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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及光纤传感
，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。
技术介绍
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。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1550nm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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术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：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；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。作为本专利技术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；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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。本专利技术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；本专利技术可提高BOTDR应变温度分离测量的精度。附图说明图1是实验装置图。图2是预先测量的传感光纤中的布里渊频移分布图。图3是预先测量的传感光纤中的布里渊功率分布图。图4是传感光纤施加温度、应变的示意图。图5是测量得到的传感光纤中的布里渊频移变化图。图6是应变温度分离后得到的应变分布图。图7是应变温度分离后得到的温度分布图。图8是沿应变分布图求二次导数后的结果。图9是沿温度分布图求二次导数后的结果。图10是利用布里渊频移曲线求得的应变分布曲线。图11是利用布里渊频移曲线求得的温度分布曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。...

【技术特征摘要】
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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，孙禛骎，张旭苹，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32