CN105371785A - 一种曲率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲率测量方法，包括：通过分布式传感系统测量沿光纤链路的布里渊频移的变化量Δν_B；其中，分布式传感系统中所采用的光纤为含有偏心纤芯的光纤；通过公式计算得到弯曲半径R，并得到曲率；其中，η为曲率响应系数，ν_B为未发生弯曲时初始的布里渊频移，d为外层芯距光纤几何中心的距离，θ为弯曲方向按顺时针方向到纤芯径向的角度。本发明首次提出和验证了在含有偏心纤芯的光纤的分布式传感系统中，偏心纤芯的布里渊频移对弯曲/曲率敏感，且频移量跟曲率大小呈线性关系的结论。由此可知，基于本发明的分布式传感系统的测量范围将不再只有温度和应力，还包括弯曲/曲率，这将促进分布式传感技术在结构健康检测方面的应用。

Description

一种曲率测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种曲率测量方法。

背景技术

分布式传感技术是一种将光纤链路上的每一点都作为传感元件的技术，光纤既作信息传输媒介，同时又作传感元，它可以连续测量沿光纤分布的环境参量，且传感长度可达几十公里。鉴于其出色的技术解决方案和低廉的成本，分布式光纤传感器在石油管道、桥梁、大坝、隧道、电力线、房屋建筑、飞行器、地震预警、边防等诸多领域都有应用，是集智能化与环保于一身的理想的分布式测量工具。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器是应用最广泛的分布式光纤传感器，包括BOTDR(Brillouinopticaltime-domainreflectometry，布里渊光时域反射仪)、BOTDA(Brillouinopticaltime-domainanalysis，布里渊光时域分析仪)、BOCDR(Brillouinopticalcorrelationdomainreflectometry，布里渊相关域反射仪)、BOCDA(Brillouinopticalcorrelationdomainanalysis，布里渊相关域分析仪)等。

其中，BOTDR/A是基于光脉冲的时域信息来实现定位的，而待测参量可通过测量布里渊频移来获知。光纤中的布里渊散射光相对于泵浦光有一个频移，称为布里渊频移，由下式给出：

${\mathrm{\ν}}_B=\frac{2{\mathrm{n\ν}}_A}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，ν_B是布里渊频移，n是光纤纤芯的折射率，ν_A是光纤中的声速，λ是泵浦光的波长。当光纤所处环境的温度发生变化或受到应力作用时，会引起布里渊频移量发生变化，所以通过测量布里渊散射光的频移量就可以获知该点的温度和应力的变化量。

BOCDR/A同样是基于布里渊散射实现分布式测量的分布式传感器，不同点在于，在BOCDR/A中，泵浦光和探测光都是同频调制的连续光，在光纤中只有当泵浦光和探测光的频率差为布里渊频移时，才会产生受激布里渊散射，出现布里渊增益相关峰。通过改变调制频率，可以改变相关峰的位置，由此实现对空间的定位和信息提取，达到分布式测量的目的。

以往，绝大多数的分布式传感系统所采用的都是普通的单模光纤。近年来，也有人研究了基于光子晶体光纤、保偏光纤、少模光纤等特种光纤的分布式传感系统。目前，分布式传感技术只能测量温度和应力，这是因为温度和应力的变化都会导致光纤折射率及声子速率发生变化。由布里渊频移的公式(1)可知，此时对应的布里渊频移也会发生变化，这是布里渊测温及测应变的原理。但是目前，传统的布里渊传感技术只能测量纵向的应变，而无法测量横向的应变(即曲率)，即传统的分布式传感技术只能测量沿光纤长度方向上的应变，而无法测量垂直于光纤方向上(横向)的应变，因而在实际应用中仍然存在较大的局限性。

发明内容

本发明实施例通过提供一种曲率测量方法，解决了现有技术中无法测量曲率的技术问题，实现了提高分布式传感技术的适用性技术效果。

本发明实施例提供了一种曲率测量方法，包括：

通过分布式传感系统测量沿光纤链路的布里渊频移的变化量Δν_B；其中，所述分布式传感系统中所采用的光纤为含有偏心纤芯的光纤；

通过公式计算得到弯曲半径R，并得到曲率；其中，η为曲率响应系数，ν_B为未发生弯曲时初始的布里渊频移，d为外层芯距光纤几何中心的距离，θ为弯曲方向按顺时针方向到纤芯径向的角度。

