[发明专利]一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法

摘要

本发明公开了属于光纤传感测量技术领域，特别涉及一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法。该方法在已敷设传感光纤的始端插入参考光纤，让参考光纤处于恒定的温度和应变下，以参考光纤的布里渊谱峰功率为参考，对传感光纤的布里渊谱峰功率实时测量值进行归一化；根据光纤布里渊散射功率方程，结合工程现场已敷设传感光纤的温度分布规律，通过试探法确定已敷设传感光纤在已知温度和零应变下的布里渊谱峰功率初值；最后根据布里渊频移和相对谱峰功率与光纤温度和应变的关系方程，解算出工程现场已敷设传感光纤的实际温度和应变。本发明解决了布里渊谱峰功率初值难以确定、测量精度低等问题，具有成本低、适合工程应用等优点。

主权项

一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：取传感光纤样品不少于5米，标定传感光纤样品的布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数，标定初始温度和应变下的布里渊频移初始值，具体方法如下：(1)将传感光纤样品松弛盘绕放入恒温装置内，在保证传感光纤样品不受应变的前提下，设置恒温设备分别工作在5个以上的等间隔温度点，间隔不小于5℃，利用BOTDR测量传感光纤样品中的布里渊频移和谱峰功率，利用最小二乘法分别拟合恒温装置内传感光纤样品在长度上的布里渊频移均值与温度数据、相对谱峰功率均值与温度数据，得到传感光纤样品布里渊频移和相对谱峰功率的温度系数，以及温度T0且零应变下的布里渊频移初值；(2)利用应变施加装置对传感光纤样品施加5个以上的等间隔应变点，应变间隔不小于500uε，保证应变施加装置处于恒定的温度下，利用BOTDR测量传感光纤样品中的布里渊频移和谱峰功率，利用最小二乘法分别拟合传感光纤样品在应变施加区间内长度上的布里渊频移均值与应变数据、相对谱峰功率均值与应变数据，得到布里渊频移和相对谱峰功率的应变系数；步骤2：在工程现场已敷设传感光纤的始端，传感光纤和BOTDR之间插入50米以上G.652型普通单模裸纤作为参考光纤，让参考光纤处于恒定的温度和应变下，以参考光纤的布里渊谱峰功率为参考，对传感光纤的布里渊谱峰功率实时测量值进行归一化，具体方法如下：(1)开启BOTDR，对包含参考光纤和传感光纤的全部光纤进行实时测量，记录全部光纤的布里渊信号数据，包括布里渊频移vBi(z)、谱峰功率PBi(z)和谱宽记录全部光纤的布里渊信号数据，包括布里渊频移vBi(z)、谱峰功率PBi(z)和谱宽BWBi(z)数据，其中，i＝1，2，3...是测量次数，z是全部光纤上的位置；(2)利用参考光纤上的谱峰功率测量值计算乘性噪声变化倍数CNM(i)＝mean(PBi(z))/mean(PB1(z))，其中，z是参考光纤上的位置，mean()是求均值函数；(3)计算传感光纤的实时归一化谱峰功率PB_norm，i(z)＝PBi(z)/CNM(i)，z是传感光纤上的位置；步骤3：确定已敷设传感光纤在温度T0且零应变下的布里渊谱峰功率初值，具体方法如下：(1)在传感光纤上寻找温度稳定可测且应变为零的区间C，用温度计测量区间C的温度T1，同时，取传感光纤当前时刻的归一化布里渊信号数据；(2)用方程PB0(z)＝a·ebz表示布里渊谱峰功率分布，设置a的值为1，在‑1至+1区间内试探b的取值，获得相应的布里渊谱峰功率分布值，带入步骤4中的温度和应变计算公式，计算出传感光纤的温度曲线，观察曲线斜率，根据传感光纤现场温度分布特点判断传感光纤应有的分布规律，确定正确的斜率，最终确定系数b；(3)将确定的系数b带入步骤3的(2)中公式，在‑1至+1区间内试探a的取值，获得相应的布里渊谱峰功率分布值，带入步骤4中的温度和应变计算公式，计算出传感光纤的温度曲线，观察传感光纤区间C上的温度计算值，若计算值等于T1，则此时的a就是正确的取值；(4)将确定的系数a和b代入步骤3的(2)中公式，计算出PB0(z)就是传感光纤在温度T0且零应变下的布里渊谱峰功率初值；步骤4：利用步骤1中获得的传感光纤样品布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数、温度T0且零应变下的布里渊频移初值，步骤2获得的实时归一化谱峰功率，步骤3获得的已敷设传感光纤布里渊谱峰功率初值，以及布里渊频移实时测量值，根据下式计算传感光纤的温度和应变分布：T(z)ϵ(z)=1CCPϵ-Cvϵ-CPTCvTvB(z)-vB0PB(z)-PB0(z)PB0(z)+T00]]>其中，T(z)和ε(z)是传感光纤z处的温度和应变，C＝|CvTCPε‑CvεCPT|≠0，CvT和别为布里渊频移的温度和应变系数，CPT和别为布里渊相对谱峰功率的温度和应变系数，vB(z)是传感光纤z处的布里渊频移实时测量值，vB0是传感光纤在温度T0且零应变下的初始频移，PB(z)是传感光纤z处的布里渊谱峰功率实时测量值，PB0(z)是温度T0且零应变下传感光纤z处的谱峰功率初始值。