[发明专利]基于自适应参考补偿的分布式应变传感系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感系统及其测量方法，该系统包括光源模块、脉冲调制模块、环形器、应变传感光缆、相干接收模块、信号处理模块和自适应补偿模块。本系统通过相干相位解调的方式，实时解调出应变传感光缆中各点的相位信息。特殊封装的应变传感光缆中含有应变传感光纤和参考光纤，通过参考光纤中的相位变化，对应变传感光纤进行温度漂移与激光频率漂移引起的相位噪声的实时补偿。为了实现高精度的相位补偿，本系统采用自适应补偿方法对参考光纤的相位信息进行实时追踪和自适应相位补偿。与现有技术相比，该系统可以有效抑制温度漂移和激光光源相位抖动，实现高精度的分布式应变传感。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感系统及其测量方法。

背景技术

我国是一个地震多发国家，地震活动地带众多，历史上强震频发，强震给我国人民造成了严重的生命财产损失。研究地震规律，找到地震的确定性前兆，实现准确的地震预报是目前急需解决的重点问题。李四光院士曾经指出：地震的发生主要是由于地壳运动在岩层中引起的地应力与岩石抵抗能力之间的矛盾逐步发展和激化的结果，对地应力进行观测，找出地应力有关的性质、特点以及作用方式和变化规律，才有可能对地震发生的地点、时间、频度和强度作出科学的判断。因此，高精度的地形变、地应力测量仪器是实现地震预测预报的关键设备和研究重点。

目前，地应力观测仪器主要包括架设在山洞中的硐室伸缩应变仪以及安装在岩层钻孔中的钻孔应变仪。伸缩应变仪主要靠长度稳定性良好的基准杆与两个基墩之间距离的比较实现地层应变的观测。然而，现有的伸缩应变仪一般需要较长的基准杆实现高灵敏的应变探测，因此安装的建设成本较高。分量式钻孔应变仪通过测量钻孔不同方向的直径变化，实现对水平地层应变的探测。相对于硐室伸缩应变仪，钻孔应变仪无需开凿大尺寸的山洞，因此安装成本较低，但钻孔应变仪只适合用于地应力的相对变化测量。同时若应变仪安装方式不合理，固定点位置发生蠕动，水泥膨胀、杆长变化等多种无法预测的因素都会使观测数据中混入各种形式的长周期噪声，难以实现长期准确的地应力观测。而且现有的电学应变仪只能进行单点的地应变测量，因此存在“测处未变、变处未测”的不足，在地震预测研究中可能会错过一些关键的地层应力信息。

光纤应变仪具有抗电磁干扰、电绝缘、无源等特点，在野外复杂环境的长期观测中具有特殊优势。因此，基于光纤干涉仪、光纤布拉格光栅和光纤光栅激光器等结构的光纤应变仪在近年来发展迅速。然而，由于光纤本身的特性容易受到温度变化的影响，因此光纤应变仪的长期稳定性一直是实际应用中的关键问题。同时，基于光纤干涉仪和光纤光栅激光器也难以进行大容量的级联复用，实现大范围的地形应力测量。因此，大范围、高精度的光纤分布式应力测量方法依然是亟待解决的科学问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感系统及其测量方法，旨在解决现有光纤传感系统测量易受温度影响、范围小和精度不高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感系统，包括：

光源模块，用于产生两路连续的窄线宽激光探针光和本振光；

脉冲调制模块，其输入端与光源模块输出端连接，用于将连续的窄线宽激光探针光进行脉冲调制并移频，输出短脉冲激光序列；

环形器，其输入端与脉冲调制模块输出端连接，用于实现短脉冲光序列与多个散射光序列在传感光纤中双向传输；

应变传感光缆，刻写有散射增强点，其输入端与脉冲调制模块输出端连接，输出端与环形器的第一输出端连接，短脉冲激光序列由散射增强点散射出多个散射光序列；

相干接收模块，其一个输入端与光源模块的本振光输出端相连，另一个输入端与环形器的第二输出端连接，用以使本振光与散射光干涉形成光拍频信号，并将多个光拍频信号转化为电信号，输出多个拍频序列；