CN112082494B - 光纤应变及温度分布复合测试botdr及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涉及光纤应变及温度分布复合测试BOTDR及其工作方法，属于光纤传感领域。本发明提出了一种涉及光纤应变及温度分布复合测试BOTDR及其工作方法，通过对双波长布里渊后向散射信号的复用探测及信息提取，结合光纤自身的应变系数及温度系数，基于自发布里渊后向散射信号应变与温度测试原理，实现对单根被测光纤的应变分布数据与温度分布数据的提取，从而利用被测光纤自身实现其应变分布数据的温度补偿，该方法无需增加工程成本及工作量，而且无需增加测试时间，利用被测光纤自身就可以实现温度补偿，提高了实际工程应用中光纤应变分布测试精度，而且进一步扩大了布里渊光时域反射计的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体一种涉及光纤应变及温度分布复合测试BOTDR及其工作方法。
背景技术
布里渊光时域反射计(简称BOTDR)依靠测量光纤的后向布里渊散射光分布信息计算光纤的应变分布。布里渊光时域反射计可用于岩土工程健康监测、地质灾害预警监测、电缆及管道的健康监测等领域，是工程领域用于取代传统点式传感器的最有力的产品之一。但是在BOTDR的使用过程中，由于后向布里渊散射信号对光纤应变与温度都敏感，所以光纤所受的温度分布会对光纤应变分布数据造成干扰，在实际工程应用中，这种干扰会导致光纤应变分布数据测试误差增加，在温度出现大幅度变化后，难以保证光纤应变分布数据的准确性。
目前对于BOTDR测试光纤应变分布数据后，对其温度数据的补偿方法，一种在温度变化不大的前提下，认为温度影响较小，不对其进行温度补偿，在实验室内可行，但在实际工程应用中难以实现。另外则是针对实际工程的补偿方案，一种是通过平行布设感温光缆，认为感温光缆只受温度影响不受应变影响，通过BOTDR测试其温度分布数据对应变分布数据进行补偿，但该方案不仅需要额外平行布设感温光缆，增加了工程施工工作量，也增加了成本，同时，当感温光缆所受应变较大时，其测试得到的温度数据也会受到自身应变分布的影响，导致测试误差增加，温度补偿效果减小甚至消失；另一种工程方案是在应变光缆布设过程中每隔一段距离布设一段冗余不受应变的光缆进行温度补偿，该方案会导致工程所使用应变光缆距离大大增加，而且施工难度及工作量也急剧增长，其数据计算及分析非常复杂，在实际工程中难以应用。
目前对于BOTDR测试光纤应变分布数据后，对其温度数据的补偿方法，一种在温度变化不大的前提下，认为温度影响较小，不对其进行温度补偿，在实验室内可行，但在实际工程应用中难以实现。另外则是针对实际工程的补偿方案，一种是通过平行布设感温光缆，认为感温光缆只受温度影响不受应变影响，通过BOTDR测试其温度分布数据对应变分布数据进行补偿，但该方案不仅需要额外平行布设感温光缆，增加了工程施工工作量，也增加了成本，同时，当感温光缆所受应变较大时，其测试得到的温度数据也会受到自身应变分布的影响，导致测试误差增加，温度补偿效果减小甚至消失；另一种工程方案是在应变光缆布设过程中每隔一段距离布设一段冗余不受应变的光缆进行温度补偿，该方案会导致工程所使用应变光缆距离大大增加，而且施工难度及工作量也急剧增长，其数据计算及分析非常复杂，在实际工程中难以应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种涉及光纤应变及温度分布复合测试BOTDR及其工作方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
光纤应变及温度分布复合测试BOTDR，其特征在于：包括控制模块、1310nm超窄线宽光源、1310nm脉冲调制模块、1310nm拉曼放大器、1310nm光环形器、1310nm/1550nm波分复用器、被测光纤/被测光缆、1310nm1:1耦合器、光滤波器、第一O/E模块、第一高速采集模块、第二O/E模块、第二高速采集模块、1550nm超窄线宽光源、1550nm10:90耦合器、1550nm脉冲调制模块、掺铒光纤放大器模块、1550nm光环形器、1550nm高速扰偏器模块、1550nm1:1耦合器、第三O/E模块、混频器、高纯微波本振源、第三高速采集模块；
1310nm超窄线宽光源、1310nm脉冲调制模块、1310nm拉曼放大器、1310nm光环形器通过线路依次连接；1310nm脉冲调制模块与控制模块通过线路连接；
1310nm光环形器的另一端和1310nm1:1耦合器的输入端连接，1310nm光环形器的第三端和1310nm/1550nm波分复用器的1310nm端口连接；
1310nm1:1耦合器的两个输出端分别与光滤波器、第二O/E模块连接；
光滤波器、第一O/E模块、第一高速采集模块、控制模块通过线路依次连接；
第二O/E模块、第二高速采集模块、控制模块通过线路依次连接；
1550nm超窄线宽光源与1550nm10:90耦合器通过线路连接；1550nm10:90耦合器，其90％输出端与1550nm脉冲调制模块连接，其10％输出端与1550nm高速扰偏器模块连接；
1550nm脉冲调制模块分别与控制模块、掺铒光纤放大器模块通过线路连接；
掺铒光纤放大器模块与1550nm光环形器的一端通过线路连接；1550nm光环形器的另一端与1550nm1:1耦合器的一端连接；1550nm光环形器的第三端与1310nm/1550nm波分复用器的1550nm端口连接；1310nm/1550nm波分复用器的COM接口与被测光纤连接；
1550nm1:1耦合器的另一端通过线路连接至1550nm高速扰偏器模块；
1550nm1:1耦合器的第三端通过线路连接至第三O/E模块；
第三O/E模块、混频器、高纯微波本振源通过线路依次连接；
第三高速采集模块分别与高纯微波本振源、控制模块通过线路连接。
此外，本发明还提到一种光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，该方法采用如上所述的光纤应变及温度分布复合测试BOTD，包括如下步骤：
步骤101：用户输入脉冲宽度PW，被测光纤1550nm波段折射率IN15，被测光纤1310nm波段折射率IN13，量程RP，起始频率FS，终止频率FE，频率间隔FA，累加次数AT，距离分辨率SR、光纤应变系数CSFS、光纤温度系数TSFS、光纤基准温度参数T0、光纤基准中心频率参数BCF0、光纤应变系数CSPC、光纤温度系数TSPC、光纤布里渊基准强度参数数据BPD0[0]到BPD0[N]、光纤瑞利基准强度参数数据RPD0[0]到RPD0[N]测试参数后，其中距离采集数据数目N＝RP/SR，启动测试；
