CN104101379B - 一种基于botdr的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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。该方法在已敷设传感光纤的始端插入参考光纤，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；根据光纤布里渊散射功率方程，结合工程现场已敷设传感光纤的温度分布规律，通过试探法确定已敷设传感光纤在已知温度和零应变下的布里渊谱峰功率初值；最后根据布里渊频移和相对谱峰功率与光纤温度和应变的关系方程，解算出工程现场已敷设传感光纤的实际温度和应变。本发明解决了布里渊谱峰功率初值难以确定、测量精度低等问题，具有成本低、适合工程应用等优点。

Description

一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法

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：

(1)开启BOTDR，对包含参考光纤和传感光纤的全部光纤进行实时测量，记录全部光纤的布里渊信号数据，包括布里渊频移v_Bi(z)、谱峰功率P_Bi(z)和谱宽BW_Bi(z)数据，其中，i＝1，2，3...是测量次数，z是全部光纤上的位置；

(2)利用参考光纤上的谱峰功率测量值计算乘性噪声变化倍数C_NM(i)＝mean(P_Bi(z))/mean(P_B1(z))，其中，z是参考光纤上的位置，mean()是求均值函数；

(3)计算传感光纤的实时归一化谱峰功率P_{B_norm，i}(z)＝P_Bi(z)/C_NM(i)，z是传感光纤上的位置；

步骤3：确定已敷设传感光纤在温度T₀且零应变下的布里渊谱峰功率初值，具体方法如下：

(1)在传感光纤上寻找温度稳定可测且应变为零的区间C，用温度计测量区间C的温度T₁，同时，取传感光纤当前时刻的归一化布里渊信号数据；

(2)用方程P_B0(z)＝a·e^bz表示布里渊谱峰功率分布，设置a的值为1，在-1至+1区间内试探b的取值，获得相应的布里渊谱峰功率分布值，带入步骤4中的温度和应变计算公式，计算出传感光纤的温度曲线，观察曲线斜率，根据传感光纤现场温度分布特点判断传感光纤应有的分布规律，确定正确的斜率，最终确定系数b；

(3)将确定的系数b带入步骤3的(2)中公式，在-1至+1区间内试探a的取值，获得相应的布里渊谱峰功率分布值，带入步骤4中的温度和应变计算公式，计算出传感光纤的温度曲线，观察传感光纤区间C上的温度计算值，若计算值等于T₁，则此时的a就是正确的取值；

(4)将确定的系数a和b代入步骤3的(2)中公式，计算出P_BO(z)就是传感光纤在温度T₀且零应变下的布里渊谱峰功率初值；

步骤4：利用步骤1中获得的传感光纤样品布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数、温度T₀且零应变下的布里渊频移初值，步骤2获得的实时归一化谱峰功率，步骤3获得的已敷设传感光纤布里渊谱峰功率初值，以及布里渊频移实时测量值，根据下式计算传感光纤的温度和应变分布：

其中，T(z)和ε(z)是传感光纤z处的温度和应变，C＝|C_vTC_Pε-C_vεC_PT|≠0，C_vT和C_vε分别为布里渊频移的温度和应变系数，C_PT和C_Pε分别为布里渊相对谱峰功率的温度和应变系数，v_B(z)是传感光纤z处的布里渊频移实时测量值，v_B0是传感光纤在温度T₀且零应变下的初始频移，P_B(z)是传感光纤z处的布里渊谱峰功率实时测量值，P_B0(z)是温度T₀且零应变下传感光纤z处的谱峰功率初始值。

本发明的有益效果：1、本发明根据光纤布里渊散射功率方程，结合工程现场已敷设传感光纤中温度和应变已知的区间确定方程系数，建立高信噪比的谱峰功率初值；2、本发明通过引入已知温度和应变的参考光纤，并以参考光纤布里渊谱峰功率为基准进行归一化的方法，有效克服了BOTDR系统中乘性噪声导致的温度和应变测量精度大幅下降的问题；3、本发明利用单台BOTDR实现了已敷设传感光纤温度和应变的同时区分测量，为工程应用提供了有效方法。