进一步地，所述通过公式计算得到弯曲半径R，并得到曲率，具体包括：

通过所述公式计算得到所述弯曲半径R，对所述弯曲半径R求倒数，得到曲率。

进一步地，所述曲率响应系数η通过拟合得到。

进一步地，所述曲率响应系数η通过拟合得到，具体包括：

通过对测量光纤多次构造弯曲半径已知的圆形弯曲，并相应地实施布里渊分布式测量实验，进行校准和标定，得到布里渊频移的变化量Δν_B与弯曲半径R之间的关系，即 ${\mathrm{\Δv}}_B=2.0576*\frac{1}{R};$

结合公式 ${\mathrm{\Δ\ν}}_B=\mathrm{\η}\·{\mathrm{\ν}}_B\·\frac{d}{R}cos\left(\mathrm{\θ}\right),$ 得到 $2.0576*\frac{1}{R}=\mathrm{\η}*v_B*\frac{d}{R},$ 计算得到曲率响应系数η。

进一步地，所述分布式传感系统包括：布里渊光时域反射仪、布里渊光时域分析仪、布里渊相关域反射仪或布里渊相关域分析仪。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例在国际上首次提出了在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)的分布式传感系统中，偏心纤芯(外层芯)的布里渊频移(Brillouinfrequencyshift)对弯曲/曲率敏感，且频移量跟曲率大小呈线性关系的结论。之所以布里渊频移对弯曲敏感，是因为在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)中，当发生弯曲时，处在非中心的纤芯(外层芯)要么被拉伸，要么被压缩，因此在弯曲的切线方向上会产生局部的应力作用，从而导致布里渊频移发生变化，当然本质上是由于弯曲导致折射率和声子速率发生变化。因而，可以通过布里渊频移量求得偏心纤芯的曲率。由此可知，基于本发明实施例的分布式传感系统的测量范围将不再只有温度和应力，还包括弯曲/曲率，相当于拓宽了一个测量维度，这将大大地促进分布式传感技术在结构健康检测方面的应用。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的曲率测量方法的流程图；

图2为本发明实施例二中使用的布里渊光时域分析仪的结构示意图；

图3为本发明实施例二中使用的七芯光纤的横截面图；

图4为本发明实施例二中使用的七芯光纤的结构透视图；

图5为含有偏心纤芯的光纤中某个外层芯中布里渊频移对不同曲率的响应关系图；

图6为含有偏心纤芯的光纤中某个外层芯中布里渊频移与曲率的关系图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种曲率测量方法，解决了现有技术中无法测量曲率的技术问题，实现了提高分布式传感技术的适用性技术效果。

本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例在国际上首次提出和实验验证了在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)的分布式传感系统中，偏心纤芯(外层芯)的布里渊频移(Brillouinfrequencyshift)对弯曲/曲率敏感，且频移量跟曲率大小呈线性关系的结论。之所以布里渊频移对弯曲敏感，是因为在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)中，当发生弯曲时，处在非中心的纤芯(外层芯)要么被拉伸，要么被压缩，因此在弯曲的切线方向上会产生局部的应力作用，从而导致布里渊频移发生变化，当然本质上是由于弯曲导致折射率和声子速率发生变化。因而，可以通过布里渊频移量求得偏心纤芯的曲率。由此可知，基于本发明实施例的分布式传感系统的测量范围将不再只有温度和应力，还包括弯曲/曲率，相当于拓宽了一个测量维度，这将大大地促进分布式传感技术在结构健康检测方面的应用。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

参见图1，本发明实施例提供的曲率测量方法，包括：

步骤S110：通过分布式传感系统测量沿光纤链路的布里渊频移的变化量Δν_B；其中，分布式传感系统中所采用的光纤为含有偏心纤芯的光纤；

在本实施例中，分布式传感系统包括但不限于布里渊光时域反射仪、布里渊光时域分析仪、布里渊相关域反射仪或布里渊相关域分析仪。含有偏心纤芯的光纤是指光纤中存在有一个或多个纤芯，该一个或多个纤芯不在光纤的几何中心上，即位于偏离中心的位置上。