步骤102：测试完毕，读取测试参数，根据量程RP及被测光纤折射率IN，计算单次测试时间TU为2*IN15*RP/C，C为真空光速，根据距离分辨率SR确定采样间隔时间TS，计算频率采集数据数目M为(FE-FS)/FA；
步骤103：启动1310nm超窄线宽光源与1550nm超窄线宽光源，本振信号频率BZF赋值为FS，将BZF设置到高纯微波本振源；
步骤104：初始化布里渊和瑞利数据，将1310布里渊测试数据DATAB13[0]到DATAB13[N]赋值为0，将1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]赋值为0，将1550布里渊测试数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]赋值为0，将频率计数FIN赋值为0；
步骤105：初始化单次布里渊和瑞利数据，将累加次数计数器ATT赋值为0，将1310单次布里渊数据DATABO13[0]到DATABO13[N]赋值为0，将1310单次瑞利数据DATARO13[0]到DATARO13[N]赋值为0，将1550单次布里渊数据DATABO15[0]到DATABO15[N]赋值为0；
步骤106：顺序启动测试模块，启动时序计时TQ，启动高纯微波本振源，启动1310nm脉冲调制模块与1550nm脉冲调制模块，产生单次测试探测脉冲，同时启动第一高速采样模块，采集1310临时布里渊数据DATABO13T，启动第二高速采样模块，采集1310临时瑞利数据DATARO13T，启动第三高速采样模块，采集1550临时布里渊数据DATABO15T；
步骤107：等待时序计时TQ计时值达到单次测试时间TU，停止第一高速采样模块、第二高速采样模块和第三高速采样模块；
步骤108：计算1310单次布里渊数据DATABO13＝DATABO13+DATABO13T，范围从0到N，计算1310单次瑞利数据DATARO13＝DATARO13+DATARO13T，范围从0到N，计算1550单次布里渊数据DATABO15＝DATABO15+DATABO15T，范围从0到N；
步骤109：判断ATT是否大于等于AT，如果是转步骤111，否则转步骤110；
步骤110；设置ATT为ATT+1；
步骤111：计算DATAB13＝DATAB13+DATABO13，范围从0到N，计算DATAR13＝DATAR13+DATARO13，范围从0到N，设置DATAB15[FIN][0～N]＝DATAO15[0～N]；
步骤112：将本振信号频率BZF赋值为BZF+FA，将BZF设置到高纯微波本振源，将FIN设置为FIN+1；
步骤113：判断BZF是否大于等于FE，如果是转步骤114，否则转步骤105；
步骤114：多重数据分析及补偿；对数据DATAB13[0]到DATAB13[N]、DATAR13[0]到DATAR13[N]与DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，获取无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]；
步骤115：输出数据SDATAN[0～N]、TDATA[0～N]与SDATA[0～N]到显示界面，测试结束。
优选地，在步骤114中，多重数据分析及补偿方法，包括如下步骤：
步骤201：获取1310布里渊测试数据DATAB13[0]到DATAB13[N]、1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]与1550布里渊测试数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]，获取各测试参数及数据；
步骤202：计算距离数据中值滤波窗口宽度DMFW为2*IN13*PW/C*SR，如果DMFW为偶数则设置DMFW为DMFW+1，采用中值滤波算法以DMFW为滤波窗宽度对DATAB13、DATAR13进行滤波，范围从0到N；
步骤203：计算频率数据中值滤波窗口宽度FMFW，如果M小于等于30，设置FMFW为5；如果M大于30并且小于等于100，设置FMFW为9；如果M大于100并且小于等于200，设置FMFW为13；如果M大于200，则设置FMFW为19；
步骤204：初始化临时循环标志I为0；
步骤205：对DATAB15[0][I]到DATAB15[M][I]使用中值滤波算法，以FMFW为滤波窗宽度进行滤波；
步骤206：判断I是否大于等于N，如果是转步骤208，否则转步骤207；
步骤207：设置I为I+1；
步骤208：读取仪器内部1310长度校准数据LJDATA13及1550长度校准数据LJDATA15，根据采样间隔时间TS和IN13计算1310距离数据存放至XDATA13[0]到XDATA13[N]，根据TS和IN15计算1550距离数据存放至XDATA15[0]到XDATA15[N]；
步骤209：在XDATA13中寻找距离LJDATA13差值最小的距离点，记录其对应下标为PN13，设置DATAB13[0]到DATAB13[(N-PN13)]分别为DATAB13[PN13]DATAB13[N]，设置DATAB13[(N-PN13+1)]到DATAB13[N]为0；设置DATAR13[0]到DATAR13[(N-PN13)]分别为DATAR13[PN13]到DATAR13[N]，设置DATAR13[(N-PN13+1)]到DATAR13[N]为0；
步骤210：对数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，得到1550布里渊中心频移分布数据，并将其存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]；
步骤211：对DATAB13[0]到DATAB13[N]、DATAR13[0]到DATAR13[N]进行分析，得到1310布里渊强度变化数据，并将其存放至DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]；
步骤212：对DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]及DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]数据进行分析，得到无补偿应变分布数据存放至SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]；
