[发明专利]一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感结构健康监测技术领域，涉及一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法。

背景技术

光纤布里渊全分布式传感技术是近10多年来发展起来的一项先进的光纤传感技术，光纤布里渊传感器布设在结构上可以获取其沿线在时间和空间上的应变和温度场信息实现对结构进行全尺度大范围分布式监测，已在土木、海洋工程等领域得到了初步的应用。目前布里渊传感系统在空间分辨率上难以满足小尺度构件和结构关键位置高精度的测试要求，对于某些重要结构（如油库结构、航天飞行器等）不能及时准确的发现结构细微损伤。在布里渊性能方面，仪器测量精度、空间分辨率以及测量距离之间相互制约，如要增加传感距离就需要增加脉冲宽度以增加信号能量，但脉冲宽度的增加会导致空间分辨率的下降；高空间分辨率要求窄的入射脉冲，但脉冲能量的减少必然导致系统信噪比和传感距离的下降。这些问题的解决必将大大提高布里渊分布系统的性能，拓宽其在工程中的应用范围。加拿大Xiaoyi Bao教授自上世纪90年代起就开始光纤布里渊传感系统的研究，2005年，她提出预泵脉冲技术研制PPP-BOTDA系统，空间分辨率达到10cm，测试精度20με左右（Bao & Kishida，2005）；2008年，日本学者Hotate采用频率可调的连续光和泵浦光提取受激布里渊信号设计了BOCDR布里渊系统，在实验室实现了1cm空间分辨率的静态应变测试和5cm空间分辨率的动态测试（Hotate，2002,2008）；施斌、邱卫卫以及周智等人分别采用小波分析方法对实测布里渊信号进行滤噪处理，提高光纤布里渊传感器的测试精度（施斌，2003；邱卫卫，2004；周智，2009）；南京大学张旭苹教授采用最小二乘法对布里渊散射光谱进行拟合，提高应变测试精度（张旭苹，2009）。目前，上述研究还没有发展到成熟的商业化测试仪器，有关市场报道，日本Neubrex研制的商业布里渊仪表测试空间分辨率已达到10cm。此外，欧进萍、周智等人考虑到目前商业化布里渊仪表价格昂贵，测量精度相对较低的缺点，融合光纤光栅的优点提出布里渊全分布式和光纤光栅局部高精度共线融合技术，利用局部高精度光纤光栅测试值对光纤布里渊测试值进行校对（欧进萍，2009）。然而该方法中，光纤光栅的传感距离在5km左右，而且因光纤光栅的引入导致布里渊信号受到干扰，且整个共线系统采用两套解调设备，成本相对比较高。

鉴于目前商业化布里渊传感测试仪器空间分辨率低难以满足小尺度结构或结构局部损伤的精细化测试要求，本发明在不改变光纤布里渊传感测量系统本身物理性能的基础上，采用光纤多路环绕几何布设方法提出一种提高光纤布里渊传感空间分辨率的光纤几何重构方法。

发明内容

本发明提供了一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法和器件，该方法在一根光纤布里渊传感探头上实现了局部和整体信息共线测试方法。

本发明的技术方案是采用多回路回绕布设光纤，实现局部小尺度范围的高精确测量，几何重构的光纤命名为zig-zag 光纤探头；该探头与光纤布里渊其他探头一起构成局部和整体共线测量系统。本发明包括以下技术特征：

a)zig-zag光纤探头采用多回路回绕几何重构方法布设；回绕光纤的总长度大于5倍光纤布里渊测量仪器的最小空间分辨率；

b)zig-zag光纤中光纤回绕半径在2-3cm之间；根据工程布设方式，zig-zag探头可以单端出头或双端处头；

c)采用高耐久性材料纤维增强树脂封装zig-zag探头，发展工程化局部高精度zig-zag传感探头；zig-zag传感探头需预先经过标定。

d)Zig-zag传感探头与全局光纤布里渊传感器组成局部和整体共线测量系统。

本发明的效果和益处是采用光纤几何重构方法提高光纤布里渊传感空间分辨率，并在一根光纤布里渊传感探头上实现了局部和整体测试方法，在不额外增加布里渊测试设备成本的方式，可以满足小尺度构件测试和对局部损伤信息及时获取，有效克服了目前光纤布里渊传感技术其自身空间分辨率低和局部信息难以测量的问题。

附图说明

图1是基于zig-zag探头的光纤布里渊局部和整体共线测量系统示意图。

图2是三种zig-zag光纤的几何重构形式。

图3和图4是两种纤维增强树脂封装zig-zag光纤探头示意图。