附图说明

图1为传感光纤样品布里渊频移温度系数的线性拟合结果；

图2为传感光纤样品布里渊相对谱峰功率温度系数的线性拟合结果；

图3为工程现场的测量光路示意图；

图4为系数b取不同值时计算出的海缆内传感光纤的温度曲线；

图5为系数a取不同值时计算出的海缆内传感光纤的温度曲线；

图6为计算出的海缆内传感光纤的温度和应变分布曲线；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

1、标定传感光纤的布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数以及频移初值。

取待标定光纤50米，松弛盘绕放于恒温水浴中，始端经跳线接BOTDR，控制±0.05℃控温精度的恒温水浴在35℃、45℃、55℃、65℃、75℃五个温度点往返一次，记录5个温度点处的布里渊频移和谱峰功率，计算恒温水浴内传感光纤样品在每个温度点处长度上的布里渊频移和相对谱峰功率均值，利用最小二乘法对均值和温度进行线性拟合，结果如图1、图2所示。图1的拟合确定系数为1，拟合标准差为6.523*10^-5GHz，布里渊频移的温度系数为1.06MHz/℃，35℃且零应变时布里渊频移初值为10.874GHz；图2的拟合确定系数为0.9839，拟合标准差为0.4141％，以35℃且零应变时布里渊谱峰功率为基准的相对谱峰功率温度系数为0.217％/℃。

将传感光纤样品从恒温水浴中取出，擦拭干净，利用滑轮组对光纤施加500uε、1500uε、2500uε、3500uε、4500uε的应变，往返一次，用同样的方法处理数据，得到布里渊频移的应变系数为0.048MHz/uε，以35℃且零应变时布里渊谱峰功率为基准的相对谱峰功率应变系数为4.428×10^-4％/uε。

2、归一化现场传感光纤的实时布里渊谱峰功率测量值。已敷设传感光纤为某海峡海床下2米处110kV光纤复合海底电缆(简称海缆)内的G.652普通单模裸纤，传感光纤长3369米，经865米光纤复合架空地线(OPGW)内的G.652普通单模裸纤及63米普通光缆接入值班室。在值班室内普通光缆与BOTDR之间插入50米G.652型普通单模裸纤作为参考光纤，如图3所示。将参考光纤放入由帕尔贴控制的小型恒温装置内，设定35℃恒温，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：

(1)开启BOTDR，对包含参考光纤、普通光缆内光纤、OPGW内光纤和海缆内传感光纤的全部光纤进行实时测量，记录全部光纤的布里渊信号数据，包括布里渊频移v_Bi(z)、谱峰功率P_Bi(z)和谱宽BW_Bi(z)，其中，i＝1，2，3...是测量次数，z是全部光纤上的位置；

(2)利用参考光纤上的谱峰功率测量值计算乘性噪声变化倍数C_NM(i)＝mean(P_Bi(z))/mean(P_B1(z))，其中，z是参考光纤上的位置，mean()是求均值函数；

(3)计算传感光纤的实时归一化谱峰功率P_{B_norm，i}(z)＝P_Bi(z)/C_NM(i)。

3、根据方程P_B(z)＝a·e^bz确定海缆内传感光纤在35℃且零应变下的布里渊谱峰功率初值P_B0(z)，具体步骤如下：

(1)确定系数b。设置a＝1，选取两个相差较大的值作为b的试探值，分别代入方程P_B(z)＝a·e^bz，观察海缆内传感光纤上的温度测量结果，如图4所示。图4中画出了b取0.1、-0.1和-0.04时计算出的海缆内传感光纤的温度曲线。海缆敷设环境成两端对称，实地测量发现两端的温度近似相等。b取0.1和-0.1时，曲线分别出现了下降和上升的趋势，这与海缆内传感光纤的温度分布斜率不符；但两个取值导致的分布趋势是相反的，所以正确值应该在两次取值之间。通过几次试探，最终取-0.04时，曲线两端趋于等高，该值即可作为b的正确取值。

(2)确定系数a。将确定的系数b带入方程，同样采用试探法，先确定a的大体取值范围，再确定a的正确取值，结果如图5所示。1000米附近和4317米附近为海缆登陆点处电缆沟内富余光纤所在位置，该处光纤松弛盘绕，应变为零，用温度计测量该处温度为28℃，调整系数a为-0.11时，计算结果与实际值相符。

(3)确定a取-0.11，b取-0.04时，方程P_B(z)＝a·e^bz代表的曲线就是海缆内传感光纤在35℃且零应变下的布里渊谱峰功率初值P_B0(z)。

4、利用1中获得的布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数、35℃且零应变下的布里渊频移初值，2中获得的实时归一化谱峰功率，3中获得的已敷设传感光纤在35℃且零应变下的布里渊谱峰功率初值，以及布里渊频移实时测量值，根据下式计算海缆内传感光纤的温度和应变分布：