步骤213：输出无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，分析过程结束。
优选地，在步骤210中，1550布里渊中心频移分布数据分析方法，包括如下步骤：
步骤301：对DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，得到1550布里渊中心频移数据存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]；
步骤302：获取DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]的数据，初始化DATAB15T[0]到DATAB15[N]的值为0；
步骤303：初始化临时循环标志I为0；
步骤304：将临时布里渊谱X数据SPCXDATA[0]到SPCXDATA[M]初始化为0，将临时布里渊谱Y数据SPCXDATA[0]到SPCXDATA[M]初始化为0；
步骤305：初始化临时循环标志J为0；
步骤306：设置SPCXDATA[J]为FS+J*FA；
步骤307：判断J是否大于等于M，如果是转步骤309，否则转步骤308；
步骤308：设置J为J+1；
步骤309：设置SPCYDATA[0]到SPCYDATA[M]分别为DATAB15[0][I]到DATAB15[M][I]的对应值；
步骤310：对SPCDATA[0]到SPCDATA[M]进行洛伦兹曲线拟合或高斯曲线拟合，拟合得到的中心频率值CF，将CF值赋值到DATAB15T[I]；
步骤311：判断I是否大于等于N，如果是转步骤313，否则转步骤312；
步骤312：设置I为I+1；
步骤313：计算DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]分别为DATAB15T[0]-BCF0到DATAB15T[N]-BCF0；
步骤314：输出1550布里渊中心频移数据存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]，分析过程结束。
优选地，在步骤211中，1310布里渊强度变化数据分析方法，具体包括如下步骤：
步骤401：读取1310布里渊测试数据存放至DATAB13[0]到DATAB13[N]、1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]、光纤布里渊基准强度参数数据BPD0[0]到BPD0[N]、光纤瑞利基准强度参数数据RPD0[0]到RPD0[N]；
步骤402：计算1310瑞利测试对数数据DATAR13LOG，范围从0到N，计算1310布里渊测试对数数据DATAB13LOG，范围从0到N；
步骤403：计算1310损耗补偿数据DATAL13:＝DATAR13LOG-RPD0，范围从0到N；
步骤404：初始化临时循环标志I为0；
步骤405：判断DATAL13[I]是否小于等于0.5，如果是转步骤406，否则转步骤407；
步骤406：设置DATAL13[I]为0；
步骤407：判断I是否大于等于N，如果是转步骤409，否则转步骤408；
步骤408：设置I为I+1；
步骤409：计算DATAB13LOG＝DATAB13LOG+DATAL13，范围从0到N；
步骤410：计算损耗补偿后的线性布里渊强度数据DATAB13AFP＝10^(DATAB13LOG/10)，范围从0到N；
步骤411：计算1310布里渊强度变化数据DATAB13BP＝DATAB13AFP-BPD0，范围从0到N；
步骤412：输出1310布里渊强度变化数据，分析过程结束。
优选地，在步骤212中，无补偿应变分布数据、温度分布数据与补偿后应变分布数据分析方法，具体包括如下步骤：
步骤501：读取光纤应变系数CSFS、光纤温度系数TSFS、光纤基准温度参数T0、光纤应变系数CSPC、光纤温度系数TSPC测试参数；
步骤502：初始化无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，全部赋值为0；
步骤503：读取DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]、XDATA13[0]到XDATA13[N]、DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]、XDATA15[0]到XDATA[N]的数据；
步骤504：计算并比较XDATA15[1]-XDATA15[0]和XDATA13[1]-XDATA13[0]的最大值，并赋值XT为此最大值的一半；
步骤505：初始化临时循环标志I为0，临时记录标志K为0；
步骤506：初始化临时循环标志J为K；
步骤507：判断XDATA15[I]-XDATA13[J]是否小于等于XT，如果是转步骤509，否则转步骤508；
步骤508：设置J为J+1；
步骤509：分别解方程组CFSC*DS+TSFS*DT＝DATAB15BCFS[I]，CSPC*DS+TSFS*DT＝DATADATAB13BP[J]；
步骤510：设置SDATAN[I]＝DATAB15BCFS[I]/CFSC，SDATA[I]＝DS，TDATA[I]＝T0+DT；
步骤511：设置K为J；
步骤512：判断I是否大于等于N，如果是转步骤514，否则转步骤513；
步骤513：设置I为I+1；
步骤514：输出无补偿应变分布数据存放至SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，分析过程结束。
本发明所带来的有益技术效果：
无需增加工程成本及工作量，而且无需增加测试时间，利用被测光纤自身就可以实现温度补偿，提高了实际工程应用中光纤应变分布测试精度，而且进一步扩大了布里渊光时域反射计的应用范围。
附图说明
图1为光纤应变及温度分布复合测试BOTD的结构示意图。
1-控制模块，通过CPU模块/嵌入式模块/FPGA等实现对仪器的控制；
2-1310nm超窄线宽光源；
3-1310nm脉冲调制模块；
4-1310nm拉曼放大器；
5-1310nm光环形器；
6-1310nm/1550nm波分复用器，其1310nm接口与5-1310nm光环形器连接，1550nm接口与15-1550nm光环形器连接，COM接口与7-被测光纤连接；
