CN107462346A - 实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法。本发明通过采用特殊结构传感光纤，在有特定更高空间分辨率需求的位置引入布里渊频移与相邻光纤布里渊频移不同的、长度与被测量小尺寸位置长度相同的次传感光纤，结合相应的多峰选取与拟合数据处理方法，以希望提高布里渊光时域分析仪在长距离光纤分布测量中小尺寸位置的空间分辨率，从而实现对普通位置低空间分辨率监测的同时，对定点特殊小尺寸位置高空间分辨率监测的目的，进而在不改变传统DPP‑BOTDA仪器结构和探测脉冲宽度情况下，只通过特殊结构传感光纤的应用实现对小尺寸位置的温度、应力监测目的。

Description

实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法

技术领域

本发明涉及一种利用频分复用技术实现布里渊光时域分析仪长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，属于光学技术领域。

背景技术

近年来，随着大型建筑、长距离管道等公共设施的快速建设，电网的大范围覆盖，研究利用优化的长距离传感系统对这些设施进行安全健康监测的需求十分迫切。布里渊光时域分析技术是一种光纤传感器，它以光纤作为传感器件和信号传输通道，具有可实现分布式测量的显著优势。然而，布里渊光时域分析技术的测量距离与空间分辨率相互制约：长距离分布测量很难做到高空间分辨率，而高空间分辨率往往只能在很短的测量距离内得以实现。

在实际应用中，对公里级长度的桥梁、输电线路和管道的应力监测往往只需要米量级的空间分辨率。然而，桥梁和隧道的衔接承重区域、高压输电线路拉紧绝缘端子连接区域，以及铁轨和管道焊接区域尺寸较小(以下统称为小尺寸位置)，很容易发生高热、甚至断裂等事故，因此对这些特殊位置需要更高空间分辨率进行特别监控。但是，如果为了某些局部位置而提高整个测量距离上的空间分辨率，会增加技术难度，更有可能会缩短测量距离。

目前，长距离传感过程中测量距离和空间分辨率的矛盾大大制约着长距离分布式传感的发展和应用。差分脉冲布里渊光时域分析系统(DPP-BOTDA)的空间分辨率由探测脉宽决定(例如探测脉宽为5ns，对应50cm的空间分辨率)，低于空间分辨率长度的事件将不能被准确探测。到目前为止，已经实验实现的长距离光纤传感的空间分辨率多为米量级或亚米量级，但是实际应用中，米量级的空间分辨率无法满足某些特定区域的测量需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种利用频分复用技术实现布里渊光时域分析仪长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，

步骤一、根据实际工程需要选取特定长度的主传输传感光纤；

步骤二、根据接线端子位置和长度、或称重区域位置和长度、或裂缝位置和长度选取次传感光纤的长度和铺设位置；根据“相邻量短光纤布里渊频移差需要大于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱”这一原则选取次传感光纤的布里渊频移和相邻光纤对的位置关系；

步骤三、将选取好的次传感光纤串联熔接到主传输传感光纤上；

步骤四、将熔接有次传感光纤的主传输传感光纤接入到DPP-BOTDA系统中进行长距离的温度、应变检测，通过系统数据采集获得初始数据；

步骤五、利用多峰选取与拟合数据处理方法进行不同位置的布里渊增益谱拟合处理，得到每个测量位置的布里渊中心频移数据。

本发明的有益效果：

1、本发明提出了一种利用频分复用技术实现布里渊光时域分析仪长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法。该方法在实现长距离分布式光纤传感的同时，可以实现对特定小尺寸位置更高空间分辨率的分布式监测，提升了局部位置的空间分辨率。

2、采用本发明所述方法，可降低对布里渊光时域分析系统采样率的要求，理论上只要采样率大于泵浦脉冲脉宽所决定的采样率，而非接入光纤尺寸所决定的采样率，即可获得接入光纤处的环境信息。即采用空间分辨率为米量级的系统所需采样率，便能实现特定位置处厘米量级的空间分辨率。

