结合布里渊频移与应变系数Cνε、布里渊频移与温度系数CνT、布里渊功率与应变系数CPε和布里渊功率与温度系数CPT通过求解公式(1)得到；

其中，νB0、PB0分别为预测量得到的布里渊频移和布里渊功率，νB、PB分别为测量得到的布里渊频移和布里渊功率，ε为预分离得到的应变，T为预分离得到的温度。

3.根据权利要求1所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法，其特征在于，所述步骤一中对光纤的应变和温度分布进行预分离后还采用滑动平均的方法对光纤的应变分布曲线和温度分布曲线进行平滑处理。

4.根据权利要求1所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法，其特征在于，所述步骤一中对光纤的应变和温度分布进行预分离后还采用小波变换信号处理方法来减小光纤的应变分布曲线和温度分布曲线的波动。

5.根据权利要求1所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法，其特征在于，所述步骤二中确定应变分布曲线和温度分布曲线中发生变化和未发生变化的区域的方法为求导法。

说明书

用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种用于提高布里渊光时域反射仪BOTDR应变和温度分离精度的方法。

背景技术

[0002] 光纤传感技术是从20世纪70年代发展而来的一门崭新的技术，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以多元化的姿态迅猛发展。当光在光纤中传输时，由于光纤受外界扰动、温度、应变、位移等环境因素的影响，光信号的功率、频率、波长、相位、偏振态等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。

[0003] 当一束短脉冲光入射到光纤时，会产生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等多种散射。其中布里渊散射也是一种非弹性散射，它是由于光波与光纤中整体运动着的分子相互作用产生。对1 550nm的光波而言，其布里渊散射光相对于入射光会有约11GHz左右的频移，这被称为布里渊频移(BFS)。光纤中的布里渊散射光的功率和频移与光纤所受的温度或应变成线形关系，通过测量布里渊散射光的频移和温度，便可对光纤所受的应变或温度进行测量。

[0004] BOTDR是一种基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。它通过向光纤中发射脉冲光，并在光纤的同一端接收布里渊散射光，利用光电接收器将布里渊散射光转换为电信号后再利用数据采集处理装置进行采集和处理，最后得到布里渊散射光的频移信息，从而实现对光纤沿线的应变或温度的传感。

[0005] 然而由于布里渊散射光的频移与应变和温度均有线性关系。因此如何将应变测量和温度测量分离受到了许多的关注，是BOTDR应用中的一个重要问题。长期以来，也出现了许多利用BOTDR同时进行应变和温度测量的方法。T.R.Parker等通过同时探测布里渊散射光的频移和功率，利用光纤应变、温度与布里渊频移、功率具有不同的线性关系这一特性进行应变和温度的同时测量，但由于BOTDR对布里渊散射光功率的测量误差较大，这一方法得到的应变温度分离精度较差。M.A。Davis等提出利用BOTDR和光栅传感的技术同时进行应变和温度的测量，但这种方法需要利用同时铺设光栅作为传感器，使用较为复杂，而且光栅不能够进行分布式测量。C.C.Lee等提出利用色散位移光纤中布里渊散射光频谱中的多个峰值对应的频移进行应变和温度的测量，但这种方式需要特殊的光纤作为传感光纤，另外对多个布里渊峰的频移进行处理时需要较为复杂的处理方法。M.N.Alahbabi等提出同时利用布里渊散射光和拉曼散射光进行应变和温度的测量，但该方法需要同时对布里渊散射光和拉曼散射光进行解调，解调系统复杂，成本较高，同时拉曼散射的传感距离也较短。现有BOTDR应变温度交叉敏感分离时，存在测量精度较低的问题。因此，在利用BOTDR进行传感测量时，应变和温度的分离仍是一个有待进一步解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种用于提高布里渊光时域反射仪BOTDR应变和温度分离精度的方法，本发明是基于信号综合分析和处理的方法来提高BOTDR应变温度分离测量的精度。

[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0008] 根据本发明提出的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一、根据BOTDR测得的光纤中布里渊频移曲线和布里渊功率曲线，对光纤的应变和温度分布进行预分离，得到光纤的应变分布曲线和温度分布曲线；

