CN109632134B - 一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统 - Google Patents

一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法及系统
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；
获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；
根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；
根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变。
可选的，所述根据所述多光纤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，具体包括：
根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；
根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组
Figure BDA0001937032350000031
其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。
可选的，所述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，具体包括：
对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。
可选的，所述根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度，具体包括：
根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；
其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。
可选的，所述根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变，具体包括：
根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；
其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。
一种布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，包括：
第一获取模块，用于获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；
系统构建模块，用于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；
方程组建立模块，用于根据所述多光纤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；
方程组转换模块，用于将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；
求解模块，用于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；
第二获取模块，用于获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；
实际温度确定模块，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；
实际应变确定模块，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变。
可选的，所述方程组建立模块，具体包括：
获取单元，用于根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；
方程组建立单元，用于根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组
Figure BDA0001937032350000041
其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。
可选的，所述求解模块，具体包括：
求解单元，用于对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。
可选的，所述实际温度确定模块，具体包括：
实际温度确定单元，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；
其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。
可选的，所述实际应变确定模块，具体包括：
实际应变确定单元，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；
其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，包括建立布里渊光时域分析中温度和应变的超定方程，将双变量的求解问题转化为优化问题，通过得到尽可能多的方程数量，能够显著提高布里渊光时域分析中温度、应变的解耦精度和可靠性，具有重要的推广应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例布里渊光时域分析温度、应变解耦方法流程图；
图2为本发明实施例布里渊光时域分析温度、应变解耦系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例布里渊光时域分析温度、应变解耦方法流程图。如图1所示，一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，包括：
步骤101：获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；
步骤102：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；
步骤103：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；
步骤104：将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；
步骤105：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；
步骤106：获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；
步骤107：根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；
步骤108：根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变。
步骤103，具体包括：
根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；
根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组
Figure BDA0001937032350000071
其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。
将上述超定方程组的求解问题转化为最小二乘法优化问题：
首先将方程组写成
Figure BDA0001937032350000072
引入残差平方和函数
Figure BDA0001937032350000073
式中ki为引入的第i根传感光纤的布里渊频移权重因子，可由布里渊频移与布里渊强度的测量误差比值得到；优化δT和δε的值，使得f(δT,δε)取值最小。
步骤105，具体包括：
对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度优化值和应变优化值。
步骤107，具体包括：
根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；
其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。
步骤108，具体包括：
根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；
其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。
本发明一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法的本质在于构建关于温度和应变的超定方程组，结合最小二乘法将变量求解问题转换为变量优化问题，从而提高BOTDA中温度和应变的解耦精度，在实际分布式光纤监测应用中具有重要的应用前景。
本发明所述多光纤BOTDA分布式传感系统中，可在同一套主机中采用分时监测方法，获取不同传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息。
本发明所述超定方程组中包含的独立方程的个数越多，最终温度、应变的解耦精度越高。
图2为本发明实施例布里渊光时域分析温度、应变解耦系统结构图。如图2所示，一种布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，包括：
第一获取模块201，用于获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；
系统构建模块202，用于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；
方程组建立模块203，用于根据所述多光纤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；
方程组转换模块204，用于将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；
求解模块205，用于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；
第二获取模块206，用于获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；
实际温度确定模块207，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；
实际应变确定模块208，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变。
所述方程组建立模块203，具体包括：
获取单元，用于根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；
方程组建立单元，用于根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组
Figure BDA0001937032350000091
其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。
将上述超定方程组的求解问题转化为最小二乘法优化问题：
首先将方程组写成
Figure BDA0001937032350000092
引入残差平方和函数
Figure BDA0001937032350000093
式中ki为引入的第i根传感光纤的布里渊频移权重因子，可由布里渊频移与布里渊强度的测量误差比值得到；优化δT和δε的值，使得f(δT,δε)取值最小。
所述求解模块205，具体包括：
求解单元，用于对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。
所述实际温度确定模块207，具体包括：
实际温度确定单元，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；
其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。
所述实际应变确定模块208，具体包括：
实际应变确定单元，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；
其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。
本领域的技术人员可以对本发明一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法和系统进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。例如，本发明中通过联立多根传感光纤的布里渊频移和强度得到超定方程组，事实上，还可以通过与拉曼散射、布里渊散射联合法、特殊传感光纤的双布里渊法等进行联立，得到超定方程组。因此，倘若任何修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，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，具体包括：
根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；
根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组
Figure FDA0002616117900000011
其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数；
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；
获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；
根据所述温度变化量的优化值和所述初始温度，得到实际温度；
根据所述应变变化量的优化值和所述初始应力，得到实际应变。
2.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，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，具体包括：
对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。
3.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度，具体包括：
根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；
其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。
4.根据权利要求1所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦方法，其特征在于，根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变，具体包括：
根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；
其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。
5.一种布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取多根不同传感光纤的布里渊温度系数和应变系数；
系统构建模块，用于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BOTDA分布式传感系统；
方程组建立模块，用于根据所述多光纤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；
方程组转换模块，用于将所述超定方程组转化为最小二乘法优化方程组；
求解模块，用于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；
第二获取模块，用于获取传感光纤标定对应的初始温度和初始应力；
实际温度确定模块，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，得到实际温度；
实际应变确定模块，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，得到实际应变；
所述方程组建立模块，具体包括：
获取单元，用于根据所述多光纤BOTDA分布式传感系统，获取每根传感光纤的布里渊频移和布里渊相对强度信息；
方程组建立单元，用于根据所述传感光纤的布里渊频移和所述布里渊相对强度信息，建立关于温度变化量和应变变化量的超定方程组
Figure FDA0002616117900000031
其中，δνi代表第i根传感光纤对应的布里渊频移值；Pi和δPi分别代表第i根传感光纤的归一化布里渊散射峰处的光功率和功率变化量；δT、δε分别为温度和应变的变化量；Ci1代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的温度系数；Ci2代表第i根传感光纤布里渊峰频移对应的应变系数；Di1代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的温度系数；Di2代表第i根传感光纤布里渊峰强对应的应变系数。
6.根据权利要求5所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，其特征在于，所述求解模块，具体包括：
求解单元，用于对所述最小二乘法优化方程组采用矩阵求导法或梯度下降法进行求解，得到温度变化量优化值和应变变化量优化值。
7.根据权利要求5所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，其特征在于，所述实际温度确定模块，具体包括：
实际温度确定单元，用于根据所述温度变化量优化值和所述初始温度，采用公式T＝T0+δTopt得到实际温度T；
其中，T0为传感光纤标定对应的初始温度，δTopt为温度变化量优化值，T为实际温度。
8.根据权利要求5所述的布里渊光时域分析温度、应变解耦系统，其特征在于，所述实际应变确定模块，具体包括：
实际应变确定单元，用于根据所述应变变化量优化值和所述初始应力，采用公式ε＝ε0+δεopt得到实际应变ε；
其中，ε0为传感光纤标定对应的初始应力，δεopt为应变变化量优化值。
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