其中，T(z)和ε(z)是海缆内传感光纤z处的温度和应变，C＝|C_vTC_Pε-C_vεC_PT|≠0，C_vT和C_vε分别为布里渊频移的温度和应变系数，C_PT和C_Pε分别为布里渊相对谱峰功率的温度和应变系数，v_B(z)是海缆内传感光纤z处的布里渊频移实时测量值，v_B0是海缆内传感光纤在温度T₀且零应变下的初始频移，P_B(z)是海缆内传感光纤z处的布里渊谱峰功率实时测量值，P_B0(z)是温度T₀且零应变下海缆内光纤z处的谱峰功率初始值，T₀＝35℃。

计算出的海缆内传感光纤的温度和应变如图6所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术实质的情况下，对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于BOTDR的已敷设传感光纤温度和应变同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

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：

(1)开启BOTDR，对包含参考光纤和传感光纤的全部光纤进行实时测量，记录全部光纤的布里渊信号数据，包括布里渊频移v_Bi(z)、谱峰功率P_Bi(z)和谱宽记录全部光纤的布里渊信号数据，包括布里渊频移v_Bi(z)、谱峰功率P_Bi(z)和谱宽BW_Bi(z)数据，其中，i＝1，2，3...是测量次数，z是全部光纤上的位置；

(2)利用参考光纤上的谱峰功率测量值计算乘性噪声变化倍数C_NM(i)＝mean(P_Bi(z))/mean(P_B1(z))，其中，z是参考光纤上的位置，mean()是求均值函数；

(3)计算传感光纤的实时归一化谱峰功率P_{B_norm，i}(z)＝P_Bi(z)/C_NM(i)，z是传感光纤上的位置；

步骤3：确定已敷设传感光纤在温度T₀且零应变下的布里渊谱峰功率初值，具体方法如下：

(1)在传感光纤上寻找温度稳定可测且应变为零的区间C，用温度计测量区间C的温度T₁，同时，取传感光纤当前时刻的归一化布里渊信号数据；

(2)用方程P_B0(z)＝a·e^bz表示布里渊谱峰功率分布，设置a的值为1，在-1至+1区间内试探b的取值，获得相应的布里渊谱峰功率分布值，带入步骤4中的温度和应变计算公式，计算出传感光纤的温度曲线，观察曲线斜率，根据传感光纤现场温度分布特点判断传感光纤应有的分布规律，确定正确的斜率，最终确定系数b；

(3)将确定的系数b带入步骤3的(2)中公式，在-1至+1区间内试探a的取值，获得相应的布里渊谱峰功率分布值，带入步骤4中的温度和应变计算公式，计算出传感光纤的温度曲线，观察传感光纤区间C上的温度计算值，若计算值等于T₁，则此时的a就是正确的取值；

(4)将确定的系数a和b代入步骤3的(2)中公式，计算出P_B0(z)就是传感光纤在温度T₀且零应变下的布里渊谱峰功率初值；

步骤4：利用步骤1中获得的传感光纤样品布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数、温度T₀且零应变下的布里渊频移初值，步骤2获得的实时归一化谱峰功率，步骤3获得的已敷设传感光纤布里渊谱峰功率初值，以及布里渊频移实时测量值，根据下式计算传感光纤的温度和应变分布：

$\left[\begin{array}{c}T\left(z\right)\\ \mathrm{\ϵ}\left(z\right)\end{array}\right]=\frac{1}{C}\left[\begin{array}{cc}{C}_{P\mathrm{\ϵ}}& -C_{v\mathrm{\ϵ}}\\ -C_{PT}& C_{vT}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_B\left(z\right)-v_{B0}\\ \frac{P_B\left(z\right)-P_{B0}\left(z\right)}{P_{B0}\left(z\right)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_0\\ 0\end{array}\right]$

其中，T(z)和ε(z)是传感光纤z处的温度和应变，C＝|C_vTC_Pε-C_vεC_PT|≠0，C_vT和别为布里渊频移的温度和应变系数，C_PT和别为布里渊相对谱峰功率的温度和应变系数，v_B(z)是传感光纤z处的布里渊频移实时测量值，v_B0是传感光纤在温度T₀且零应变下的初始频移，P_B(z)是传感光纤z处的布里渊谱峰功率实时测量值，P_B0(z)是温度T₀且零应变下传感光纤z处的谱峰功率初始值。