[發(fā)明專利]一種基于布里淵增益譜特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)裂縫識(shí)別方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011303735.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-19
• 公開（公告）號(hào): CN112525073B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張東昱;楊洋;徐金龍;倪莉;李惠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/00
• 分類號(hào): G01B11/00;G01B11/02;G01B11/14;G01N21/49
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 張宏威

1.一種基于布里淵增益譜特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)裂縫識(shí)別方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟：

步驟一：采用剪切應(yīng)力滯后傳遞模型，計(jì)算在不同剪切參數(shù)條件下由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同寬度裂縫在測(cè)量光纖內(nèi)所產(chǎn)生的局部應(yīng)變場(chǎng)；

步驟二：根據(jù)差分雙脈沖對(duì)布里淵時(shí)域分析技術(shù)DPP-BOTDA測(cè)量原理，模擬泵浦脈沖光、連續(xù)探測(cè)光和光纖應(yīng)變場(chǎng)的三波耦合作用，得到不同結(jié)構(gòu)裂縫寬度下由DPP-BOTDA測(cè)量獲得的光纖內(nèi)布里淵增益譜；

步驟三：采用洛倫茲模型擬合步驟二所得到的布里淵增益譜，獲得布里淵增益譜的峰值和半功率譜寬兩個(gè)特征參數(shù)；

步驟四：建立描述布里淵增益譜峰值和半功率譜寬兩個(gè)特征參數(shù)在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫前后變化的特征指標(biāo)和

步驟五：根據(jù)布里淵增益譜的峰值和半功率譜寬兩個(gè)特征參數(shù)在裂縫位置處和非裂縫位置處的變化規(guī)律，建立以布里淵增益譜特征指標(biāo)和為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)裂縫識(shí)別指標(biāo)α；計(jì)算沿光纖全長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)裂縫識(shí)別指標(biāo)α，根據(jù)結(jié)構(gòu)裂縫識(shí)別指標(biāo)α數(shù)值進(jìn)行裂縫位置識(shí)別；

所述步驟五具體為：根據(jù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí)，會(huì)引起布里淵增益譜峰值降低和布里淵增益譜半功率譜寬變寬，且其變化規(guī)律具有協(xié)調(diào)一致性，提出式(5)所示的裂縫識(shí)別指標(biāo)α；通過裂縫識(shí)別指標(biāo)α的突然變化，對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫位置進(jìn)行有效識(shí)別定位；裂縫識(shí)別指標(biāo)α主要與由于裂縫產(chǎn)生的局部附加應(yīng)變有關(guān)，出現(xiàn)裂縫前結(jié)構(gòu)應(yīng)變狀態(tài)無關(guān)，使得使用裂縫識(shí)別指標(biāo)α進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫識(shí)別更為魯棒，適用于不同結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)下的裂縫識(shí)別；

步驟六：通過步驟二和步驟三的模擬，能夠獲得結(jié)構(gòu)裂縫處布里淵增益譜峰值和半功率譜寬兩個(gè)特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)裂縫寬度的關(guān)系，建立以特征指標(biāo)和為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)裂縫寬度計(jì)算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫寬度識(shí)別；

所述步驟六具體為：通過步驟五中的裂縫識(shí)別指標(biāo)α獲得結(jié)構(gòu)裂縫位置后，提取裂縫位置處的表征布里淵增益譜峰值和半功率譜寬變化的特征指標(biāo)和采用式(6)中裂縫寬度估計(jì)模型進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算：

公式(6)中，a₁、a₂和a₃是裂縫寬度估計(jì)模型系數(shù)；通過最小二乘法識(shí)別裂縫寬度估計(jì)模型系數(shù)a₁、a₂和a₃；當(dāng)沒有結(jié)構(gòu)裂縫寬度測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，則通過數(shù)據(jù)模擬分析，在不同裂縫寬度和不同剪切應(yīng)力傳遞參數(shù)γ條件下所獲得的光纖布里淵增益譜，再按照公式(2)至(6)中的步驟，計(jì)算得到不同剪切應(yīng)力傳遞參數(shù)γ下的裂縫寬度估計(jì)模型系數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟一具體為：針對(duì)光纖監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)裂縫力學(xué)模型，采用式(1)中所述的剪切應(yīng)力滯后傳遞模型，計(jì)算在不同剪切參數(shù)條件下由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同寬度裂縫在測(cè)量光纖內(nèi)芯內(nèi)所產(chǎn)生的局部應(yīng)變場(chǎng)ε(z)：

其中，δ是結(jié)構(gòu)裂縫寬度；γ是剪切應(yīng)力傳遞參數(shù),可根據(jù)光纖監(jiān)測(cè)布置方案計(jì)算求得或者由實(shí)驗(yàn)確定；z是光纖位置坐標(biāo)，其中坐標(biāo)原點(diǎn)為裂縫中心位置。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：所述步驟二具體為：根據(jù)測(cè)量光纖布里淵頻率與光纖應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將由式(1)得到的測(cè)量光纖內(nèi)芯中應(yīng)變分布，轉(zhuǎn)換為該位置處的布里淵頻率值；根據(jù)差分雙脈沖對(duì)布里淵時(shí)域分析技術(shù)DPP-BOTDA測(cè)量原理，模擬泵浦脈沖光、連續(xù)探測(cè)光和光纖應(yīng)變場(chǎng)的三波耦合作用，得到不同結(jié)構(gòu)裂縫寬度下由DPP-BOTDA解調(diào)設(shè)備測(cè)量獲得的光纖內(nèi)布里淵增益譜。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：所述步驟三具體為：由DPP-BOTDA解調(diào)設(shè)備測(cè)量獲得光纖在不同掃頻頻率v_i下的布里淵增益譜B_g(v_i)；利用式(2)所示方法，識(shí)別布里淵增益譜的洛倫茲模型中的特征參數(shù)，所述特征參數(shù)包括v_B是光纖的布里淵頻率，g₀是布里淵增益譜的峰值和Δv_B是布里淵增益譜的半功率譜寬；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：所述步驟四具體為：當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫位置對(duì)應(yīng)的光纖內(nèi)獲得的布里淵增益譜會(huì)表現(xiàn)為譜峰值降低、半功率譜寬變寬、布里淵頻率偏移的現(xiàn)象；非裂縫位置處光纖布里淵增益譜僅發(fā)生布里淵頻率偏移，其譜峰值和半功率譜寬不會(huì)發(fā)生明顯變化；根據(jù)以上現(xiàn)象提出了式(3)和式(4)中所示的表征布里淵增益譜峰值和半功率譜寬在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫前后變化的特征指標(biāo)和

式(3)和式(4)中，和分別表示結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫前后所獲得的布里淵增益譜峰值；和分別表示結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫前后所獲得的布里淵增益譜半功率譜寬值。