CN1661333A - 使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其可以使用两种脉冲光和由此取得的两种反向散射光，作为被进一步提高的空间分辨率来测量有关有关结构体的物理量及其分布。本发明涉及一种方法，即，将光纤设置在结构体上，将其脉冲宽度相互各异的各脉冲光设定为一对，并依次在光纤中行进，并在获得各反向散射光以及各布里渊增益谱后，从各布里渊增益谱的对比中算出标准谱，据此，获得布里渊频率。由此获得的布里渊频率乘以有关有关结构体的物理量换算系数，即可获得有关该物理量。根据本发明的方法，使可取得检测信号的光纤区间变短，其结果可以提高空间分辨率。

Description

使用了布里渊光纤传感器的 物理量测量方法

技术领域

本发明涉及一种使用光纤以及光纤的布里渊散射(Brillouinscattering)来测量静态结构体(桥梁、建筑物等)、或动态结构体(飞机、汽车等)的物理变化(例如，温度、变形率等)的方法，更详细地讲，涉及一种使用布里渊光纤传感器的物理量测量方法，它利用两种脉冲光和由此取得的两种反向散射光，作为更进一步被提高的空间分辨率，可测量出有关结构体的物理量及其分布。

背景技术

众所周知，布里渊散射通常与在气体、液体或固体内由物理地激励的分子运动所产生的声波相关。

目前，正在开发一种将这种布里渊散射应用于光纤的布里渊光纤传感器。关于布里渊传感器结构，当脉冲光在光纤中传输时，与光纤内部的振动波作用从而散射在不同于上述脉冲光的频带范围内。当向光纤加入特定物理量(热、负载等)时，由此激励的光纤分子将形成声波，从而与脉冲光相作用。因此，散射的脉冲光具有与通过声波入射时不同的频率，通过检测该频率，可测量有关物理量，因此，可作为检测装置来使用。

图8为现有技术的布里渊传感器的结构图，图9为使用图8所示的传感器测量特定结构体的分布温度并获得的布里渊增益谱。首先，如图8所示，在光纤10的两端，相对配置有向光纤传输脉冲光以及探测光的各光源部分20、30。

配置在光纤10的一端的第一光源部分20中，向光纤10的另一端传输泵浦脉冲光(pumping pulse light)。配置在光纤10的另一端的第二光源部分30中，向光纤10的一端传输连续波形的探测光(continous wave probe light)。另外，在各光源部分20、30间露出的光纤10的区间，通过安装在特定结构体(例如，建筑物、桥梁)上，而作为检测区间发挥作用。

而且，如果在光纤10上连接光接收机40，则安装在上述结构体的光纤10部分将作为检测装置工作，可以根据结构体的温度变化，比较被传输的散射光频率、泵浦脉冲光以及探测光的频率差异，而且，温度变化越激烈，散射光频率也就越高，因此，由此可设置一可测量温度的装置结构。

当在光纤10的两端配置泵浦脉冲光和探测光并使光入射到光纤10时，设泵浦脉冲光的频率为ν_p、探测光频率为ν_cw，则脉冲光和探测光的频率差为Δν＝ν_p-ν_cw。

如果通过调整频率使该Δν与光纤10的布里渊频率迁移(shift)一致，那么，根据感应布里渊散射，泵浦脉冲光用探测光进行光能变换，由此，探测光在光迁移10内进行布里渊光放大。由此，可容易解释布里渊信号。

放大的探测光的光信号，由光接收机40变换为电信号，根据Δν以及光接收机检测的时间，该电信号具有如图9所示的布里渊增益谱特性。

安装/设置在结构体表面的光纤10，如果经过温度等引起的变化，有关光纤10的布里渊频率数值如图9所示进行变化。

如果探测光和泵浦脉冲光汇合，光纤分子被热激励而产生规定的声音振动，从而生成布里渊散射光。这样的布里渊散射放大现象，是在最初入射的脉冲光和探测光的频率差异为一定值时产生的，这就是布里渊频率数值。该布里渊频率作为光纤自身的物性，与从外部作用的温度、变形率的物理量成比例变化。