步骤S120：通过公式计算得到弯曲半径R，并得到曲率；其中，η为曲率响应系数，ν_B为未发生弯曲时初始的布里渊频移，d为外层芯距光纤几何中心的距离，θ为弯曲方向按顺时针方向到纤芯径向的角度。

对步骤S120进行说明：

通过公式计算得到弯曲半径R，对弯曲半径R求倒数，得到曲率。

曲率响应系数η通过拟合得到。

具体地，

通过对测量光纤多次构造弯曲半径已知的圆形弯曲，并相应地实施布里渊分布式测量实验，进行校准和标定，得到布里渊频移的变化量Δν_B与弯曲半径R之间的关系，即 ${\mathrm{\Δv}}_B=2.0576*\frac{1}{R};$

结合公式 ${\mathrm{\Δ\ν}}_B=\mathrm{\η}\·{\mathrm{\ν}}_B\·\frac{d}{R}cos\left(\mathrm{\θ}\right),$ 得到 $2.0576*\frac{1}{R}=\mathrm{\η}*v_B*\frac{d}{R},$ 计算得到曲率响应系数η。

ν_B在确保没有纵向应力和横向弯曲的情况下由分布式传感系统测得。

d通过显微镜观察测出。

θ根据需求校准得到。

实施例二

基于布里渊光时域分析仪对含有6个偏心纤芯的七芯光纤的曲率进行测量的步骤包括：

(1)搭建如图2所示的布里渊光时域分析仪测量系统，其中所采用的七芯光纤的结构如图3和图4所示。

(2)参见图2，窄线宽的激光器(laser)输出频移为n₀的光，经耦合器(coupler)分成两路：一路依次通过偏振控制器(PC)、调制器(modulator1)、掺铒光纤放大器(EDFA)、偏振开关(PS)、隔离器(isolator)，用于产生探测光，经扇入耦合器(Fan-in)进入七芯光纤。其中，modulator1由微波发生器(Microwavegenerator)进行控制，用以产生双边带调制的探测光，频率为n₀±n_M。其中，n_M为调制频率，当n_M等于光纤某处的布里渊频移时，该处的布里渊增益达到最大，因此只要控制modulator1改变n_M，通过扫频就可以获得光纤各处的布里渊增益谱，也就知道了该处的布里渊频移。另一路依次经过偏振控制器(PC)、调制器(modulator2)、掺铒光纤放大器(EDFA)、环形器(circulator1)，然后经扇入耦合器(Fan-in)进入七芯光纤。其中，modulator2由脉冲发生器(pulsegenerator)控制，用以产生脉冲。传感用的七芯光纤(MCF)两头分别由扇入耦合器(Fan-in)和扇出耦合器(Fan-out)进行连接。在扇出端，根据需要将n个纤芯依照对应光路进行连接，便可以构成一个基于多芯光纤空间复用的系统，实现光路往返传输的结构，这样的优势是只需要一次测量就可以获得多个纤芯的信息。当然也可以根据需要只用1个纤芯。经过放大(增益型系统)或衰减(损耗型系统)的布里渊探测光由扇入(Fan-in)端输出，经环形器(circulator1)进入到环形器(circulator2)，之后经过光栅(FBGfilter)滤掉不需要的频率成分，将滤出来的探测光送入光电探测器(PD)，PD再与信号处理模块相连。信号处理模块中含有示波器或者数据采集卡，对PD传过来的电压信号进行采集。采集完成后，再对这些数据进行处理，即求增益。由于系统采用扫频的工作模式，那么在对每个频率的测量数据都进行求增益处理后，就可以还原出沿整个光纤长度的布里渊增益谱。当知道布里渊增益谱后，就可以求出每一个点的布里渊频移量，即Δv_B。

(3)标定公式中的曲率响应系数η。在具体标定时，可以利用显微镜对弯曲方向进行校准，使得θ＝0或θ＝p，即所用的外层纤芯在弯曲平面内。通过改变弯曲半径(R)，对应的频移(Δν_B)也会发生变化，如图5所示。将测得的多个数据点进行拟合，即可求得曲率响应系数η，如图6所示。在本实施例中，求得的η＝4.5636。

