[发明专利]一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统

说明书

本发明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。采用本发明能够提高BOTDA中温度、应变的解耦精度和可靠性。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，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。

背景技术

布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,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。

发明内容

本发明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，本发明提供了如下方案：

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；