7-被测光纤/被测光缆；
8-1310nm1:1耦合器；
9-光滤波器，阻带中心波长为1310nm窄线宽激光器工作波长，阻带带宽为±5GHz；
10-O/E模块1，典型为APD/光电二极管模块；
11-高速采集模块1，采集数据送入1-控制模块；
12-O/E模块2，典型为APD/光电二极管模块；
13-高速采集模块2，采集数据送入1-控制模块；
14-1550nm超窄线宽光源；
15-1550nm10:90耦合器，90％输出端接16-1550nm脉冲调制模块，10％输出端接19-扰偏器模块；
16-1550nm脉冲调制模块；
17-掺铒光纤放大器模块；
18-1550nm光环形器；
19-1550nm高速扰偏器模块；
20-1550nm1:1耦合器；
21-O/E模块3，典型为APD/光电二极管模块；
22-混频器；
23-高纯微波本振源；
24-高速采集模块3，采集数据送入1-控制模块。
图2为光纤应变及温度分布复合测试BOTD的工作流程图。
图3为多重数据分析及补偿步骤示意图。
图4为布里渊中心频移分布数据分析流程图。
图5为布里渊强度变化数据及损耗补偿流程图。
图6为应变分布数据分析、温度及色散补偿过程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种光纤应变及温度分布复合测试BOTDR，包括控制模块1、1310nm超窄线宽光源2、1310nm脉冲调制模块3、1310nm拉曼放大器、1310nm光环形器、1310nm/1550nm波分复用器、被测光纤/被测光缆、1310nm1:1耦合器、光滤波器、第一O/E模块、第一高速采集模块、第二O/E模块、第二高速采集模块、1550nm超窄线宽光源、1550nm10:90耦合器、1550nm脉冲调制模块、掺铒光纤放大器模块、1550nm光环形器、1550nm高速扰偏器模块、1550nm1:1耦合器、第三O/E模块、混频器、高纯微波本振源、第三高速采集模块；
1310nm超窄线宽光源、1310nm脉冲调制模块、1310nm拉曼放大器、1310nm光环形器通过线路依次连接；1310nm脉冲调制模块与控制模块通过线路连接；
1310nm光环形器的另一端和1310nm1:1耦合器的输入端连接，1310nm光环形器的第三端和1310nm/1550nm波分复用器的1310nm端口连接；
1310nm1:1耦合器的两个输出端分别与光滤波器、第二O/E模块连接；
光滤波器、第一O/E模块、第一高速采集模块、控制模块通过线路依次连接；
第二O/E模块、第二高速采集模块、控制模块通过线路依次连接；
1550nm超窄线宽光源与1550nm10:90耦合器通过线路连接；1550nm10:90耦合器，其90％输出端与1550nm脉冲调制模块连接，其10％输出端与1550nm高速扰偏器模块连接；
1550nm脉冲调制模块分别与控制模块、掺铒光纤放大器模块通过线路连接；
掺铒光纤放大器模块与1550nm光环形器的一端通过线路连接；1550nm光环形器的另一端与1550nm1:1耦合器的一端连接；1550nm光环形器的第三端与1310nm/1550nm波分复用器的1550nm端口连接；1310nm/1550nm波分复用器的COM接口与被测光纤连接；
1550nm1:1耦合器的另一端通过线路连接至1550nm高速扰偏器模块；
1550nm1:1耦合器的第三端通过线路连接至第三O/E模块；
第三O/E模块、混频器、高纯微波本振源通过线路依次连接；
第三高速采集模块分别与高纯微波本振源、控制模块通过线路连接。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明还提到一种光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，其流程如图2所示，通过对1310nm布里渊散射信号强度数据、1310nm瑞利散射信号强度数据以及1550nm布里渊散射信号频率数据进行测试及高速采集，并对上述数据进行分析从而得到补偿后的应变分布数据与温度分布数据，具体步骤如下：
步骤101：用户输入脉冲宽度PW，被测光纤1550nm波段折射率IN15，被测光纤1310nm波段折射率IN13，量程RP，起始频率FS，终止频率FE，频率间隔FA，累加次数AT，距离分辨率SR、光纤应变系数(频移)CSFS、光纤温度系数(频移)TSFS、光纤基准温度参数T0、光纤基准中心频率参数BCF0、光纤应变系数(强度)CSPC、光纤温度系数(强度)TSPC、光纤布里渊基准强度参数数据BPD0[0]到BPD0[N]、光纤瑞利基准强度参数数据RPD0[0]到RPD0[N]等测试参数后，其中距离采集数据数目N＝RP/SR，启动测试；
步骤102：测试完毕，读取测试参数，根据量程RP及被测光纤折射率IN，计算单次测试时间TU为2*IN15*RP/C，C为真空光速，根据距离分辨率SR确定采样间隔时间TS，计算频率采集数据数目M为(FE-FS)/FA；
步骤103：启动1310nm超窄线宽光源与1550nm超窄线宽光源，本振信号频率BZF赋值为FS，将BZF设置到高纯微波本振源；
步骤104：初始化布里渊和瑞利数据，将1310布里渊测试数据DATAB13[0]到DATAB13[N]赋值为0，将1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]赋值为0，将1550布里渊测试数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]赋值为0，将频率计数FIN赋值为0；
步骤105：初始化单次布里渊和瑞利数据，将累加次数计数器ATT赋值为0，将1310单次布里渊数据DATABO13[0]到DATABO13[N]赋值为0，将1310单次瑞利数据DATARO13[0]到DATARO13[N]赋值为0，将1550单次布里渊数据DATABO15[0]到DATABO15[N]赋值为0；
步骤106：顺序启动测试模块，启动时序计时TQ，启动高纯微波本振源，启动1310nm脉冲调制模块与1550nm脉冲调制模块，产生单次测试探测脉冲，同时启动第一高速采样模块，采集1310临时布里渊数据DATABO13T，启动第二高速采样模块，采集1310临时瑞利数据DATARO13T，启动第三高速采样模块，采集1550临时布里渊数据DATABO15T；
步骤107：等待时序计时TQ计时值达到单次测试时间TU，停止第一高速采样模块、第二高速采样模块和第三高速采样模块；