该频率迁移值，是在与上述Δν一致时，可观察到最大输出。在图2中，用将Δν值设定为10.8GHz、10.85GHz、10.9GHz、10.95GHz的频率显示轴、光密度轴mW、光纤10的检测区间的设置距离km表示频率迁移值的分布。由此表示温度变化的例示图如上部所示。设定更多的上述Δν的频率变化阶段，可得到更精密的分布。

但是，现有技术的布里渊传感器结构存在以下问题：结构上，为了获得关于作为基准而设定的上述Δν的数据，需要在光纤10的两端上配置两个光源部，即第一光源部20以及第二光源部30；及，为了通过第二光源部分30的探测光以脉冲光的形式发射而得到测量结果，需要很长时间。

因此，如果适用于大型结构体时，存在无法及时掌握引起温度变化的主要因素，例如发生火灾时等缺陷。

由此，在布里渊光纤传感器结构中，将光纤作为检测部分使用的同时，在特定位置所测量的物理量在多长的范围内作为检测区间是有效的问题，是至关重要的。因此，在布里渊光纤传感器结构中，将在任意位置的测量值作为基准，受分布物理量的影响的区间大小(或者长度)称为空间分辨率。

即，如果某光纤传感器结构的空间分辨率为1m，则意味着在有关区间的光纤长度1m以内可得到一个检测信号。在光纤传感器结构中，该空间分辨率直接与其泵浦脉冲光的宽度成比例。

泵浦脉冲光在光纤中向后方散射的区间，是脉冲光在光纤内部所占长度的1/2倍，因此，当脉冲宽度为10nsec时，考虑到在光纤内部行进的光速约为200,000km/s，则根据200,000km/s×10nsec×1/2的计算，得到空间分辨率为1m。

因此，使用具有10nsec脉冲宽度的泵浦脉冲光使光纤传感器结构工作时，将得到具有1m空间分辨率的信号。而且，欲在光纤的有关长度中获得最精密的信号，需要减小空间分辨率来工作。但是，此时，泵浦脉冲光的能量变小，从而产生引起散射光放大的放大率下降的问题。

通常，为了引起布里渊散射，需至少使用大于等于10nsec的脉冲光之后，才会产生布里渊散射光放大，在小于等于50nsec的脉冲宽度中，布里渊散射谱的谱线宽将大大增加，从而决定增益最高点，但有时此种做法存在一定难度。

发明内容

鉴于上述现有技术缺陷，本发明的第一目的在于：提供一种使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其利用脉冲相互各异的一对脉冲光，对比所获得的各增益谱，从而可以测量物理量。

而且，本发明的第二目的在于：提供一种使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，由各增益谱的对比而获得反向散射光的累积空间短的标准谱，根据该标准谱测量物理量，从而可以在短的光纤区间中测量检测信号，由此，可大幅提高空间分辨率。该测量方法，主要由图8的控制器50实现。

关于本发明的目的等，可以通过使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法而实现。在使用了光纤的布里渊散射的物理量测量方法中，包括：

步骤S1000，将光纤100作为检测装置设置在规定的结构体上；

步骤S2000，选定脉冲宽度各异且构成脉冲宽度对比对的第一脉冲光以及第二脉冲光；

步骤S3000，使各脉冲光在上述光纤100中依次行进，从而获得各布里渊增益谱；

步骤S4000，对比各布里渊增益谱，从而获得标准谱；

步骤S5000，从标准谱中决定位于最高点的布里渊频率；

步骤S6000，将待测量的有关物理量的换算系数乘以上述布里渊频率，从而算出/获得有关物理量。

在此，优选方式是，取得各布里渊增益谱的步骤S3000由步骤S3100和步骤S3200组成。步骤S3100是，其使脉冲宽度相对大的第一脉冲光在光纤100中行进，并使有关探测光行进，从而获得第一布里渊增益谱；步骤S3200是，其使脉冲宽度相对小的第二脉冲光在光纤100中进行，并使有关探测光行进，从而获得第二布里渊增益谱。