(4)通过公式计算得到弯曲半径R，对弯曲半径R求倒数，得到曲率。

需要指出的是，因为中间芯处在多芯光纤结构的中心轴上，所以当发生弯曲时，理论上中间芯不会产生应变(中间芯产生的应变可忽略不计)，因而中间芯的布里渊频移不会对弯曲敏感，但这个芯恰好可以用来测量温度，对外层芯进行温度补偿。因此，当没有纵向应力作用时，该测量方案能够有效地解决温度和弯曲的交叉灵敏度的问题。

【技术效果】

本发明实施例在国际上首次提出和实验验证了在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)的分布式传感系统中，偏心纤芯(外层芯)的布里渊频移(Brillouinfrequencyshift)对弯曲/曲率敏感，且频移量跟曲率大小呈线性关系的结论。之所以布里渊频移对弯曲敏感，是因为在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)中，当发生弯曲时，处在非中心的纤芯(外层芯)要么被拉伸，要么被压缩，因此在弯曲的切线方向上会产生局部的应力作用，从而导致布里渊频移发生变化，当然本质上是由于弯曲导致折射率和声子速率发生变化。因而，可以通过布里渊频移量求得偏心纤芯的曲率。由此可知，基于本发明实施例的分布式传感系统的测量范围将不再只有温度和应力，还包括弯曲/曲率，相当于拓宽了一个测量维度，不再仅限于纵向的测量，还能实现横向的测量，这将大大扩宽分布式光纤传感系统的应用能力，将布里渊传感技术推上一个新的台阶。

需要特别指出的是，该方法可能有很多变种，无法在本申请书中逐一列举，但凡是使用含有偏心纤芯的光纤实现的分布式弯曲/曲率传感方案都在本发明实施例要求的保护范围内，意味着所使用的光纤的尺寸、形状、纤芯数量、偏心纤芯的位置、空间复用的光路系统、顺序、方向、所用的分布式传感技术(包括但不仅限BOTDR/A、BOCDR/A等)等与本实施例有不同时，亦在本发明实施例所要求保护的范围内。更进一步地，“所用的分布式传感技术”包括各种基于光纤中布里渊散射实现的传感技术，不以具体系统的实现方式的不同而跳出本发明实施例所要求保护的范围。例如不能说通过对系统做一些变化，如多使用或少使用某些仪器，或者采用另一种与实施例不同的布里渊传感技术来达到跳出本发明实施例所要求保护的范围的目的。

Claims (5)

1.一种曲率测量方法，其特征在于，包括：

通过分布式传感系统测量沿光纤链路的布里渊频移的变化量Δν_B；其中，所述分布式传感系统中所采用的光纤为含有偏心纤芯的光纤；

通过公式计算得到弯曲半径R，并得到曲率；其中，η为曲率响应系数，ν_B为未发生弯曲时初始的布里渊频移，d为外层芯距光纤几何中心的距离，θ为弯曲方向按顺时针方向到纤芯径向的角度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过公式 计算得到弯曲半径R，并得到曲率，具体包括：

通过所述公式计算得到所述弯曲半径R，对所述弯曲半径R求倒数，得到曲率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲率响应系数η通过拟合得到。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述曲率响应系数η通过拟合得到，具体包括：

通过对测量光纤多次构造弯曲半径已知的圆形弯曲，并相应地实施布里渊分布式测量实验，进行校准和标定，得到布里渊频移的变化量Δν_B与弯曲半径R之间的关系，即 ${\mathrm{\Δ\ν}}_B=2.0576*\frac{1}{R};$

结合公式 ${\mathrm{\Δ\ν}}_B=\mathrm{\η}\·{\mathrm{\ν}}_B\·\frac{d}{R}cos\left(\mathrm{\θ}\right),$ 得到 $2.0576*\frac{1}{R}=\mathrm{\η}*{\mathrm{\ν}}_B*\frac{d}{R},$ 计算得到曲率响应系数η。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述分布式传感系统包括：布里渊光时域反射仪、布里渊光时域分析仪、布里渊相关域反射仪或布里渊相关域分析仪。