一種曲率測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種曲率測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式傳感技術(shù)是一種將光纖鏈路上的每一點(diǎn)都作為傳感元件的技術(shù)，光纖既作 信息傳輸媒介，同時(shí)又作傳感元，它可以連續(xù)測(cè)量沿光纖分布的環(huán)境參量，且傳感長(zhǎng)度可達(dá) 幾十公里。鑒于其出色的技術(shù)解決方案和低廉的成本，分布式光纖傳感器在石油管道、橋 梁、大壩、隧道、電力線、房屋建筑、飛行器、地震預(yù)警、邊防等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用，是集智能 化與環(huán)保于一身的理想的分布式測(cè)量工具。
[0003] 基于布里淵散射的分布式光纖傳感器是應(yīng)用最廣泛的分布式光纖傳感器， 包括BOTDR(Brillouinopticaltime-domainreflectometry，布里淵光時(shí)域反射 儀）、BOTDA(Brillouinopticaltime-domainanalysis，布里淵光時(shí)域分析儀）、 B0CDR(Brillouinopticalcorrelationdomainreflectometry，布里淵相關(guān)域反射儀）、 B0CDA(Brillouinopticalcorrelationdomainanalysis，布里淵相關(guān)域分析儀）等。
[0004] 其中，B0TDR/A是基于光脈沖的時(shí)域信息來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，而待測(cè)參量可通過(guò)測(cè)量布 里淵頻移來(lái)獲知。光纖中的布里淵散射光相對(duì)于栗浦光有一個(gè)頻移，稱為布里淵頻移，由下 式給出：
[0005]
[0006] 其中，^是布里淵頻移，η是光纖纖芯的折射率，vA是光纖中的聲速，λ是栗浦 光的波長(zhǎng)。當(dāng)光纖所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化或受到應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)引起布里淵頻移量發(fā)生 變化，所以通過(guò)測(cè)量布里淵散射光的頻移量就可以獲知該點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的變化量。
[0007] Β0⑶R/A同樣是基于布里淵散射實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量的分布式傳感器，不同點(diǎn)在于，在 B0CDR/A中，栗浦光和探測(cè)光都是同頻調(diào)制的連續(xù)光，在光纖中只有當(dāng)栗浦光和探測(cè)光的頻 率差為布里淵頻移時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生受激布里淵散射，出現(xiàn)布里淵增益相關(guān)峰。通過(guò)改變調(diào)制頻 率，可以改變相關(guān)峰的位置，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的定位和信息提取，達(dá)到分布式測(cè)量的目的。
[0008] 以往，絕大多數(shù)的分布式傳感系統(tǒng)所采用的都是普通的單模光纖。近年來(lái)，也有人 研究了基于光子晶體光纖、保偏光纖、少模光纖等特種光纖的分布式傳感系統(tǒng)。目前，分布 式傳感技術(shù)只能測(cè)量溫度和應(yīng)力，這是因?yàn)闇囟群蛻?yīng)力的變化都會(huì)導(dǎo)致光纖折射率及聲子 速率發(fā)生變化。由布里淵頻移的公式（1)可知，此時(shí)對(duì)應(yīng)的布里淵頻移也會(huì)發(fā)生變化，這是 布里淵測(cè)溫及測(cè)應(yīng)變的原理。但是目前，傳統(tǒng)的布里淵傳感技術(shù)只能測(cè)量縱向的應(yīng)變，而無(wú) 法測(cè)量橫向的應(yīng)變（即曲率），即傳統(tǒng)的分布式傳感技術(shù)只能測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度方向上的應(yīng) 變，而無(wú)法測(cè)量垂直于光纖方向上（橫向）的應(yīng)變，因而在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在較大的局限 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)提供一種曲率測(cè)量方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法測(cè)量曲率的技 術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了提高分布式傳感技術(shù)的適用性技術(shù)效果。
[0010] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種曲率測(cè)量方法，包括：
[0011] 通過(guò)分布式傳感系統(tǒng)測(cè)量沿光纖鏈路的布里淵頻移的變化量AvB;其中，所述分 布式傳感系統(tǒng)中所采用的光纖為含有偏心纖芯的光纖；
[0012] 通過(guò)公式
Η十算得到彎曲半徑R，并得到曲率；其 中，η為曲率響應(yīng)系數(shù)，^為未發(fā)生彎曲時(shí)初始的布里淵頻移，d為外層芯距光纖幾何中 心的距離，θ為彎曲方向按順時(shí)針?lè)较虻嚼w芯徑向的角度。
[0013] 進(jìn)一步地，所述通過(guò)公￥
:十算得到彎曲半徑R， 并得到曲率，具體包括：
[0014] 通過(guò)所述公￥ 汁算得到所述彎曲半徑R，對(duì)所述 彎曲半徑R求倒數(shù)，得;c_」mjτ。
[0015]進(jìn)一步地，所述曲率響應(yīng)系數(shù)η通過(guò)擬合得到。
[0016] 進(jìn)一步地，所述曲率響應(yīng)系數(shù)η通過(guò)擬合得到，具體包括：
[0017] 通過(guò)對(duì)測(cè)量光纖多次構(gòu)造彎曲半徑已知的圓形彎曲，并相應(yīng)地實(shí)施布里淵分布式 測(cè)量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，得到布里淵頻移的變化量AνΒ與彎曲半徑R之間的關(guān)系，即