附图说明

图1为本发明在长距离输电线路监测方面的应用示意图。

图2为本发明将串联了次传感光纤的主传输传感光纤接入到DPP-BOTDA系统中的示意图。

图3(a)为利用传统BOTDA技术与DPP-BOTDA技术测量获得的多峰布里渊增益谱对比图。

图3(b)为利用增益谱线宽较窄的DPP-BOTDA系统测量获得布里渊多峰增益谱图，左侧黑线主峰为主传输传感光纤对应的布里渊增益谱，右侧实线与虚线小峰为两段次传感光纤对应的布里渊增益谱。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，因此本发明的保护范围不限于下述实施例。

图1为本申请实施例提供的；

图2为本申请实施例提供的；

图3为本申请实施例提供的；

如图1～图3所示，本实施例所涉及的一种利用频分复用技术实现布里渊光时域分析仪长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据输电线、桥梁或其他大型建筑等传感对象的长度或大小选取特定长度的主传输传感光纤；例如监测长100千米的桥梁，则选取100千米左右的主传感光纤；

步骤二、根据接线端子位置和长度、或称重区域位置和长度、或裂缝位置和长度选取次传感光纤的长度和铺设位置；根据“相邻量短光纤布里渊频移差需要大于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱谱宽”这一原则选取次传感光纤的布里渊频移和相邻光纤对的位置关系；

步骤三、将选取好的次传感光纤串联熔接到主传输传感光纤上；

步骤四、将熔接有次传感光纤的主传输传感光纤接入到传统的DPP-BOTDA系统中进行长距离的温度、应变检测，通过系统数据采集获得初始数据；

步骤五、利用多峰选取与拟合数据处理方法进行不同位置的布里渊增益谱拟合处理，得到每个测量位置的布里渊中心频移数据。

所述主传输传感光纤采用最基本的普通单模光纤或者普通单模保偏光纤，对主传输传感光纤的类型与掺杂不做保护要求，主传输传感光纤作用为光的传输媒介及普通位置的温度、应变检测。

次传感光纤的长度、材料和位置选取是本发明专利的重点内容。其中所述次传感光纤的长度需要与被测小尺寸位置的长度相同，这样才能起到定点测量的目的；次传感光纤的材料需要满足“相邻量短光纤布里渊频移差需要大于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱谱宽”的要求；次传感光纤的位置需要铺设在需要单独测量的小尺寸位置，小尺寸位置的空间分辨率不由DPP-BOTDA系统脉宽决定，而由小尺寸位置铺设的次传感光纤长度决定，因此提高了该位置的测量空间分辨率。

理论上，上述方法不仅可以实现厘米级空间分辨率(已经由实验获得)，而且只要满足小尺寸位置的信噪比足够强、增益信号足够大，在小尺寸位置可以实现更高空间分辨率，有望实现亚厘米级空间分辨率。可以采用高非线性、高增益的特殊掺杂光纤作为次传感光纤，获得小尺寸位置更高强度的测量信号。只要能提升小尺寸位置的信噪比，就可以实现更高空间分辨率的提升。

DPP-BOTDA系统不作为本专利的主要创新内容，可以采用现有技术，空间分辨率米量级或者几十厘米量级均可，测量距离几十公里至一百多公里均可。DPP-BOTDA系统结构不作为本创新发明讨论内容。

1、本发明的工作原理：本发明采用传统的DPP-BOTDA系统，通过改变传感光纤的结构，即在需要特别监测的小尺寸结构处熔接入次级传感光纤，然后采用多峰提取与拟合数据处理方法，对主传感光纤得到的单峰布里渊增益谱进行非线性拟合得出布里渊频移，得到主传感光纤处的分布式环境信息；在次传感光纤得到的多峰布里渊增益谱中选取次传感光纤的布里渊频移f₁为拟合范围中心，以DPP-BOTDA系统布里渊增益谱宽的2倍为拟合范围进行非线性拟合得出布里渊频移，得到小尺寸结构处的环境信息，从而实现提高长距离分布测量过程中有限小尺寸位置空间分辨率的目的。