步骤108：计算1310单次布里渊数据DATABO13＝DATABO13+DATABO13T，范围从0到N，计算1310单次瑞利数据DATARO13＝DATARO13+DATARO13T，范围从0到N，计算1550单次布里渊数据DATABO15＝DATABO15+DATABO15T，范围从0到N；
步骤109：判断ATT是否大于等于AT，如果是转步骤111，否则转步骤110；
步骤110；设置ATT为ATT+1；
步骤111：计算DATAB13＝DATAB13+DATABO13，范围从0到N，计算DATAR13＝DATAR13+DATARO13，范围从0到N，设置DATAB15[FIN][0～N]＝DATAO15[0～N]；
步骤112：将本振信号频率BZF赋值为BZF+FA，将BZF设置到高纯微波本振源，将FIN设置为FIN+1；
步骤113：判断BZF是否大于等于FE，如果是转步骤114，否则转步骤105；
步骤114：对数据DATAB13[0]到DATAB13[N]、DATAR13[0]到DATAR13[N]与DATAB15[0][0]到DATA15[MN]进行分析，获取进行无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]；
步骤115：输出数据SDATAN[0～N]、TDATA[0～N]与SDATA[0～N]到显示界面，测试结束。
在步骤114中，多重数据分析及补偿(其流程如图3所示)，包括如下步骤：
步骤201：获取1310布里渊测试数据DATAB13[0]到DATAB13[N]、1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]与1550布里渊测试数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]，获取各测试参数及数据；
步骤202：计算距离数据中值滤波窗口宽度DMFW为2*IN13*PW/(C*SR)，如果DMFW为偶数则设置DMFW为DMFW+1，采用中值滤波算法以DMFW为滤波窗宽度对DATAB13、DATAR13进行滤波，范围从0到N；
步骤203：计算频率数据中值滤波窗口宽度FMFW，如果M小于等于30，设置FMFW为5；如果M大于30并且小于等于100，设置FMFW为9；如果M大于100并且小于等于200，设置FMFW为13；如果M大于200，则设置FMFW为19；
步骤204：初始化临时循环标志I为0；
步骤205：对DATAB15[0][I]到DATAB15[M][I]使用中值滤波算法，以FMFW为滤波窗宽度进行滤波；
步骤206：判断I是否大于等于N，如果是转步骤208，否则转步骤207；
步骤207：设置I为I+1；
步骤208：读取仪器内部1310长度校准数据LJDATA13及1550长度校准数据LJDATA15，根据采样间隔时间TS和IN13计算1310距离数据存放至XDATA13[0]到XDATA13[N]，根据TS和IN15计算1550距离数据存放至XDATA15[0]到XDATA15[N]；
步骤209：在XDATA13中寻找距离LJDATA13差值最小的距离点，记录其对应下标为PN13，设置DATAB13[0]到DATAB13[(N-PN13)]分别为DATAB13[PN13]DATAB13[N]，设置DATAB13[(N-PN13+1)]到DATAB13[N]为0；设置DATAR13[0]到DATAR13[(N-PN13)]分别为DATAR13[PN13]到DATAR13[N]，设置DATAR13[(N-PN13+1)]到DATAR13[N]为0；
步骤210：对数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，得到1550布里渊中心频移存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]，详见步骤301；
步骤211：对DATAB13[0]到DATAB13[N]、DATAR13[0]到DATAR13[N]进行分析，得到1310布里渊强度变化数据存放至DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]，详见步骤401；
步骤212：对DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]及DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]数据进行分析，得到无补偿应变分布数据存放至SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，详见步骤501；
步骤213：输出无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，分析过程结束。
在步骤210中，布里渊中心频移分布数据分析(其流程如图4所示)，包括如下步骤：
步骤301：对DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，得到1550布里渊中心频移数据存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]；
步骤302：获取DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]的数据，初始化DATAB15T[0]到DATAB15[N]的值为0；
步骤303：初始化临时循环标志I为0；
步骤304：将临时布里渊谱X数据SPCXDATA[0]到SPCXDATA[M]初始化为0，将临时布里渊谱Y数据SPCXDATA[0]到SPCXDATA[M]初始化为0；
步骤305：初始化临时循环标志J为0；
步骤306：设置SPCXDATA[J]为FS+J*FA；
步骤307：判断J是否大于等于M，如果是转步骤309，否则转步骤308；
步骤308：设置J为J+1；
步骤309：设置SPCYDATA[0]到SPCYDATA[M]分别为DATAB15[0][I]到DATAB15[M][I]的对应值；
步骤310：对SPCDATA[0]到SPCDATA[M]进行洛伦兹曲线拟合或高斯曲线拟合，拟合得到的中心频率值CF，将CF值赋值到DATAB15T[I]；
步骤311：判断I是否大于等于N，如果是转步骤313，否则转步骤312；
步骤312：设置I为I+1；
