一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统。获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；利用多根具有不同布里渊温度系数和应变系数的传感光纤，构建多光纤布里渊光时域分析BOTDA分布式传感系统；根据多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组；将超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；对最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值；获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；根据温度变化量优化值和初始温度，得到实际温度；根据应变变化量优化值和初始应力，得到实际应变。采用本发明专利技术能够提高BOTDA中温度、应变的解耦精度和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统
本专利技术涉及光纤传感
，特别是涉及一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统。
技术介绍
布里渊光时域分析(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis,BOTDA)作为一种重要的分布式光纤传感技术，能够实现传感光纤沿线上温度、应变等的空间连续测量，具有测量距离长、定位精度高、抗恶劣环境、抗电磁干扰等优点，在大型基础设施(如桥梁、大坝)监测、地震地质监测等方面具有重要应用前景。由于光纤中布里渊散射信号同时受温度和应变的影响，BOTDA中无法由单一的布里渊频移分别解析出温度和应变信息，即存在温度应变的交叉敏感问题；然而，在实际监测应用中，人们通常希望分别得到温度和应变信息，因此需要将BOTDA中温度与应变进行解耦，实现两者的分别测量。目前，BOTDA中实现温度与应变解耦的方法主要有以下几种：(1)拉曼散射、布里渊散射联合法：利用拉曼光时域分析(ROTDR)仅对温度敏感而对应变不敏感的特征，测量得到传感光纤温度；并利用该温度信息补偿BOTDA中温度对布里渊频移的影响，进而解调得到传感光纤中的应变信息。(2)双布里渊频移法：采用特殊光纤(如大有效面积LEAF光纤)中存在的多个布里渊散射峰，通过同时测量主峰附近两个峰值的频移，解调得到温度和应变信息。(3)布里渊频移、强度同时测量法：BOTDA中，除布里渊频移量与温度、应变密切相关外，布里渊散射峰的强度也与温度、应变有关。通过同时记录同一根光纤中的布里渊频移和峰强，联立方程组，可实现温度、应变的解耦。上述各方法的实质均在于建立并求解一个关于温度和应变的二元方程组，实现应变和温度的独立测量。理论上，一个二元线性方程组可实现两个变量的独立求解。然而，由于传感光纤中的温度系数通常远大于应变系数(单模传感光纤的典型参数：温度系数1.18MHz/℃，应力系数0.05MHz/με)，且考虑到实际测量过程中温度、光强、频移等的测量误差以及传感光纤温度、应变系数的标定精度等，此种仅利用两个方程求解出两个未知数的方法易于产生较大的数值误差，甚至可能得到“病态”结果，难以满足BOTDA实际应用中对温度、应变高精度解耦的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统，能够提高布里渊光时域分析中温度、应变的解耦精度和可靠性。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，包括：获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；利用多根具有不同所述布里渊温度系数和所述应变系数的传感光纤，构建多光纤布里渊光时域分析BOTDA分布式传感系统；根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组；将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；对所述最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值；获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变。可选的，所述根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组，具体包括：根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。可选的，所述对所述最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值，具体包括：对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。可选的，所述根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度，具体包括：根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。可选的，所述根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变，具体包括：根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。一种布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，包括：第一获取模块，用于获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；系统构建模块，用于利用多根具有不同所述布里渊温度系数和所述应变系数的传感光纤，构建多光纤布里渊光时域分析BOTDA分布式传感系统；方程组建立模块，用于根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组；方程组转换模块，用于将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；求解模块，用于对所述最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值；第二获取模块，用于获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；实际温度确定模块，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；实际应变确定模块，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变。可选的，所述方程组建立模块，具体包括：获取单元，用于根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；方程组建立单元，用于根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。可选的，所述求解模块，具体包括：求解单元，用于对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。可选的，所述实际温度确定模块，具体包括：实际温度确定单元，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。可选的，所述实际应变确定模块，具体包括：实际应变确定单元，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，包括建立布里渊光时域分析中温度和应变的超定方程，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，包括：获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；利用多根具有不同所述布里渊温度系数和所述应变系数的传感光纤，构建多光纤布里渊光时域分析BOTDA分布式传感系统；根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组；将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；对所述最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值；获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；根据所述温度变化量的优化值和所述初始温度，得到实际温度；根据所述应变变化量的优化值和所述初始应力，得到实际应变。

【技术特征摘要】
1.一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，包括：获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；利用多根具有不同所述布里渊温度系数和所述应变系数的传感光纤，构建多光纤布里渊光时域分析BOTDA分布式传感系统；根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组；将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；对所述最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值；获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；根据所述温度变化量的优化值和所述初始温度，得到实际温度；根据所述应变变化量的优化值和所述初始应力，得到实际应变。2.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组，具体包括：根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。3.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，对所述最小二乘法优化方程组进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值，具体包括：对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。4.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度，具体包括：根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。5.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变，具体包括：根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。6.一种布里渊光时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晔，杨多兴，周飞，
申请(专利权)人：东莞理工学院，中国地震局地壳应力研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44