[发明专利]脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲预泵浦技术和光纤瑞利散射原理实现单端结构的矢量BOTDA动态应变测量的方法与装置，属于测量技术领域。

背景技术

基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技术的分布式光纤传感器利用相向传输的探测光和泵浦光之间的受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)作用，频率高的泵浦光向频率低的斯托克斯探测光转移能量，通过受激布里渊效应对探测光进行放大，因此，接收信号强度大，测量精度高，动态范围宽。BOTDA技术以其综合性能优势，在海底光缆制造和施工维护、石油天然气管道泄露、发电厂及废气处理厂的温度监测、大型混凝土钢材结构的温度和应变监测，以及山崩石塌、河床塌陷的监测等方面具有广阔的应用前景。

传统BOTDA系统中一般是采用对泵浦光和探测光的频率差进行频率扫描来实现受激布里渊散射增益谱的测量，通过布里渊散射增益谱的频移和强度信息来实现温度/应变的解析。但是强度信息受探测光与泵浦光功率波动、偏振噪声影响大，而强度信息直接决定着频移信息的获取，因此会降低布里渊频移的测量精度，并且由于频率扫描的方法测量时间长，无法实现实时的动态测量，因而限制了其应用领域。

目前，动态应变测量技术在分布式光纤传感领域的研究集中于：干涉型动态应变测量技术、相位敏感光时域反射(Phase Optical Time Domain Reflectometry，φ-OTDR)动态应变测量技术、BOTDA动态应变测量技术、偏振光时域反射(Polarization Optical Time Domain Reflectometry，POTDR)动态应变测量技术、布里渊相移动态应变测量技术等。干涉型动态应变测量技术是利用外界信号对光纤内传输的光波进行相位、波长、强度和偏振态调制，通过干涉仪检测这些参量的变化，实现动态应变的测量，但该测量技术易受周边环境噪声因素的影响，系统稳定性差；φ-OTDR动态应变测量技术是利用背向瑞利信号相位的变化进行动态应变信号的测量，但其动态应变测量范围小，信噪比低，大部分仍旧是定性测量；BOTDA动态应变测量技术是通过布里渊增益斜坡分析法来实现动态应变的测量，但其受光源频率漂移、探测光与泵浦光功率波动的影响较大，系统稳定性差，需对泵浦光与探测光的频率差进行扫描和数据拟合，测量时间长，无法响应高频动态应变信号；POTDR动态应变测量技术是利用偏振态的变化实现动态应变的测量，但其频率测量范围小；2011年，

A.Zornoza提出布里渊相移BOTDA动态应变测量技术，实现了160m传感距离上1m空间分辨率、1.66kHz测量速率的动态应变测量，通过将相移转化为相应的频移信息实现动态应变的检测，该测量技术不受探测光与泵浦光功率波动的影响，具有很好的稳定性，但泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，在大范围测量场合应用不方便，且SBS强度受非本地效应影响严重，进而产生寄生调相，导致系统产生相位测量误差，而且当光纤发生断裂时系统将无法进行检测，可靠性较低。

在上述布里渊相移BOTDA动态应变测量技术中，当传感脉冲宽度小于声子寿命时，SBS谱会明显展宽，系统测量精度会大大降低，且存在由非本地效应引起的寄生调相导致的相位测量误差，无法实现高空间分辨率与高测量精度的测量；由于泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，在大范围测量场合应用不方便，而且当光纤发生断裂时将无法进行检测，可靠性低。因此，找到一种结构简单、应用方便，非本地效应小，能够有效解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾，而且测量频带宽、信噪比高、系统可靠性及稳定性好的动态应变测量方法和装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提出脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及装置，利用脉冲预泵浦技术提高系统信噪比、解决空间分辨率与测量精度之间的矛盾，减小非本地效应，以非破坏性的工作方式实现单光源、单端和单纤工作，有效提高测量系统的可靠性与稳定性，并通过平衡探测器实现测量频带宽、信噪比高、速度快的动态应变测量。

本发明所述技术问题是以下述技术方案解决的：