一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法

摘要

本发明公开了一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法，本发明通过测量外界温度变化时布里渊谱某特定频率f

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展和各种信息容量的飞速增加，以光纤为传递信息主要媒质的光纤通信技术和以光纤中的导波原理为理论基础的光纤传感技术在人类过去几十年的生活和许多其他领域中得到了越来越广泛的应用和重视，吸引了人们极大的研究兴趣。

与传统的电学传感器相比，分布式光纤传感器不仅具有光纤传感器固有的灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优点，而且还具有如下基本特征：(1)光纤集传感和传输于一身，光纤上任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可进行空间上的连续检测；(2)一次测量可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，如果将光纤布设成网状，就可以得到被测量的二维和三维分布情况，可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。其中，基于布里渊效应的分布式传感光纤技术(BEOFS)具有可测量多个物理量(如温度、应变和损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，近年来受到了广泛的关注。其中又以单端测量、系统结构简单的布里渊光时域反射仪(BOTDR)为代表。

BOTDR测量系统，根据光纤后向自发布里渊散射的频移量与传感光纤温度变化量存在线性关系，通过测量布里渊频移来测量传感光纤温度变化。由于自发布里渊散射信号频谱呈洛仑兹形，具有一定的谱宽，所以，BOTDR系统均采用频率扫描法获得布里渊谱，即通过在一定的频率范围内以一定的频率间隔，依次获得布里渊散射频谱，再对测得的布里渊频谱进行洛仑兹曲线拟合得到整个传感光纤上的布里渊频移曲线。然后，利用频移的变化去反映传感光纤上的温度变化。在布里渊散射频谱测试中，探测距离越长、扫频范围越宽、扫频间隔越小，所需测量时间就越长。如南京大学的NJUB-1200，传感光纤10千米，平均次数5000次，扫频50次，测量时间大约需要3分钟。特别是，为提高测量精度，就需要缩小扫频间隔和增加平均次数，这会导致测量时间更长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法，通过测量布里渊谱某特定频率的功率，计算分析获得传感光纤沿线的温度分布信息，本方法减去了传统方法中费时的扫频过程，将测量时间降低到秒级，大大地节约了测量时间。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法，包括以下步骤：

步骤一、标定获取传感光纤上每一个测量点的布里渊频移与布里渊谱，在第i个测量点的布里渊谱中选取一段线性频率范围，在该线性频率范围内进行功率与频率的线性拟合，得到功率与频率的关系：P_i＝k_i*f_i+b_i；其中，k_i为第i个系数，b_i为第i个常数，f_i为第i个测量点的布里渊谱中的频率，P_i为第i个测量点的布里渊谱中f_i对应的功率，i＝1,2,3,...N，N为测量点的总数；所述线性频率范围是指频率与功率呈线性关系的频率范围；

步骤二、实时测量第i个测量点的布里渊谱中某一频率的功率，该频率在步骤一中所选取的第i个测量点的布里渊谱的线性频率范围内，根据该频率的功率的变化量与传感光纤的温度变化量的线性关系：ΔP_i＝-k_i*C_T*ΔT_i，计算获得传感光纤第i个测量点的温度变化大小，从而获得传感光纤上所有测量点的温度变化大小；其中，ΔP_i为第i个测量点中频率的功率的变化量，ΔT_i为第i个测量点的温度变化量，C_T为已知的温度系数。

作为本发明所述的一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法进一步优化方案，所述频率的功率的变化量是指实时测量第i个测量点的布里渊谱中某一频率的功率与步骤一中标定的第i个测量点的布里渊谱中该频率的功率差值。

作为本发明所述的一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法进一步优化方案，步骤一中标定获取传感光纤上每一个测量点的布里渊频移与布里渊谱是通过光纤传感设备获得的。

作为本发明所述的一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法进一步优化方案，步骤一中布里渊谱呈洛伦兹形。

