一種單端矢量botda動態(tài)應(yīng)變測量的方法及其測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[00011本發(fā)明涉及一種采用單端矢量B0TDA系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的分布式測量的方法與裝 置，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于布里淵光時域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技 術(shù)的分布式傳感技術(shù)以其接收信號強、測量精度高、定位準確和傳感距離長等獨特優(yōu)點，廣 泛應(yīng)用于電力線纜和設(shè)備、油氣管道及建筑、水利等行業(yè)大型工程結(jié)構(gòu)的健康診斷、故障監(jiān) 測及定位等領(lǐng)域。
[0003] 傳統(tǒng)B0TDA系統(tǒng)需在光纖兩端分別注入相向傳輸?shù)睦跗止夂吞綔y光，當(dāng)栗浦光與 探測光的頻率差為布里淵頻移時，就會在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS)作用，通過直接檢測經(jīng)受激布里淵散射作用后的探測光即可 實現(xiàn)分布式溫度/應(yīng)變的測量。在傳統(tǒng)B0TDA分布式測量中，一般采用對栗浦光和探測光的 頻率差進行頻率掃描的方式來實現(xiàn)布里淵散射增益譜的測量，通過布里淵散射增益譜的布 里淵頻移信息來實現(xiàn)靜態(tài)溫度/應(yīng)變的解析;但是強度信息受探測光與栗浦光功率波動、偏 振噪聲影響大，而強度信息直接決定著頻移信息的獲取，因此會降低布里淵頻移的檢測精 度，并且由于頻率掃描的方法測量時間長，無法實現(xiàn)實時的動態(tài)測量，因而限制了其應(yīng)用領(lǐng) 域。
[0004] 目前，動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)在分布式光纖傳感領(lǐng)域的研究集中于:干涉型動態(tài)應(yīng)變 測量技術(shù)、相位敏感光時域反射(Phase Optical Time Domain Reflectometry，<})-〇TDR) 動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)、BOTDA動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)、偏振光時域反射(Polarization Optical Time Domain Reflectometry，P0TDR)動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)、布里淵相移動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù) 等。干涉型動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)是利用外界信號對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM行相位、波長、強度和 偏振態(tài)調(diào)制，通過干涉儀檢測這些參量的變化，實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的測量，但該方法易受周邊環(huán) 境噪聲因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；Φ-OTDR動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)是利用背向瑞利信號相位的 變化進行動態(tài)應(yīng)變信號的測量，但其動態(tài)應(yīng)變測量范圍小，信噪比低，大部分仍舊是定性測 量;B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)是通過布里淵增益斜坡分析法來實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的測量，但其受 探測光與栗浦光功率波動、光源頻率漂移的影響較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，需對栗浦光與探測光 的頻率差進行掃描和數(shù)據(jù)擬合，測量時間長，無法響應(yīng)高頻動態(tài)應(yīng)變信號;P0TDR動態(tài)應(yīng)變 測量技術(shù)是利用偏振態(tài)的變化實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的測量，但其頻率測量范圍小。
[0005] 2011年，A.Zornoza提出布里淵相移B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)，實現(xiàn)了 160m傳感光 纖上lm空間分辨率、1.66kHz測量速率的動態(tài)應(yīng)變測量;布里淵相移動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)通過 將相移轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻移信息實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的檢測，有效地解決了上述測量技術(shù)存在的問 題，且該方法不受探測光與栗浦光功率波動的影響，具有很好的穩(wěn)定性。但是在布里淵相移 B0TDA系統(tǒng)中，栗浦光與探測光需從光纖兩端分別入射，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)光纖發(fā)生斷裂時 將無法進行檢測，在大范圍測量場合應(yīng)用不方便、可靠性低，且SBS強度受非本地效應(yīng)影響 嚴重。因此目前急需一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便，而且能同時實現(xiàn)高頻、快速、非本地效應(yīng)小、 系統(tǒng)可靠性高的動態(tài)應(yīng)變測量方法與裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種單端矢量BOTDA動態(tài)應(yīng)變測量 的方法及其測量裝置，以提高動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，減小非本地效應(yīng)，實現(xiàn) 結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便的高精度動態(tài)應(yīng)變測量。
[0007] 本發(fā)明所述技術(shù)問題是以下述技術(shù)方案解決的：
