[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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

布里渊光时域反射计(BOTDR)利用光纤中布里渊散射信号与温度和应变的关系，结合光时域反射技术实现对温度/应变的全分布式测量。光纤布里渊散射谱服从洛伦兹分布，可用布里渊频移、布里渊谱峰功率和布里渊谱宽等参量描述。由于这些参量的变化信息都包含光纤的温度和应变信息，所以利用布里渊散射谱的参量与温度和应变之间的对应关系便可实现温度和应变的同时测量。

BOTDR以其传感距离远、单端测量、对温度和应变都敏感等特点广泛应用于电力、石油、航空航天、土木工程等各领域。考虑成本与工程应用便利性，目前的传感光纤一般都采用G.652普通单模光纤，利用布里渊频移测量光纤的温度和应变。布里渊频移信噪比高，但同时对温度和应变敏感导致不能区分温度和应变；布里渊谱峰功率信噪比低，导致测量精度低，而且已敷设传感光纤的功率初值难以确定，导致无法计算温度和应变。如何高精度地区分工程应用中传感光纤的温度和应变成为亟待解决的问题。

目前，区分温度和应变的方法主要有以下几种：其一，利用并行排列的松套和紧套两根光纤，根据布里渊频移解算温度和应变；其二，利用布里渊散射频移和功率对温度和应变都敏感的特性，根据二元一次方程组解算温度和应变；其三，利用布里渊频移和拉曼散射信号解算温度和应变；其四，利用大有效面积光纤、保偏光纤、光子晶体光纤等特种光纤中布里渊散射信号的多峰现象解算温度和应变。方法一需要在工程应用前设计传感光缆结构，不适合已经敷设传感光纤的场合；方法二中布里渊散射功率的低信噪比会导致温度和应变测量精度的大幅下降，而且已敷设传感光纤的功率初值难以确定，这些都制约了该方法的工程应用；方法三可有效区分温度和应变，但两台设备导致成本上升，而且使用单模光纤测量温度的拉曼设备价格昂贵；方法四采用的特种光纤成本高，应用于工程还不成熟。综合比较以上四种方法，尽管方法二存在信噪比低和功率初值难以确定等问题，但其成本低且适合于已敷设的传感光纤。

针对以上问题，本发明提出了一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法，解决利用布里渊频移和谱峰功率区分温度和应变时布里渊谱峰功率初值难以确定、测量精度低等问题，实现工程现场已敷设传感光纤温度和应变的同时高精度测量。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法，用于解决利用布里渊频移和谱峰功率区分温度和应变时布里渊谱峰功率初值难以确定、测量精度低等问题，实现工程现场已敷设传感光纤温度和应变的同时高精度测量。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法，其特征是所述方法包括：

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：