步骤313：计算DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]分别为DATAB15T[0]-BCF0到DATAB15T[N]-BCF0；
步骤314：输出1550布里渊中心频移数据存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]，分析过程结束。
在步骤211中，布里渊强度变化数据及损耗补偿(其流程如图5所示)，包括如下步骤：
步骤401：读取1310布里渊测试数据存放至DATAB13[0]到DATAB13[N]、1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]、光纤布里渊基准强度参数数据BPD0[0]到BPD0[N]、光纤瑞利基准强度参数数据RPD0[0]到RPD0[N]；
步骤402：计算1310瑞利测试对数数据DATAR13LOG，范围从0到N，计算1310布里渊测试对数数据DATAB13LOG，范围从0到N；
步骤403：计算1310损耗补偿数据DATAL13:＝DATAR13LOG-RPD0，范围从0到N；
步骤404：初始化临时循环标志I为0；
步骤405：判断DATAL13[I]是否小于等于0.5，如果是转步骤406，否则转步骤407；
步骤406：设置DATAL13[I]为0；
步骤407：判断I是否大于等于N，如果是转步骤409，否则转步骤408；
步骤408：设置I为I+1；
步骤409：计算DATAB13LOG＝DATAB13LOG+DATAL13，范围从0到N；
步骤410：计算损耗补偿后的线性布里渊强度数据DATAB13AFP＝10^(DATAB13LOG/10)，范围从0到N；
步骤411：计算1310布里渊强度变化数据DATAB13BP＝DATAB13AFP-BPD0，范围从0到N；
步骤412：输出1310布里渊强度变化数据，分析过程结束。
在步骤212中，应变分布数据分析、温度及色散补偿(其流程如图6所示)，包括如下步骤：
步骤501：读取光纤应变系数CSFS、光纤温度系数TSFS、光纤基准温度参数T0、光纤应变系数CSPC、光纤温度系数TSPC测试参数；
步骤502：初始化无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，全部赋值为0；
步骤503：读取DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]、XDATA13[0]到XDATA13[N]、DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]、XDATA15[0]到XDATA[N]的数据；
步骤504：计算并比较XDATA15[1]-XDATA15[0]和XDATA13[1]-XDATA13[0]的最大值，并赋值XT为此最大值的一半；
步骤505：初始化临时循环标志I为0，临时记录标志K为0；
步骤506：初始化临时循环标志J为K；
步骤507：判断XDATA15[I]-XDATA13[J]是否小于等于XT，如果是转步骤509，否则转步骤508；
步骤508：设置J为J+1；
步骤509：分别解方程组CFSC*DS+TSFS*DT＝DATAB15BCFS[I]，CSPC*DS+TSFS*DT＝DATADATAB13BP[J]；
步骤510：设置SDATAN[I]＝DATAB15BCFS[I]/CFSC，SDATA[I]＝DS，TDATA[I]＝T0+DT；
步骤511：设置K为J；
步骤512：判断I是否大于等于N，如果是转步骤514，否则转步骤513；
步骤513：设置I为I+1；
步骤514：输出无补偿应变分布数据存放至SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，分析过程结束。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，其特征在于：采用光纤应变及温度分布复合测试BOTDR，光纤应变及温度分布复合测试BOTDR，包括控制模块、1310nm超窄线宽光源、1310nm脉冲调制模块、1310nm拉曼放大器、1310nm光环形器、1310nm/1550nm波分复用器、被测光纤/被测光缆、1310nm1:1耦合器、光滤波器、第一O/E模块、第一高速采集模块、第二O/E模块、第二高速采集模块、1550nm超窄线宽光源、1550nm10:90耦合器、1550nm脉冲调制模块、掺铒光纤放大器模块、1550nm光环形器、1550nm高速扰偏器模块、1550nm1:1耦合器、第三O/E模块、混频器、高纯微波本振源、第三高速采集模块；
1310nm超窄线宽光源、1310nm脉冲调制模块、1310nm拉曼放大器、1310nm光环形器通过线路依次连接；1310nm脉冲调制模块与控制模块通过线路连接；
1310nm光环形器的另一端和1310nm1:1耦合器的输入端连接，1310nm光环形器的第三端和1310nm/1550nm波分复用器的1310nm端口连接；
1310nm1:1耦合器的两个输出端分别与光滤波器、第二O/E模块连接；
光滤波器、第一O/E模块、第一高速采集模块、控制模块通过线路依次连接；
第二O/E模块、第二高速采集模块、控制模块通过线路依次连接；
1550nm超窄线宽光源与1550nm10:90耦合器通过线路连接；1550nm10:90耦合器，其90％输出端与1550nm脉冲调制模块连接，其10％输出端与1550nm高速扰偏器模块连接；
1550nm脉冲调制模块分别与控制模块、掺铒光纤放大器模块通过线路连接；
掺铒光纤放大器模块与1550nm光环形器的一端通过线路连接；1550nm光环形器的另一端与1550nm1:1耦合器的一端连接；1550nm光环形器的第三端与1310nm/1550nm波分复用器的1550nm端口连接；1310nm/1550nm波分复用器的COM接口与被测光纤连接；
1550nm1:1耦合器的另一端通过线路连接至1550nm高速扰偏器模块；
1550nm1:1耦合器的第三端通过线路连接至第三O/E模块；
第三O/E模块、混频器、高纯微波本振源通过线路依次连接；
第三高速采集模块分别与高纯微波本振源、控制模块通过线路连接；包括如下步骤：