作为本发明所述的一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法进一步优化方案，根据步骤二获得的传感光纤上所有测量点的温度变化大小来表示传感光纤的温度分布信息。

作为本发明所述的一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温方法进一步优化方案，传感光纤外界温度造成光纤布里渊谱整体平移，进而使得线性频率范围内测量频率点f_T的功率发生相应线性变化。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明通过测量布里渊谱某特定频率功率的变化，根据该功率变化量与外界温度的线性关系，计算分析得到温度变化；

(2)除了首次标定采集以外，后续测量无需频率扫描过程，只需测量某个特定频率的功率，完整测量的时间为传统扫频法的几十分之一；

(3)由于测量时间大幅度缩短，本发明可以适用于测量传感光纤的低频振动。

附图说明

图1是洛伦兹曲线。

图2是本发明方法的原理图。

图3是本发明的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

自发布里渊散射谱为洛伦兹谱形，如图1所示。图中可以看到方框中的曲线部分具有良好的线性关系，这是本发明方法的基础。

本发明方法原理如图2所示。Plot1是外界温度为T₁时传感光纤的自发布里渊散射谱，中心频率为f₀，plot2是外界温度为T2时传感光纤的自发布里渊散射谱，中心频率为f₀'；

此时，温度变化量为：

ΔT＝T₂-T₁

对应的布里渊谱中心频移变化量为：

Δf＝f₀'-f₀＝C_T*ΔT

曲线2可以看做是曲线1经过向右平移Δf后得到。如上所述，对曲线1具有良好线性关系的部分进行线性拟合，得到的线性表达式为：

y＝k*x+b

曲线2中相对应的线性拟合部分表达式为：

y＝k*(x-Δf)+b

因此可以指定该线性范围的特定频率点f_T,其在曲线1中对应的功率为P₁，在曲线2中对应的功率为P₂，有：

P₁＝k*f_T+b

P₂＝k*(f_T-Δf)+b

于是：

ΔP＝P₂-P₁＝-k*Δf＝-k*C_T*ΔT

从上面式子可以知道：线性范围内的某个频率点的功率变化量与传感光纤的温度变化量呈现线性关系。其中线性系数-k*C_T为已知，因此可以通过测量线性范围内某个频率点的功率变化量来获得光纤外界的温度变化量。

本发明基于上述方法，通过测量布里渊谱线性部分范围某频率的功率变化量来得到传感光纤的温度分布信息。

本发明使用的具体操作过程如下：

(1)硬件连接：将传感光纤正确接入硬件平台；

(2)硬件连接测试：打开配套软件，点击“测试连接”按键，测试硬件平台是否已经准备就绪，其中包括检测硬件平台微波源、EDFA、采集卡三者的连接以及USB接口的支持；

(3)参数设置：硬件连接成功后，可操作按键自动解禁。数据采集前先进行参数设置，包括采集卡参数和微波源参数，参数设置的好坏会直接影响测量结果；

(4)标定采集：首次测量应先进行标定测量，点击主界面“标定采集”即可，标定采集需要一段时间，可从采集进度条上查看采集进度；

(5)测量：标定数据采集完后，至此准备工作已经完全准备好，可以进行测量了。系统提供单次测量和连续测量接口，单次测量只进行一次测量，连续测量为连续不间断测量，分别点击“单次采集”按键和“连续采集”按键即可；

(6)测量结束，退出系统。

整个系统的工作流程图如图3所示，本实例提供的是一种基于布里渊谱定频功率变化的快速测温系统，包括传感光纤、数据采集模块、参数管理模块、数据显示模块、控制模块和温度报警模块。该系统可以实时采集传感光纤沿线的布里渊谱上指定频率点的功率，通过分析处理特定频点f_T功率变化与传感光纤环境温度变化量的关系数据，实现对传感光纤沿线温度分布信息进行快速定位测量，超出预设阈值温度可进行实时报警。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。