[0010] 步骤二、从步骤一得到的光纤的应变分布曲线中找出应变发生变化和未发生变化的区域，从步骤一得到的温度分布曲线中找出温度发生变化和未发生变化的区域；

[0011] 步骤三、对于步骤二中得到的温度未发生变化的区域，根据布里渊频移和温度关系，利用步骤一中得到的布里渊频移求出温度未发生变化的区域的温度均值，将该温度均值作为该区域任意位置的温度；

[0012] 对于步骤二中得到的与应变变化区域没有重叠的温度变化区域，根据布里渊频移和温度关系，利用步骤一中得到的布里渊频移得到该温度变化区域的温度大小；

[0013] 对于步骤二中得到的与应变变化区域有部分重叠的温度变化区域，截取温度变化区域中不与应变变化区域重叠的部分区域，先根据布里渊频移和温度的关系，利用步骤一中得到的该部分区域的布里渊频移求出该部分区域的温度均值，然后将此温度均值视为与应变变化区域有部分重叠的温度变化区域的温度；

[0014] 步骤四、利用步骤三中得到的整根光纤的温度分布换算得到温度引起的布里渊频移分布，再将整根光纤测量得到的布里渊频移与温度引起的布里渊频移分布相减，得到光纤沿线布里渊频移差的分布，再将此布里渊频移差的分布利用布里渊频移和应变的关系换算得到整根光纤的应变分布。

[0015] 作为本发明所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法进一步优化方案，所述步骤一中对光纤的应变和温度进行预分离的方法为利用布里渊频移和功率信号，结合布里渊频移与应变系数Cνε、布里渊频移与温度系数CνT、布里渊功率与应变系数CPε和布里渊功率与温度系数CPT通过求解公式(1)得到；

[0016]

[0017] 其中，νB0、PB0分别为预测量得到的布里渊频移和布里渊功率，νB、PB分别为测量得到的布里渊频移和布里渊功率，ε为预分离得到的应变，T为预分离得到的温度。

[0018] 作为本发明所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法进一步优化方案，所述步骤一中对光纤的应变和温度分布进行预分离后还采用滑动平均的方法对光纤的应变分布曲线和温度分布曲线进行平滑处理。

[0019] 作为本发明所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法进一步优化方案，所述步骤一中对光纤的应变和温度分布进行预分离后还采用小波变换信号处理方法来减小光纤的应变分布曲线和温度分布曲线的波动。

[0020] 作为本发明所述的一种用于提高布里渊光时域反射仪应变和温度分离精度的方法进一步优化方案，所述步骤二中确定应变分布曲线和温度分布曲线中发生变化和未发生变化的区域的方法为求导法。

[0021] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：只需使用单一的BOTDR传感装置，比直接利用布里渊频移和温度进行的应变、温度分离的测量精度提高5倍以上，同时不需要准确标定光纤的布里渊功率-应变系数和布里渊功率-温度系数；本发明可提高BOTDR应变温度分离测量的精度。

附图说明

[0022] 图1是实验装置图。

[0023] 图2是预先测量的传感光纤中的布里渊频移分布图。

[0024] 图3是预先测量的传感光纤中的布里渊功率分布图。

[0025] 图4是传感光纤施加温度、应变的示意图。

[0026] 图5是测量得到的传感光纤中的布里渊频移变化图。

[0027] 图6是应变温度分离后得到的应变分布图。

[0028] 图7是应变温度分离后得到的温度分布图。

[0029] 图8是沿应变分布图求二次导数后的结果。

[0030] 图9是沿温度分布图求二次导数后的结果。

[0031] 图10是利用布里渊频移曲线求得的应变分布曲线。

[0032] 图11是利用布里渊频移曲线求得的温度分布曲线。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0034] 本发明的步骤一中对光纤的应变和温度分布进行预分离后还采用滑动平均的方法对光纤的应变分布曲线和温度分布曲线进行平滑处理，增加滑动平均窗口中的数据点数可以减小预分离应变和温度分布曲线的波动。但通常应变、温度分布曲线中发生变化的位置会有一定长度的平台，过大的平滑窗口会将这一平台消除。因此滑动平均窗口中的数据点数量应限制在使应变、温度曲线中的变化区域仍有较明显的平台。