步骤101：用户输入脉冲宽度PW，被测光纤1550nm波段折射率IN15，被测光纤1310nm波段折射率IN13，量程RP，起始频率FS，终止频率FE，频率间隔FA，累加次数AT，距离分辨率SR、光纤应变系数CSFS、光纤温度系数TSFS、光纤基准温度参数T0、光纤基准中心频率参数BCF0、光纤应变系数CSPC、光纤温度系数TSPC、光纤布里渊基准强度参数数据BPD0[0]到BPD0[N]、光纤瑞利基准强度参数数据RPD0[0]到RPD0[N]测试参数后，其中距离采集数据数目N＝RP/SR，启动测试；
步骤102：测试完毕，读取测试参数，根据量程RP及被测光纤折射率IN，计算单次测试时间TU为2*IN15*RP/C，C为真空光速，根据距离分辨率SR确定采样间隔时间TS，计算频率采集数据数目M为(FE-FS)/FA；
步骤103：启动1310nm超窄线宽光源与1550nm超窄线宽光源，本振信号频率BZF赋值为FS，将BZF设置到高纯微波本振源；
步骤104：初始化布里渊和瑞利数据，将1310布里渊测试数据DATAB13[0]到DATAB13[N]赋值为0，将1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]赋值为0，将1550布里渊测试数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]赋值为0，将频率计数FIN赋值为0；
步骤105：初始化单次布里渊和瑞利数据，将累加次数计数器ATT赋值为0，将1310单次布里渊数据DATABO13[0]到DATABO13[N]赋值为0，将1310单次瑞利数据DATARO13[0]到DATARO13[N]赋值为0，将1550单次布里渊数据DATABO15[0]到DATABO15[N]赋值为0；
步骤106：顺序启动测试模块，启动时序计时TQ，启动高纯微波本振源，启动1310nm脉冲调制模块与1550nm脉冲调制模块，产生单次测试探测脉冲，同时启动第一高速采样模块，采集1310临时布里渊数据DATABO13T，启动第二高速采样模块，采集1310临时瑞利数据DATARO13T，启动第三高速采样模块，采集1550临时布里渊数据DATABO15T；
步骤107：等待时序计时TQ计时值达到单次测试时间TU，停止第一高速采样模块、第二高速采样模块和第三高速采样模块；
步骤108：计算1310单次布里渊数据DATABO13＝DATABO13+DATABO13T，范围从0到N，计算1310单次瑞利数据DATARO13＝DATARO13+DATARO13T，范围从0到N，计算1550单次布里渊数据DATABO15＝DATABO15+DATABO15T，范围从0到N；
步骤109：判断ATT是否大于等于AT，如果是转步骤111，否则转步骤110；
步骤110；设置ATT为ATT+1；
步骤111：计算DATAB13＝DATAB13+DATABO13，范围从0到N，计算DATAR13＝DATAR13+DATARO13，范围从0到N，设置DATAB15[FIN][0～N]＝DATAO15[0～N]；
步骤112：将本振信号频率BZF赋值为BZF+FA，将BZF设置到高纯微波本振源，将FIN设置为FIN+1；
步骤113：判断BZF是否大于等于FE，如果是转步骤114，否则转步骤105；
步骤114：多重数据分析及补偿；对数据DATAB13[0]到DATAB13[N]、DATAR13[0]到DATAR13[N]与DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，获取无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]；
步骤115：输出数据SDATAN[0～N]、TDATA[0～N]与SDATA[0～N]到显示界面，测试结束。
2.根据权利要求1所述的光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，其特征在于：在步骤114中，多重数据分析及补偿方法，包括如下步骤：
步骤201：获取1310布里渊测试数据DATAB13[0]到DATAB13[N]、1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]与1550布里渊测试数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]，获取各测试参数及数据；
步骤202：计算距离数据中值滤波窗口宽度DMFW为2*IN13*PW/C*SR，如果DMFW为偶数则设置DMFW为DMFW+1，采用中值滤波算法以DMFW为滤波窗宽度对DATAB13、DATAR13进行滤波，范围从0到N；
步骤203：计算频率数据中值滤波窗口宽度FMFW，如果M小于等于30，设置FMFW为5；如果M大于30并且小于等于100，设置FMFW为9；如果M大于100并且小于等于200，设置FMFW为13；如果M大于200，则设置FMFW为19；
步骤204：初始化临时循环标志I为0；
步骤205：对DATAB15[0][I]到DATAB15[M][I]使用中值滤波算法，以FMFW为滤波窗宽度进行滤波；
步骤206：判断I是否大于等于N，如果是转步骤208，否则转步骤207；
步骤207：设置I为I+1；
步骤208：读取仪器内部1310长度校准数据LJDATA13及1550长度校准数据LJDATA15，根据采样间隔时间TS和IN13计算1310距离数据存放至XDATA13[0]到XDATA13[N]，根据TS和IN15计算1550距离数据存放至XDATA15[0]到XDATA15[N]；
步骤209：在XDATA13中寻找距离LJDATA13差值最小的距离点，记录其对应下标为PN13，设置DATAB13[0]到DATAB13[(N-PN13)]分别为DATAB13[PN13]DATAB13[N]，设置DATAB13[(N-PN13+1)]到DATAB13[N]为0；设置DATAR13[0]到DATAR13[(N-PN13)]分别为DATAR13[PN13]到DATAR13[N]，设置DATAR13[(N-PN13+1)]到DATAR13[N]为0；
步骤210：对数据DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，得到1550布里渊中心频移分布数据，并将其存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]；
步骤211：对DATAB13[0]到DATAB13[N]、DATAR13[0]到DATAR13[N]进行分析，得到1310布里渊强度变化数据，并将其存放至DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]；