2、传感光线结构：本发明将布里渊频移不同的传感光纤串联熔接在一根传感光纤上，熔接在一起的多种光纤可以划分为两类：主传输传感光纤(长度依据工程实际需要，一般为公里级长度，频移为f₀)和次传感光纤(长度根据小尺寸位置长度决定，频移分别为f₁，f₂、f₃、f₄……)，实现一根传感光纤具有不同布里渊频移的频分复用效果。主传输传感光纤既作为光传输媒介又实现对普通位置的低空间分辨率分布测量，其空间分辨率由DPP-BOTDA脉冲宽度决定；次传感光纤的长度由待测特殊小尺寸位置长度决定，次传感光纤的长度决定了该位置的空间分辨率。由于次传感光纤的尺寸远小于DPP-BOTDA脉冲宽度决定的空间分辨率，因此次传感光纤长度对应的空间分辨率远高于DPP-BOTDA脉宽决定的空间分辨率，即实现了对定点特殊小尺寸位置高空间分辨率的分布测量需求。次传感光纤的布里渊频移与相邻的光纤的布里渊频移不同，频移差需要大于采用的DPP-BOTDA系统增益谱宽。

由于无论主传输传感光纤和次传感光纤，相邻光纤之间布里渊频移差均需要大于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽。则依据图2具体说明主传输传感光纤布里渊频移和次传感光纤布里渊频移之间的关系：

若DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽为Δf，则图中的主传输传感光纤频移f₀与第一段次传感光纤布里渊频移f₁满足：f₀-f₁>>Δf

在第三个位置处由于有两段次传感光纤串联熔接(模仿实际情况中两个相邻的小尺寸位置)，则需要满足：f₀-f₁>>Δf、f₁–f₂>>Δf和f₀–f₂>>Δf

以此类推可以得到每个小尺寸位置处需要熔接的次传感光纤布里渊频移的要求。

3、多峰增益谱的获取：DPP-BOTDA系统的探测光扫频范围覆盖了主传输传感光纤的布里渊增益谱和次传感光纤的布里渊增益谱。由于DPP-BOTDA系统的探测脉宽所决定的空间分辨率(一般为米量级，或者几十厘米量级)比次传感光纤长度(由定点小尺寸位置长度决定，厘米量级)长，而且主传输传感光纤布里渊频移与次传感光纤布里渊频移不同，两者之间的频移差大于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽，因此在次传感光纤位置获得的布里渊增益谱表现为多峰，即包含一个主传输传感光纤布里渊增益谱和相邻的多个(至少是一个)次传感光纤布里渊增益谱。普通长距离测量方案中采用一种传感光纤，任何位置得到的增益谱为单峰增益谱，我们提出的方法得到的增益谱为多峰，相邻两个峰由于光纤布里渊频移相差很大，因此可以彼此分开独立存在。而我们在小尺寸位置就采用次传感光纤布里渊增益谱峰，而不采用主传输传感光纤布里渊增益谱峰。

4、利用次传感光纤增益谱实现小尺寸位置传感的方式：当小尺寸位置的温度或者应变发生了变化，小尺寸位置贴附的次传感光纤布里渊频移会发生相应的变化。通过上一步的介绍我们知道，在小尺寸位置布里渊增益谱表现为多峰结构，每个次传感光纤对应增益峰都可以体现该次传感光纤位置处温度和应变的变化，通过计算次传感光纤布里渊增益谱峰的移动获得次传感光纤位置发生的温度和应变变化。

5、数据处理过程：DPP-BOTDA系统获得每个位置的布里渊增益谱后，对该增益谱进行拟合从而获得增益谱中心频移。由于传感光纤分为主传输传感光纤和次传感光纤，DPP-BOTDA系统的探测光扫频范围覆盖了主传输传感光纤的布里渊增益谱和次传感光纤的布里渊增益谱，在主传输传感光纤位置布里渊增益谱为单峰，在次传感光纤位置的布里渊增益谱为多峰，因此在主传输传感光纤位置和次传感光纤位置数据处理方式有所不同。