[0008] 一種單端矢量B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量的方法，它利用一個窄線寬激光器通過保偏耦 合器向合成光信號模塊輸出連續(xù)光，連續(xù)光經(jīng)合成光信號模塊后產(chǎn)生由微波調(diào)制脈沖基底 光與傳感脈沖光疊加而成的合成光信號，合成光信號從傳感光纖的一端入射，其中微波調(diào) 制脈沖基底光在傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射光作為探測光、傳感脈沖光作為栗浦光， 探測光與栗浦光發(fā)生受激布里淵散射作用，形成攜帶受激布里淵散射信息的探測光；
[0009] 同時，所述窄線寬激光器通過保偏耦合器向本振光模塊輸出連續(xù)光，連續(xù)光經(jīng)本 振光模塊后產(chǎn)生的本振光與攜帶受激布里淵散射信息的探測光在光電檢測器中進行拍頻， 利用正交相位解調(diào)器提取出拍頻后獲得的電信號中的同相及正交分量，并通過數(shù)據(jù)采集卡 對同相及正交分量進行采集，所述正交分量和同相分量的商與受激布里淵散射相移呈反正 切函數(shù)的關(guān)系，進而得到受激布里淵散射相移值，最后根據(jù)計算機中存儲的受激布里淵散 射相移與動態(tài)應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系曲線解調(diào)出相應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變值。
[0010]上述單端矢量B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量方法，所述計算機中存儲的受激布里淵散射相 移與動態(tài)應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系曲線，由于動態(tài)應(yīng)變的變化會引起受激布里淵相移的改變，每一 個動態(tài)應(yīng)變值會對應(yīng)一個相應(yīng)的受激布里淵散射相移值，將受激布里淵散射相移與動態(tài)應(yīng) 變的對應(yīng)關(guān)系進行標(biāo)定，存儲在計算機中的數(shù)據(jù)庫中。
[0011]上述單端矢量B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量方法，所述動態(tài)應(yīng)變的解調(diào)是根據(jù)在計算機中 存儲的受激布里淵散射相移與動態(tài)應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的，具體解調(diào)方式如下
[0012] i、當(dāng)環(huán)境溫度與標(biāo)定時溫度相同時，獲取的相移值對應(yīng)的應(yīng)變值即為當(dāng)前動態(tài)應(yīng) 變值；
[0013] ii、當(dāng)環(huán)境溫度與標(biāo)定時溫度不同時，根據(jù)變化后的布里淵頻移對受激布里淵相 移與應(yīng)變的關(guān)系曲線做出相應(yīng)的修改，并根據(jù)修改后的關(guān)系曲線即可獲取動態(tài)應(yīng)變值。
[0014] 一種用于上述單端矢量B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量的測量裝置，構(gòu)成中包括窄線寬激光 器、保偏耦合器、由第一微波信號源、第一電光調(diào)制器、脈沖信號源、第二電光調(diào)制器和第一 耦合器構(gòu)成的合成光信號模塊、摻鉺光纖放大器、第一光柵濾波器、由第二微波信號源、第 三電光調(diào)制器和第二光柵濾波器構(gòu)成的本振光模塊、第二擾偏器、第二親合器、光環(huán)行器、 第一擾偏器、傳感光纖、振動源、光濾波器、光電檢測器、正交相位解調(diào)器、數(shù)據(jù)采集卡和計 算機，所述窄線寬激光器通過保偏耦合器輸出三路連續(xù)光，第一路連續(xù)光經(jīng)第一微波信號 源驅(qū)動的第一電光調(diào)制器后接第一耦合器的第一輸入光口，第二路連續(xù)光經(jīng)脈沖信號源驅(qū) 動的第二電光調(diào)制器接第一親合器的第二輸入光口，第一親合器的輸出光口依次經(jīng)摻鉺光 纖放大器、第一光柵濾波器接光環(huán)行器的第一光口，光環(huán)行器的第二光口經(jīng)第一擾偏器接 傳感光纖與振動源，光環(huán)行器的第三光口接第二親合器的第一輸入光口，第三路連續(xù)光依 次經(jīng)第二微波信號源驅(qū)動的第三電光調(diào)制器、第二光柵濾波器和第二擾偏器接第二耦合器 的第二輸入光口，第二親合器的輸出光口依次經(jīng)光濾波器、光電檢測器、正交相位解調(diào)器和 數(shù)據(jù)采集卡接計算機。
[0015] 上述單端矢量B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量裝置，所述合成光信號模塊由第一微波信號源、 第一電光調(diào)制器、脈沖信號源、第二電光調(diào)制器和第一耦合器構(gòu)成，第一微波信號源驅(qū)動的 第一電光調(diào)制器對保偏耦合器輸出的第一路光信號進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，輸出頻率 分量為V0 ± Vm的微波調(diào)制脈沖基底光，其中V0為窄線寬激光器的中心頻率，Vm為第一微波信 號源頻率、在傳感光纖的布里淵頻移11GHZ附近可調(diào);所述脈沖信號源驅(qū)動的第二電光調(diào)制 器對保偏耦合器輸出的第二路光信號進行脈沖調(diào)制，輸出中心頻率為vo的傳感脈沖光。
[0016] 上述單端矢量B0TDA動態(tài)應(yīng)變測量裝置，所述本振光模塊由第二微波信號源、第三 電光調(diào)制器和第二光柵濾波器構(gòu)成，第二微波信號源驅(qū)動的第三電光調(diào)制器對保偏耦合器 輸出的第三路光信號進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，輸出頻率分量為 VQ±Vf的本振光，并由第 二光柵濾波器濾除光信號的上邊帶，其中Vf= Vm+VIF，Vf為第二微波信號源頻率、在11~ 12GHz附近可調(diào)，VIF為中頻信號、頻率范圍為200MHz~1GHz。
[0017] 本發(fā)明利用一個合成光信號從傳感光纖的一端入射，其中微波調(diào)制脈沖基底光在 傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射光作為探測光、傳感脈沖光作為栗浦光，探測光與栗浦光 發(fā)生受激布里淵散射作用，本振光與攜帶受激布里淵散射信息的探測光在光電檢測器中進 行拍頻，提取電信號中的同相及正交分量，正交分量和同相分量的商與受激布里淵散射相 移呈反正切函數(shù)的關(guān)系，進而得到相移值，最后根據(jù)