而且，在获得标准谱的步骤S4000中，优选方式是，将第一布里渊增益谱分给第二布里渊增益谱，从而算出上述标准谱。

而且，优选方式是，取得上述第一布里渊增益谱的步骤S3100包括：

步骤S3110，将有关探测光的频率在规定频率照射范围内设定为最初频率；

步骤S3120，使第一脉冲光以及有关探测光行进，获得第一反向散射光。

步骤S3130，以设定的平均化次数反复取得第一反向散射光，并进行平均化处理；

步骤S3140，判断平均化处理次数是否完成；

步骤S3150，当未完成时，从第一反向散射光的取得步骤S3120再继续进行，当完成时，判断探测光的频率在频率照射范围内是否为最终频率；

步骤S3160，如果不是最终频率时，在有关的探测光的使用频率上加上只符合设定的频率分段增加幅度的频率后进行更新，并从第一反向散射光的取得步骤S3120再次进行；

步骤S3170，如果为最终频率，完成关于上述第一反向散射光的第一布里渊增益谱。

同时，优选方式是，取得第二布里渊增益谱的步骤S3200包括：

步骤S3210，在规定频率照射范围内，将有关探测光的频率设定为最初频率；

步骤S3220，使第二脉冲光以及有关探测光行进，取得第二反向散射光；

步骤S3230，以设定的平均化次数反复取得第二反向散射光，并进行平均化处理；

步骤S3240，判断平均化处理次数是否完成；

步骤S3250，当未完成时，从第二反向散射光的取得步骤S3220再继续进行，当完成时，判断探测光的频率在频率照射范围内是否为最终频率；

步骤S3260，如果不是最终频率，在有关探测光的使用频率上加上只符合设定的频率分段增加幅度的频率后进行更新，并从第二反向散射光的取得步骤S3220再次进行；

步骤S3270，如果为最终频率，完成关于第二反向散射光的第二布里渊增益谱。

关于本发明的其他目的、特定的优点等以及新特征等，可通过与附图等有关的下面的详细说明以及优选实施例等进一步明确。

在根据本发明的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法中，在利用了简单梁200的结构体的实施例的情况下，对4km的光纤100进行了说明，但是这只不过是例示，当然，可以根据有关结构体的结构、欲测量的物理量、大小等选择使用不同的光纤100的设置长度。而且，对于变形率的实施例也进行了说明，但是对于其他如由热产生的有关温度的测量，也可以作为根据本发明的方法。

利用根据本发明的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，使用构成对的脉冲光，而且，通过各增益谱的对比，算出标准谱。根据该方法获得布里渊频率，所以在短光纤区间中可获得检测信号等、可大幅提高空间分辨率。

例如，关于根据本发明的优选实施例进行了说明，但是可以不脱离本发明要旨和范围进行各种修正或变形。因此，所附的权利要求包括属于本发明要旨和范围的这样的修正或变形。

附图说明

图1是为说明根据本发明而取得的信号处理过程而将反向散射光的累积区间图式化的示意图；

图2是使用根据本发明的布里渊光纤传感器的物理量测量方法的流程图；

图3a是详细表示图2所示的各布里渊增益谱的获得过程的流程图；

图3b是详细表示图2所示的各布里渊增益谱的获得过程的流程图；

图4a是在梁形状的结构体上使用根据本发明的测量方法的示意图；

图4b是沿图4a的A-A线的截面图；

图5是根据图4a的实施例获得的布里渊增益谱；

图6是比较与图4a的结构体有关的信号处理前/后的变形率测量结果并图示的曲线图；

图7为将根据本发明的信号处理前/后的谱线宽与空间分辨率相比较的曲线图；

图8为现有技术的布里渊光纤传感器的结构图；以及

图9为使用图8所示的传感器测量特定结构体的分布温度而获得的布里渊增益谱。

具体实施方式

下面，参照相关附图对根据本发明的布里渊光纤传感器的物理量测量方法进行说明。

图1是为说明根据本发明取得的信号处理过程而将反向散射光的累积区间图式化的示意图。本发明涉及一种取得检测信号的方法，即，使用具有相互各异的脉冲宽度的各脉冲光，与由此获得的各反向散射光对比，从而可实现在更短的检测区间取得检测信号的方法。

