[發(fā)明專利]一種自外差單端矢量BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610216540.2
• 申請日: 2016-04-07
• 公開（公告）號: CN105783758B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李永倩;張立欣;安琪;何玉鈞;胡智奇
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)（保定）
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01D5/353
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 13108
• 代理人: 李羨民;高錫明

一種自外差單端矢量BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方法及裝置，它利用激光器輸出三路光，第一路產(chǎn)生下移頻的連續(xù)光，第二路作為脈沖基底光，第三路產(chǎn)生雙邊帶結(jié)構(gòu)的編碼脈沖光，將三路光的合成光從傳感光纖的一端入射，其中，第一路和第二路光在傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射光分別作為本振光和探測光，將二者引入光電檢測器中進(jìn)行自外差檢測并提取出所得電信號中的正交及同相分量，然后根據(jù)兩種分量的商與受激布里淵散射相移之間的函數(shù)關(guān)系，求得受激布里淵散射相移值，最后根據(jù)受激布里淵散射相移與動(dòng)態(tài)應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系曲線解調(diào)出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便，可靠性與穩(wěn)定性好，而且可實(shí)現(xiàn)非破壞性的高靈敏度和高信噪比的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種采用自外差檢測單端矢量BOTDA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的分布式測量的方法與裝置，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

基于布里淵光時(shí)域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技術(shù)的分布式傳感技術(shù)以其接收信號強(qiáng)、測量精度高、定位準(zhǔn)確和傳感距離長等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力線纜和設(shè)備、油氣管道及建筑、水利等行業(yè)大型工程結(jié)構(gòu)的健康診斷、故障監(jiān)測及定位等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)需在光纖兩端分別注入相向傳輸?shù)谋闷止夂吞綔y光，當(dāng)泵浦光與探測光的頻率差為布里淵頻移時(shí)，就會(huì)在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射(StimulatedBrillouin Scattering，SBS)作用，通過直接檢測經(jīng)受激布里淵散射作用后的探測光即可實(shí)現(xiàn)分布式溫度/應(yīng)變的測量。但是雙端入射BOTDA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)光纖發(fā)生斷裂時(shí)將無法進(jìn)行檢測，在大范圍測量場合應(yīng)用不方便、可靠性低。1996年，N.Marc等提出利用傳感光纖末端產(chǎn)生的菲涅爾反射光作為探測光，在1.4km傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了35m空間分辨率的單端結(jié)構(gòu)的BOTDA分布式溫度/應(yīng)變測量；2011年，Q.Cui等提出瑞利BOTDA傳感系統(tǒng)，利用基底連續(xù)光在300m傳感光纖中產(chǎn)生的瑞利散射光作為探測光，實(shí)現(xiàn)了3m空間分辨率、1℃溫度測量精度的非破壞性的單端結(jié)構(gòu)的BOTDA分布式傳感系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)BOTDA分布式測量中，一般采用對泵浦光和探測光的頻率差進(jìn)行頻率掃描的方式來實(shí)現(xiàn)布里淵散射增益譜的測量，通過布里淵散射增益譜的布里淵頻移信息來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)溫度/應(yīng)變的解析；但是布里淵散射強(qiáng)度受探測光與泵浦光功率波動(dòng)、偏振噪聲影響大，而強(qiáng)度信息直接決定著布里淵頻移信息的獲取，因此會(huì)降低布里淵頻移的檢測精度，并且由于頻率掃描的方法測量時(shí)間長，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量，因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，基于布里淵散射的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)在分布式光纖傳感領(lǐng)域的研究集中在BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)和布里淵相移動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)等。BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)是通過布里淵增益斜坡分析法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測量，但其受探測光與泵浦光功率波動(dòng)、光源頻率漂移的影響較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，需對泵浦光與探測光的頻率差進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)擬合，測量時(shí)間長，無法響應(yīng)高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號。2011年，A.Zornoza提出布里淵相移BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了160m傳感光纖上1m空間分辨率、1.66kHz測量速率的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量；布里淵相移動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)通過將相移轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻移信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的檢測，該方法不受探測光與泵浦光功率波動(dòng)的影響，具有很好的穩(wěn)定性。但是在傳統(tǒng)的布里淵相移BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)中，利用的是受激布里淵散射增益或損耗，不僅測量靈敏度和系統(tǒng)信噪比低，而且泵浦光與探測光需從光纖兩端分別入射，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)光纖發(fā)生斷裂時(shí)將無法進(jìn)行檢測，在大范圍測量場合應(yīng)用不方便、可靠性低；而利用菲涅爾反射光及瑞利散射光等作為探測光的單端結(jié)構(gòu)的BOTDA系統(tǒng)存在信號弱、噪聲大的缺點(diǎn)，因此目前急需一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便，而且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、快速測量的高可靠性、高靈敏度、高信噪比的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量的方法和測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種自外差單端矢量BOTDA動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方法，以提高動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)非破壞性的高靈敏度、高信噪比的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。