对主传输传感光纤的单峰布里渊增益谱拟合的方法是：

以主传输传感光纤的布里渊频移f₀为拟合范围中心，以2倍于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽Δf为拟合范围，即拟合范围F₁为：

f₀-Δf<F₁<f₀+Δf

对次传感光纤的多峰布里渊增益谱拟合的方法是：

以次传感光纤的布里渊频移f₁为拟合范围中心，以2倍于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽Δf为拟合范围，即拟合范围F₂为：

F₁-Δf<F₂<f₁+Δf

6、降低采样率要求：传统DPP-BOTDA系统对采样率的最低要求是采样间隔小于等于空间分辨率，空间分辨率为50cm时，采样间隔应小于等于50cm，采样率大于等于200MS/s；空间分辨率为5cm时，采样间隔应小于等于5cm，采样率大于等于2GS/s。而我们提出的频分复用方法中，定点处的5cm高空间分辨率是由熔接入的布里渊频移与原光纤相异的短光纤实现的，而系统空间分辨率实际为50cm，所以理论上采样间隔只需小于等于50cm，即采样率大于等于200MS/s即可满足采样要求。由此可知，本发明可实现提升定点空间分辨率的同时维持对采样率的低要求。

由上述实例可以看出，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出了一种利用频分复用技术实现布里渊光时域分析仪长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法。该方法在实现长距离分布式光纤传感的同时，可以实现对特定小尺寸位置更高空间分辨率的分布式监测，提升了局部位置的空间分辨率。

2、采用本发明所述方法，可降低对布里渊光时域分析系统采样率的要求，理论上只要采样率大于泵浦脉冲脉宽所决定的采样率，而非接入光纤尺寸所决定的采样率，即可获得接入光纤处的环境信息。即采用空间分辨率为米量级的系统所需采样率，便能实现特定位置处厘米量级的空间分辨率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，其特征在于，包括：

根据输电线、桥梁或其他大型建筑传感对象的长度或大小选取特定长度的主传输传感光纤；

根据接线端子位置和长度、或称重区域位置和长度、或裂缝位置和长度选取次传感光纤的长度和铺设位置；根据相邻量短光纤布里渊频移差需要大于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱谱宽这一原则选取次传感光纤的布里渊频移和相邻光纤对的位置关系；

将选取好的次传感光纤串联熔接到主传输传感光纤上；

将熔接有次传感光纤的主传输传感光纤接入到DPP-BOTDA系统中进行长距离的温度、应变检测，通过系统数据采集获得初始数据；

利用多峰选取与拟合数据处理方法进行不同位置的布里渊增益谱拟合处理，得到每个测量位置的布里渊中心频移数据。

2.根据权利要求1所述的实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，其特征在于，所述主传输传感光纤采用单模光纤或者单模保偏光纤。

3.根据权利要求1所述的实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，其特征在于，所述次传感光纤的长度与被测小尺寸位置的长度相同。

4.根据权利要求1所述的实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，其特征在于，对主传输传感光纤的单峰布里渊增益谱拟合的方法是：以主传输传感光纤的布里渊频移f₀为拟合范围中心，以2倍于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽Δf为拟合范围，即拟合范围F₁为：

f₀-Δf<F₁<f₀+Δf。

5.根据权利要求1所述的实现长距离分布测量中定点位置厘米级空间分辨率的方法，其特征在于，对次传感光纤的多峰布里渊增益谱拟合的方法是：以次传感光纤的布里渊频移f₁为拟合范围中心，以2倍于DPP-BOTDA系统的布里渊增益谱宽Δf为拟合范围，即拟合范围F₂为：

F₁-Δf<F₂<f₁+Δf。