如图1所示，根据所在的有关光纤100中的位置，将两个布里渊散射光图式化。该两个布里渊散射光是使具有相互各异的脉冲宽度且构成脉冲宽度对比对的两个脉冲光沿单一光纤100依次行进所获得的。

第一布里渊散射光，从x累积到x+Δz₂的位置并被表示；第二布里渊散射光，从x累积到x+Δz₁的位置并被表示。此时，显示出各布里渊散射光的差异，即在有关于Δz₂-Δz₁的区间中，第一布里渊散射光和第二布里渊散射光的其累积量的差异。该差异与各布里渊散射光相比，在相对小的区间表示，由此，通过各布里渊散射光得到的空间分辨率，尤其是，与作为光纤100的长度所表示的空间分辨率的大小相比，相对要小。

因此，其结果是，设置一种在更短的光纤100的长度、即区间内可获得检测信号的方式。通常，从更短的光纤100的长度取得检测信号时，可以提高空间分辨率，如在本发明中，从通过各布里渊散射光的对比而导出的差异，可在更短的光纤100区间中取得检测信号，因此，可具体实现空间分辨率的提高。

下述的数学式1、2、3示出了用于提高上述根据本发明的空间分辨率的反向散射光的信号处理方式的原理。

[数学式1]

$I^{\left(1\right)}(x,\mathrm{\ν})=I(L,\mathrm{\ν})\exp (-\mathrm{\αL}){[}_{A_x}^{{@}^{x+\mathrm{\Δ}{z}_2}}g(z^{\′},\mathrm{\ν})\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pu}}(z^{\′},\mathrm{\ν})d{z}^{\′}]$

[数学式2]

$I^{\left(2\right)}(x,\mathrm{\ν})=I(L,\mathrm{\ν})\exp (-\mathrm{\αL})\exp {[}_{A_x}^{{@}^{x+\mathrm{\Δ}{z}_1}}g(z^{\′},\mathrm{\ν})\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pu}}(z^{\′},\mathrm{\ν})d{z}^{\′}]$

上述数学式1、2，是由具有相互各异的脉冲宽度的各脉冲光返回的各反向散射光的大小，同时意味着各布里渊增益谱。其中，x为反向散射光返回的位置；I(L，ν)为反向散射光的大小。而且，L为检测光纤100的长度；α为光纤100的损失系数。而且，g(z′，ν)为布里渊增益系数；ΔI_pu(z′，ν)为脉冲光强度。

数学式1、2中，各积分区间置有(Δz₂-Δz₁)的差异。从x到x+Δz₁的区间中的积分统一包含在各数学式中。该部分如下述数学式3中，除去取得各布里渊增益谱信号比的情况，由此，可获得标准布里渊增益谱。

[数学式3]

$\mathrm{NBGS}(x,\mathrm{\ν})=\frac{I^{\left(2\right)}(x,\mathrm{\ν})}{I^{\left(1\right)}(x,\mathrm{\ν})}=\exp {[}_{A_{x+\mathrm{\Δ}{z}_1}}^{{@}^{x+\mathrm{\Δ}{z}_2}}g(z^{\′},\mathrm{\ν})\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pu}}(z^{\′},\mathrm{\ν})d{z}^{\′}]$

其中，NBGS(x，ν)意味着标准布里渊增益谱。即为在Δz₂-Δz₁间内的积累的反向散射光，是相当于最初取得的各反向散射光差异的部分。

此时，Δz₂-Δz₁区间内的差异小时，即各反向散射光的差异小时，意味着在只有这么短的光纤100区间内也可获得检测信号，因此，其结果是，可以实现非常好的空间分辨率。通过这样的信号处理过程获得的布里渊频率，与有关物理量相关的换算系数相乘，从而有助于算出有关物理量。

在此，如果使用通过各数学式而完成的本信号处理过程，可以使用比生成布里渊增益的界限值10nsec充分大的脉冲宽度，同时，空间分辨率即使在光纤100的长度约1m或小于等于1m时也可以实现。

而且，标准布里渊增益谱NBGS还可以避免如果空间分辨率减小为约小于等于5m、随之谱增益减小、谱线宽增大的现象。因此，在可将脉冲光调制为上升时间和下降时间都短的脉冲信号时，通过这样的信号处理，可将空间分辨率减小到小于等于1m。