[0035] 本发明的确定应变分布曲线和温度分布曲线中发生变化和未发生变化的区域按照如下方法进行。沿曲线沿线进行数值求导，对于某一个发生应变或温度变化的位置，会引起导数曲线中出现沿位置顺序分布的一正一负两个平台。正值对应变化区域的上升沿，负值对应下降沿。将正值的起点位置与步骤二中平滑窗口对应的长度相加，即得到变化区域的起始位置，将负值的起点位置与步骤二中平滑窗口对应的长度相加，即得到变化区域的结束位置。

[0036] 以一个实际的测量实例作详细说明：

[0037] 所采用的实验装置图如图1所示，传感光纤长度约为5000m，通过将传感光纤与BOTDR相连接，利用BOTDR测量光纤中的应变温度分布情况。首先在传感光纤没有受到任何外界因素时，利用BOTDR进行预先测量。BOTDR在对光纤中的布里渊信号进行测量后，通过曲线拟合方法得到的传感光纤中的布里渊频移和布里渊功率分布图分别如图2和图3所示。

[0038] 然后在传感光纤的末端的一段长度上施加应变和温度，施加情况如图4所示，其中应变区的应变大小为900με，，加热区与室温的温差为36℃。利用BOTDR再次测量，得到了传感光纤新的布里渊频移分布，将之与图2中预先测量的布里渊频移分布图相减，可得到布里渊频移变化的分布，如图5所示。从图5中的布里渊频移变化的分布曲线中可以看到，传感光纤的末端产生了变化，但无法识别是由应变还是温度变化所引起。然后利用式(1)所表示的应变温度分离方法进行应变和温度的分离；

[0039]

[0040] 其中，νB0、PB0分别为预测量得到的布里渊频移和布里渊功率，νB、PB分别为测量得到的布里渊频移和布里渊功率，ε为预分离得到的应变，T为预分离得到的温度；

[0041] 布里渊频移-应变系数Cνε＝0.0498MHz/με、布里渊频移-温度系数CνT＝1.01MHz/℃、布里渊功率-应变系数CPε＝-1×10-4％/με和布里渊功率-温度系数CPT＝0.27％/℃。可得到分离后的应变、温度分布图分别如图6和图7所示。从图6和图7可以看到，尽管直接利用式(1)可以实现对应变和温度的分离，但是得到的应变和温度波动较大，应变的波动范围约为450με，温度的波动范围约为18℃。并且要测得应变和温度的准确值，需要准确标定传感光纤的布里渊功率-应变系数和布里渊功率-温度系数。

[0042] 接着根据图6和图7的预分离结果，对两幅图中的曲线分别连续做两次数值求导，得到的二次导数结果如图8和图9所示。从图8中可以看到，应变曲线二次导数分布中，在约4815m和4827m处有两个尖峰，表明这两个位置分别为应变突变的起始位置和结束位置，因此可以判定该位置处存在应变。而图9中的温度曲线二次导数分布曲线上与之对应的光纤段没有异常变化，表明该段没有温度的变化。同时图9中的温度曲线二次导数分布曲线上在
4827m和4863m两个位置有两个尖峰，表明这段光纤上存在温度的变化，而对应的图8中的这段曲线没有变化，表明这段光纤没有同时受到应变的影响。因此通过图8和图9可以判断出
4815m至4827m这段光纤仅有应变的变化，同时4827m至4863m这段光纤仅有温度的变化。而其它位置无论在应变二次求导曲线还是温度二次求导曲线上均再没有明显的尖峰，表明光纤其它位置没有应变和温度的变化。

[0043] 基于以上判断，再利用图2得到的布里渊频移曲线，结合布里渊频移-应变系数Cνε＝0.0498MHz/με、布里渊频移-温度系数CνT＝1.01MHz/℃，可分别求得4815m至4827m这段光纤的准确应变变化和4827m至4863m这段光纤的准确温度变化情况，求得的结果如图10和图11所示。从图10中可以看出，求得的应变段应变大小约为900με，与施加的应变大小相符。由于应变施加的不均匀，难以看出应变的波动情况，但从图11的波动情况可以看出使用本发明提出的方法，其波动范围约为2℃，同时测得的加温区的温度变化量约为37℃，与施加的温度情况相符。

[0044] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。