[0018] 結(jié)合公式奶得至計(jì)算得到曲率響 應(yīng)系數(shù)η。
[0019] 進(jìn)一步地，所述分布式傳感系統(tǒng)包括：布里淵光時(shí)域反射儀、布里淵光時(shí)域分析 儀、布里淵相關(guān)域反射儀或布里淵相關(guān)域分析儀。
[0020] 本發(fā)明實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 本發(fā)明實(shí)施例在國(guó)際上首次提出了在含有偏心纖芯的光纖（如多芯光纖）的分布 式傳感系統(tǒng)中，偏心纖芯（外層芯）的布里淵頻移（Brillouinfrequencyshift)對(duì)彎曲 /曲率敏感，且頻移量跟曲率大小呈線性關(guān)系的結(jié)論。之所以布里淵頻移對(duì)彎曲敏感，是因 為在含有偏心纖芯的光纖（如多芯光纖）中，當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，處在非中心的纖芯（外層芯） 要么被拉伸，要么被壓縮，因此在彎曲的切線方向上會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致布里 淵頻移發(fā)生變化，當(dāng)然本質(zhì)上是由于彎曲導(dǎo)致折射率和聲子速率發(fā)生變化。因而，可以通過(guò) 布里淵頻移量求得偏心纖芯的曲率。由此可知，基于本發(fā)明實(shí)施例的分布式傳感系統(tǒng)的測(cè) 量范圍將不再只有溫度和應(yīng)力，還包括彎曲/曲率，相當(dāng)于拓寬了一個(gè)測(cè)量維度，這將大大 地促進(jìn)分布式傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)方面的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的曲率測(cè)量方法的流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例二中使用的布里淵光時(shí)域分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二中使用的七芯光纖的橫截面圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例二中使用的七芯光纖的結(jié)構(gòu)透視圖；
[0026] 圖5為含有偏心纖芯的光纖中某個(gè)外層芯中布里淵頻移對(duì)不同曲率的響應(yīng)關(guān)系 圖；
[0027]圖6為含有偏心纖芯的光纖中某個(gè)外層芯中布里淵頻移與曲率的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)提供一種曲率測(cè)量方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法測(cè)量曲率的技 術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了提高分布式傳感技術(shù)的適用性技術(shù)效果。
[0029] 本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，總體思路如下：
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例在國(guó)際上首次提出和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在含有偏心纖芯的光纖（如多芯 光纖）的分布式傳感系統(tǒng)中，偏心纖芯（外層芯）的布里淵頻移（Brillouinfrequency shift)對(duì)彎曲/曲率敏感，且頻移量跟曲率大小呈線性關(guān)系的結(jié)論。之所以布里淵頻移對(duì) 彎曲敏感，是因?yàn)樵诤衅睦w芯的光纖（如多芯光纖）中，當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，處在非中心的 纖芯（外層芯）要么被拉伸，要么被壓縮，因此在彎曲的切線方向上會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力作 用，從而導(dǎo)致布里淵頻移發(fā)生變化，當(dāng)然本質(zhì)上是由于彎曲導(dǎo)致折射率和聲子速率發(fā)生變 化。因而，可以通過(guò)布里淵頻移量求得偏心纖芯的曲率。由此可知，基于本發(fā)明實(shí)施例的分 布式傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍將不再只有溫度和應(yīng)力，還包括彎曲/曲率，相當(dāng)于拓寬了一個(gè) 測(cè)量維度，這將大大地促進(jìn)分布式傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)方面的應(yīng)用。
[0031 ] 為了更好地理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上 述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0032] 實(shí)施例一
[0033] 參見(jiàn)圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的曲率測(cè)量方法，包括：
[0034] 步驟S110 :通過(guò)分布式傳感系統(tǒng)測(cè)量沿光纖鏈路的布里淵頻移的變化量ΔvB; 其中，分布式傳感系統(tǒng)中所采用的光纖為含有偏心纖芯的光纖；
[0035] 在本實(shí)施例中，分布式傳感系統(tǒng)包括但不限于布里淵光時(shí)域反射儀、布里淵光時(shí) 域分析儀、布里淵相關(guān)域反射儀或布里淵相關(guān)域分析儀。含有偏心纖芯的光纖是指光纖中 存在有一個(gè)或多個(gè)纖芯，該一個(gè)或多個(gè)纖芯不在光纖的幾何中心上，即位于偏離中心的位 置上。
[0036] 步驟S120:通過(guò)公?
計(jì)算得到彎曲半徑R，并得 到曲率；其中，η為曲率響應(yīng)系數(shù)，^為未發(fā)生彎曲時(shí)初始的布里淵頻移，d為外層芯距光 纖幾何中心的距離，Θ為彎曲方向按順時(shí)針?lè)较虻嚼w芯徑向的角度。
[0037] 對(duì)步驟S