图2是根据本发明的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法的流程图。根据本发明的测量方法，将脉冲宽度各异的各脉冲光作为对进行设定/选择，并使其向同一光纤100传输时，将取得的各反向散射光通过上述说明的信号处理方式进行处理。如此，可将各反向散射光的差异作为增益谱的比算出，其结果是，根据得到的标准增益谱可获得布里渊频率。

从由此得到的布里渊频率可算出检测的有关物理量，如前所述，因使用各增益谱的比，而且，这是根据各反向散射光的有关区间中的差异来算出，因此，意味着比最初取得的各反向散射光以及各增益谱相对要小。因此，其结果是，在更短的光纤100区间内，可容易取得检测信号。

如图2所示，S1000为，作为布里渊检测装置，根据众所周知的设置方法，将光纤100设置在特定结构体(例如，建筑物、桥梁、飞机、船舶等)。此时，光纤100优选设置为单根，其从连接结构分岔并返回到连接结构。而且，为了进行对传输各脉冲光时取得的反向散射光的信号处理，设定基本变量的平均化次数、采样个数、采样速度、频率照射范围、频率分段增加幅度等。由此，完成了传输各脉冲光的准备。

之后，设定所使用的第一脉冲光和第二脉冲光，此时，将各脉冲光规定为一对，同时，该基准为各脉冲光的脉冲宽度。与第二脉冲光相比，选择第一脉冲光的脉冲宽度为相对大的。此时，被选择的各脉冲光的脉冲宽度以及/或各脉冲宽度的差异是在以后决定空间分辨率的主要因素。因此，优选的S2000为，预先设定根据有关结构体的大小(特别是面积)、区间的配置结构、检测的物理量(温度、负载、或变形率)所使用的脉冲光的各脉冲宽度。

之后，将第一脉冲光以及第二脉冲光依次通过光纤100来传输，从而取得第一反向散射光和第二反向散射光，并根据此，取得第一布里渊增益谱以及第二布里渊增益谱，此为步骤S3000。

对各布里渊谱的取得过程进行如下详细说明。

首先，从有关光纤100的一侧传输其脉冲宽度相对较大的第一脉冲光。此时，连续波形的探测光(continuous wave probe light)从光纤100的另一侧传输，而在光纤100上特定物理量将起作用。从而如图1所说明，取得具有相对较大的累积区间的第一反向散射光，使用上述数学式1算出/获得第一布里渊增益谱，上述为步骤S3100。

而且，使对于第一脉冲光构成脉宽对比对的第二脉冲光从有关光纤100的一侧传输。由有关物理量产生与探测光的布里渊散射，从而取得具有比第一反向散射光相对小的累积区间的第二反向散射光。而且，使用数学式2，算出/获得第二布里渊增益谱，上述为步骤S3200。由此，使用第一脉冲光以及第二脉冲光，获得第一布里渊增益谱以及第二布里渊增益谱。

而且，使用数学式3从由此获得的各布里渊增益谱获得标准谱。即，将累积区间相对大的第一布里渊增益谱分给具有较小累积区间的第二布里渊增益谱，从而算出第一布里渊增益谱和第二布里渊增益谱比的标准谱，上述为步骤S4000。

之后，从算出/获得的标准谱找出最大输出的频率。由此找出的频率为布里渊频率，此为步骤S5000。此时，确定的布里渊频率，在各反向散射光的累积区间中，是由符合其差异的区间即具有比各反向散射光小的累积区间的部分决定的，在这一点上，提供一种实现进一步提高空间分辨率的方式。在被决定的布里渊频率上乘以有关物理量的换算系数，最终算出有关物理量，此为步骤S6000。

图3a以及图3b为详细地表示图2所示的各布里渊增益谱的获得过程的流程图。如图3a、图3b所示，取得第一布里渊增益谱或第二布里渊增益谱时，首先，在基本变量设定过程中设定的频率照射范围内，将探测光的频率设定为最初的频率数值，此为步骤S3110、S3210。