步骤212：对DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]及DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]数据进行分析，得到无补偿应变分布数据存放至SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]；
步骤213：输出无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，分析过程结束。
3.根据权利要求2所述的光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，其特征在于：在步骤210中，1550布里渊中心频移分布数据分析方法，包括如下步骤：
步骤301：对DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]进行分析，得到1550布里渊中心频移数据存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]；
步骤302：获取DATAB15[0][0]到DATAB15[M][N]的数据，初始化DATAB15T[0]到DATAB15[N]的值为0；
步骤303：初始化临时循环标志I为0；
步骤304：将临时布里渊谱X数据SPCXDATA[0]到SPCXDATA[M]初始化为0，将临时布里渊谱Y数据SPCXDATA[0]到SPCXDATA[M]初始化为0；
步骤305：初始化临时循环标志J为0；
步骤306：设置SPCXDATA[J]为FS+J*FA；
步骤307：判断J是否大于等于M，如果是转步骤309，否则转步骤308；
步骤308：设置J为J+1；
步骤309：设置SPCYDATA[0]到SPCYDATA[M]分别为DATAB15[0][I]到DATAB15[M][I]的对应值；
步骤310：对SPCDATA[0]到SPCDATA[M]进行洛伦兹曲线拟合或高斯曲线拟合，拟合得到的中心频率值CF，将CF值赋值到DATAB15T[I]；
步骤311：判断I是否大于等于N，如果是转步骤313，否则转步骤312；
步骤312：设置I为I+1；
步骤313：计算DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]分别为DATAB15T[0]-BCF0到DATAB15T[N]-BCF0；
步骤314：输出1550布里渊中心频移数据存放至DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]，分析过程结束。
4.根据权利要求2所述的光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，其特征在于：在步骤211中，1310布里渊强度变化数据分析方法，具体包括如下步骤：
步骤401：读取1310布里渊测试数据存放至DATAB13[0]到DATAB13[N]、1310瑞利测试数据DATAR13[0]到DATAR13[N]、光纤布里渊基准强度参数数据BPD0[0]到BPD0[N]、光纤瑞利基准强度参数数据RPD0[0]到RPD0[N]；
步骤402：计算1310瑞利测试对数数据DATAR13LOG，范围从0到N，计算1310布里渊测试对数数据DATAB13LOG，范围从0到N；
步骤403：计算1310损耗补偿数据DATAL13:＝DATAR13LOG-RPD0，范围从0到N；
步骤404：初始化临时循环标志I为0；
步骤405：判断DATAL13[I]是否小于等于0.5，如果是转步骤406，否则转步骤407；
步骤406：设置DATAL13[I]为0；
步骤407：判断I是否大于等于N，如果是转步骤409，否则转步骤408；
步骤408：设置I为I+1；
步骤409：计算DATAB13LOG＝DATAB13LOG+DATAL13，范围从0到N；
步骤410：计算损耗补偿后的线性布里渊强度数据DATAB13AFP＝10^(DATAB13LOG/10)，范围从0到N；
步骤411：计算1310布里渊强度变化数据DATAB13BP＝DATAB13AFP-BPD0，范围从0到N；
步骤412：输出1310布里渊强度变化数据，分析过程结束。
5.根据权利要求2所述的光纤应变及温度分布复合测试BOTDR的工作方法，其特征在于：在步骤212中，无补偿应变分布数据、温度分布数据与补偿后应变分布数据分析方法，具体包括如下步骤：
步骤501：读取光纤应变系数CSFS、光纤温度系数TSFS、光纤基准温度参数T0、光纤应变系数CSPC、光纤温度系数TSPC测试参数；
步骤502：初始化无补偿应变分布数据SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，全部赋值为0；
步骤503：读取DATAB13BP[0]到DATAB13BP[N]、XDATA13[0]到XDATA13[N]、DATAB15BCFS[0]到DATAB15BCFS[N]、XDATA15[0]到XDATA[N]的数据；
步骤504：计算并比较XDATA15[1]-XDATA15[0]和XDATA13[1]-XDATA13[0]的最大值，并赋值XT为此最大值的一半；
步骤505：初始化临时循环标志I为0，临时记录标志K为0；
步骤506：初始化临时循环标志J为K；
步骤507：判断XDATA15[I]-XDATA13[J]是否小于等于XT，如果是转步骤509，否则转步骤508；
步骤508：设置J为J+1；
步骤509：分别解方程组CFSC*DS+TSFS*DT＝DATAB15BCFS[I]，CSPC*DS+TSFS*DT＝DATADATAB13BP[J]；
步骤510：设置SDATAN[I]＝DATAB15BCFS[I]/CFSC，SDATA[I]＝DS，TDATA[I]＝T0+DT；
步骤511：设置K为J；
步骤512：判断I是否大于等于N，如果是转步骤514，否则转步骤513；
步骤513：设置I为I+1；
步骤514：输出无补偿应变分布数据存放至SDATAN[0]到SDATAN[N]、温度分布数据TDATA[0]到TDATA[N]与补偿后应变分布数据SDATA[0]到SDATA[N]，分析过程结束。
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