[发明专利]一种单端矢量BOTDA动态应变测量的方法及其测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用单端矢量BOTDA系统实现动态应变的分布式测量的方法与装置，属于测量技术领域。

背景技术

基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技术的分布式传感技术以其接收信号强、测量精度高、定位准确和传感距离长等独特优点，广泛应用于电力线缆和设备、油气管道及建筑、水利等行业大型工程结构的健康诊断、故障监测及定位等领域。

传统BOTDA系统需在光纤两端分别注入相向传输的泵浦光和探测光，当泵浦光与探测光的频率差为布里渊频移时，就会在传感光纤中发生受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)作用，通过直接检测经受激布里渊散射作用后的探测光即可实现分布式温度/应变的测量。在传统BOTDA分布式测量中，一般采用对泵浦光和探测光的频率差进行频率扫描的方式来实现布里渊散射增益谱的测量，通过布里渊散射增益谱的布里渊频移信息来实现静态温度/应变的解析；但是强度信息受探测光与泵浦光功率波动、偏振噪声影响大，而强度信息直接决定着频移信息的获取，因此会降低布里渊频移的检测精度，并且由于频率扫描的方法测量时间长，无法实现实时的动态测量，因而限制了其应用领域。

目前，动态应变测量技术在分布式光纤传感领域的研究集中于：干涉型动态应变测量技术、相位敏感光时域反射(Phase Optical Time Domain Reflectometry，φ-OTDR)动态应变测量技术、BOTDA动态应变测量技术、偏振光时域反射(Polarization Optical Time Domain Reflectometry，POTDR)动态应变测量技术、布里渊相移动态应变测量技术等。干涉型动态应变测量技术是利用外界信号对光纤内传输的光波进行相位、波长、强度和偏振态调制，通过干涉仪检测这些参量的变化，实现动态应变的测量，但该方法易受周边环境噪声因素的影响，系统稳定性差；φ-OTDR动态应变测量技术是利用背向瑞利信号相位的变化进行动态应变信号的测量，但其动态应变测量范围小，信噪比低，大部分仍旧是定性测量；BOTDA动态应变测量技术是通过布里渊增益斜坡分析法来实现动态应变的测量，但其受探测光与泵浦光功率波动、光源频率漂移的影响较大，系统稳定性差，需对泵浦光与探测光的频率差进行扫描和数据拟合，测量时间长，无法响应高频动态应变信号；POTDR动态应变测量技术是利用偏振态的变化实现动态应变的测量，但其频率测量范围小。

2011年，A.Zornoza提出布里渊相移BOTDA动态应变测量技术，实现了160m传感光纤上1m空间分辨率、1.66kHz测量速率的动态应变测量；布里渊相移动态应变测量技术通过将相移转化为相应的频移信息实现动态应变的检测，有效地解决了上述测量技术存在的问题，且该方法不受探测光与泵浦光功率波动的影响，具有很好的稳定性。但是在布里渊相移BOTDA系统中，泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，当光纤发生断裂时将无法进行检测，在大范围测量场合应用不方便、可靠性低，且SBS强度受非本地效应影响严重。因此目前急需一种结构简单、应用方便，而且能同时实现高频、快速、非本地效应小、系统可靠性高的动态应变测量方法与装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种单端矢量BOTDA动态应变测量的方法及其测量装置，以提高动态应变测量系统的可靠性与稳定性，减小非本地效应，实现结构简单、应用方便的高精度动态应变测量。

本发明所述技术问题是以下述技术方案解决的：

一种单端矢量BOTDA动态应变测量的方法，它利用一个窄线宽激光器通过保偏耦合器向合成光信号模块输出连续光，连续光经合成光信号模块后产生由微波调制脉冲基底光与传感脉冲光叠加而成的合成光信号，合成光信号从传感光纤的一端入射，其中微波调制脉冲基底光在传感光纤中产生的背向瑞利散射光作为探测光、传感脉冲光作为泵浦光，探测光与泵浦光发生受激布里渊散射作用，形成携带受激布里渊散射信息的探测光；