传输第一脉冲光以及第二脉冲光，使探测光行进的同时，取得第一反向散射光以及第二反向散射光，此为步骤S3120、S3220。

之后，按照在基本变量设定过程中设定的平均化次数，进行以设定的平均次数反复取得反向散射光的平均化处理，此为步骤S3130、S3230。而且，判断是否符合平均化次数的条件，如果设定的平均化次数条件为30次时，将30次的平均化次数作为满足条件，直到满足该条件为止，反复进行各反向散射光的取得，此为步骤S3140、S3240。

当满足有关条件的情况下，进行下一过程；当不满足时，返回到最初的反向散射光取得过程S3120、S3220，从而反复先前列举的过程。当满足有关条件时，判断探测光的现在使用频率在先前设定的频率照射范围中是否为最终频率数值，此为步骤S3150、S3250。

如果不是最终频率时，进行从被设定的频率的分段增加幅度仅将符合规定增加幅度的频率加于现在使用频率上的更新过程，此为步骤S3160、S3260。而且，返回各反向散射光的最初取得过程S3120、S3220，再次进行先前列举的过程等。

但是，如果是最终频率时，完成/获得与各反向散射光有关的各布里渊增益谱，此为步骤S3170、S3270。通过这样的各过程等，可进行上述各增益谱的取得过程S3100、S3200。

图4a是将本发明的测量方法使用梁形状的结构体来实施的示意图，图4b为图4a的沿A-A线的截面图，图5是由图4a的实施例获得的布里渊增益谱。首先，如图4a、图4b所示，在梁形状的结构体上设置光纤100，从而进行本发明的测量方法。

这样准备好的结构体，是两端下部被支撑的空心四角简单梁200。在本实施例中设置了约8m长的简单梁200，并将长达约4km的光纤100设置在单纯梁200的表面。而且，为向简单梁200加入物理量，在特定位置上装载约200g重的锤300，从而诱发集中负载。另外，简单梁200自身的负载也将发挥作用。

这样在设置有光纤100的状态下，使各脉冲光在光纤100中行进，从而使探测光的频率在由基本变量设定过程中设定的频率照射范围内、而且根据设定的频率的分段增加幅度来增加。由此，将探测光的频率从有关频率照射范围的最初频率分段增加到最终频率，从而测量各反向散射光。

由此，可得到如图5所示的布里渊增益谱。在获得的增益谱中，检测由简单梁200的自重和一定重量的锤300的集中负载而产生的变形的主要区间是2.44km～2.5km。而且，此时表示的频率范围是10.77～10.92GHz，从这样的范围产生的光密度具有0.007mW～0.047mW的范围。在此，在光纤100的长度方向上获得的各个频率中，表示反向散射光的大小中的最大值的有关频率即为布里渊频率。

图6是比较图4a的有关结构体的信号处理前/后的变形率测量结果的曲线。如图6所示，X轴以m为单位表示位置，Y轴表示变形率。如果用下述的数学式4计算由上述实施例获得的布里渊频率，就可得到如图6所示的信号处理后的变形率结果。

[数学式4]

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{C}({\mathrm{\ν}}_b-{\mathrm{\ν}}_{b0})$

数学式4中，ν_bo是没有变形率时的布里渊频率；ν_b为有变形率时的布里渊频率。C为变形率系数。由此，算出用ε表示的变形率。

下面，详细说明用于得到图6的信号处理后的变形率结果的过程。首先，设定基本参数频率照射范围为10.79MHz～10.89MHz、分段频率增加幅度为1MHz、平均化次数为200次等。而且，选定具有100nsec脉冲宽度的第一脉冲光和90nsec脉冲宽度的第二脉冲光。而且，使其中具有100nsec的第一脉冲光入射，同时，将探测光的最初频率设定为10.79GHz，反复取得200次左右的反向散射光并作平均化处理。

之后，使探测光频率以1MHz左右分段增加，并取得200次的反向散射光并进行平均化处理。反复这样的过程直到探测光频率为设定为最终频率的10.89GHz时为止。由此，可求出数学式1所表示的第一反向散射光谱，即第一布里渊增益谱。

之后，使用具有90nsec脉冲宽度的第二脉冲光进行同样处理，可进一步得到数学式2所表示的第二布里渊增益谱。由此，为了得到空间分辨率1m的信号，用数学式3划分各增益谱。从而，可求出标准布里渊增益谱。之后，求出表示最大输出的布里渊频率，通过数学式4转换为变形率，即可得到图6所示的信号处理后的变形率分布。图6的信号处理前的变形率分布数据仅是使用脉冲宽度50nsec的泵浦脉冲光得到的变形率分布数据。从该两个数据可看出新开发的信号处理方法可得到很好的结果。

图7为将本发明的信号处理前/后的谱线宽与空间分辨率进行比较的曲线。如图7所示，X轴以m为单位表示位置，Y轴以MHz为单位表示谱线宽。首先，关于信号处理以前的1m空间分辨率的谱线宽比10m空间分辨率增加了约50％以上。

但是，确认的结果是，信号处理在完成以后，几乎为一定值。这意味着进行根据本发明的提高空间分辨率的信号处理时，提高了在由布里渊增益谱确定最高点中的准确度，其结果是意味着提高了物理量测量准确率。

Claims (15)

1.一种使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：在使用了光纤的布里渊散射的物理量测量方法中，包括：

步骤S1000，将光纤100作为检测装置设置在规定的结构体上；

步骤S2000，选定脉冲宽度各异、且构成脉冲宽度对比对的第一脉冲光以及第二脉冲光；

步骤S3000，使所述各脉冲光在所述光纤100中依次行进，从而获得各布里渊增益谱；

步骤S4000，对比所述各布里渊增益谱，并获得标准谱；

步骤S5000，从所述标准谱中决定位于最高点的布里渊频率；及

步骤S6000，将需要测量的有关有关物理量的换算系数乘以所述布里渊频率，并算出/获得有关有关物理量。

2.根据权利要求1所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述光纤设置为单根，其从连接结构上分岔并返回到连接结构。

3.根据权利要求1所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：在传输所述各脉冲光时，为了对取得的反向散射光进行信号处理，预先设定平均化次数、采样个数、采样速度、频率照射范围、频率分段增加幅度等基本变量。

4.根据权利要求3所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述基本变量中，所述平均化次数为200次，所述频率照射范围为0.79MHz～10.89MHz，所述频率分段增加幅度为1MHz，所述第一脉冲光的脉冲宽度为100nsec，所述第二脉冲光的脉冲宽度为90nsec。

5.根据权利要求1所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述第一脉冲光的脉冲宽度比所述第二脉冲光的脉冲宽度相对较大。

6.根据权利要求1所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于，获得所述各布里渊增益谱的步骤包括：

使脉冲宽度相对大的所述第一脉冲光在所述光纤中行进，使有关探测光行进，从而获得第一布里渊增益谱的步骤；及，使脉冲宽度相对小的所述第二脉冲光在所述光纤中进行，使有关探测光行进，从而获得第二布里渊增益谱的步骤。

7.根据权利要求6所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于，获得所述第一布里渊增益谱的步骤包括：

将所述有关有关探测光的频率在规定频率照射范围内设定为最初频率的步骤；

使所述第一脉冲光以及有关有关探测光行进，获得第一反向散射光的步骤；

以设定的平均化次数反复取得所述第一反向散射光，并进行平均化处理的步骤；

判断所述平均化处理次数是否完成的步骤；

当未完成时，从所述第一反向散射光的获得步骤再次进行，当完成时，判断所述探测光的频率在所述频率照射范围内是否为最终频率的步骤；

如果不是最终频率，在有关有关探测光的使用频率上只加上符合设定的频率分段增加幅度有关的频率并更新，并从所述第一反向散射光的获得步骤S3120再次进行的步骤；及

如果为最终频率，完成关于所述第一反向散射光的所述第一布里渊增益谱的步骤。

8.根据权利要求7所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述第一布里渊增益谱由下式表示：

$I^{\left(1\right)}(x,\mathrm{\ν})=I(L,\mathrm{\ν})\exp (-\mathrm{\αL})\exp {[}_{A_x}^{{@}^{x+{\mathrm{\Δz}}_2}}g(z^{\′},\mathrm{\ν}){\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{pu}}(z^{\′},\mathrm{\ν})d{z}^{\′}]$

其中，I⁽¹⁾(x，ν)为从所述第一脉冲光返回的反向散射光的大小，同时，表示所述第一布里渊增益谱；x为所述反向散射光返回的位置；I(L，ν)为所述反向散射光的大小；L为检测光纤的长度；α为光纤的损失系数；g(z′，ν)为所述布里渊增益系数；ΔI_pu(z′，ν)为脉冲光强度。

9.根据权利要求7所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述平均化次数为200次，所述频率照射范围为10.79MHz～10.89MHz，所述频率的分段增加幅度为1MHz，所述第一脉冲光的脉冲宽度为100nsec。

10.根据权利要求6所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于，获得所述第二布里渊增益谱的步骤包括：

将所述有关有关探测光的频率在规定频率照射范围内设定为最初频率的步骤；

使所述第二脉冲光以及有关有关探测光行进，获得第二反向散射光的步骤；

以设定的平均化次数反复获得所述第二反向散射光，并进行平均化处理的步骤；

判断所述平均化处理次数是否完成的步骤；

当未完成时，从所述第二反向散射光的获得步骤再次进行，当完成时，判断所述探测光的频率在所述频率照射范围内是否为最终频率的步骤；

如果不是最终频率，在有关有关探测光的使用频率上加上只符合设定的频率分段增加幅度的频率并进行更新，并从所述第二反向散射光的获得步骤再次进行的步骤；

如果为最终频率，完成关于所述第二反向散射光的所述第二布里渊增益谱的步骤。

11.根据权利要求10所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述第二布里渊增益谱由下式表示：

$I^{\left(2\right)}(x,\mathrm{\ν})=I(L,\mathrm{\ν})\exp (-\mathrm{\αL})\exp {[}_{A_x}^{{@}^{x+{\mathrm{\Δz}}_1}}g(z^{\′},\mathrm{\ν}){\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{pu}}(z^{\′},\mathrm{\ν})d{z}^{\′}]$

其中，I⁽²⁾(x，ν)为从所述第二脉冲光返回的反向散射光的大小，同时，表示所述第二布里渊增益谱；x为所述反向散射光返回的位置；I(L，ν)为所述反向散射光的大小；L为检测光纤的长度；α为光纤的损失系数；g(z′，ν)为所述布里渊增益系数；ΔI_pu(z ′，ν)为脉冲光强度。

12.根据权利要求10所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述平均化次数为200次，所述频率照射范围为10.79MHz～10.89MHz，所述频率的分段增加幅度为1MHz，所述第二脉冲光的脉冲宽度为90nsec。

13.根据权利要求1所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：在获得所述标准谱的步骤中，利用下式算出所述标准化谱：

$\mathrm{NBGS}(x,\mathrm{\ν})=\frac{I^{\left(2\right)}(x,\mathrm{\ν})}{I^{\left(1\right)}(x,\mathrm{\ν})}=\exp {[}_{A_{x+\mathrm{\Δ}{z}_1}}^{{@}^{x+\mathrm{\Δ}{z}_2}}g(z^{\′},\mathrm{\ν})\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pu}}(z^{\′},\mathrm{\ν})d{z}^{\′}]$

其中，NBGS(x，ν)为标准布里渊增益谱，表示在ΔZ₂-ΔZ₁区间内的积累的反向散射光；I⁽¹⁾(x，ν)为所述第一布里渊增益谱；I⁽²⁾(x，ν)为所述第二布里渊增益谱；x为各所述反向散射光返回的位置；g(z′，ν)为所述布里渊增益系数；ΔI_pu(z′，ν)为脉冲光强度。

14.根据权利要求1所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：所述结构体是其两端下部被支撑的约8m长的中空四角简单梁。

15.根据权利要求14所述的使用了布里渊光纤传感器的物理量测量方法，其特征在于：在所述简单梁的表面上设置了约4km长的光纤，适用了约200g重的锤的集中负载时，变形检测主要区间大约为2.44km～2.5km。

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