CN106895790A - 一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。本发明实现了在同样空间分辨率的条件下，无须牺牲空间分辨率，即可测量更小应变或温度值的效果。

Description

一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法。

背景技术

高精度、高空间分辨率的分布式传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式应变传感。

该方法采用普通单模通讯光纤为传感光纤，通过对距离域信号取窗，整合空间分辨率，再经过对窗内信息比对，计算应变信息。但该方法采用普通取窗计算得方法，应变传感灵敏度不高，需要牺牲空间分辨率来提高可测量的更小应变或温度值的效果。

发明内容

本发明提供了一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，本发明实现了在同样空间分辨率的条件下，即可测量更小应变或温度值的效果，详见下文描述：

一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：

在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；

对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；

两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。

其中，所述在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量的步骤具体为：

利用光频域反射系统采集两组在传感光纤中经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，一组为未施加应变或温度信号，另一组为施加应变或温度信号，并对两组拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应光纤中各个位置的距离域信息。

其中，所述利用补零扩充本地距离域数据段长度的步骤具体为：

对每个本地距离域数据段实施末尾补零操作，通过补零将本地距离域数据段长度扩充为现有移动窗长度的十倍。

其中，所述本地距离域数据段具体为：

通过一定长度的移动窗将选取两组距离域信息的各个位置，形成对应各个位置的本地距离域数据段，每个本地距离域数据段包含若干个数据点。

其中，所述光纤传感分辨率方法还包括：

通过标定可以得到互相关峰频移量与施加应变或温度定量对应关系，进而实现分布式光纤应变或温度传感。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用在光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度，对其进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据。上述补零使得本地光频域数据得到了频谱细化，在进行两组本地光频域数据段互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。本发明实现了在同样空间分辨率的条件下，无须牺牲空间分辨率，即可测量更小应变或温度值的效果。

附图说明

图1是一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法的流程图；

图2是一种光频域反射分布式光纤应变传感装置示意图；

图3a是未补零操作后，互相关点数的示意图；

图3b是补零操作后，互相关点数的示意图；

图4是本方法给予补零数后，应变与波长漂移量的关系图；

表1是不同补零数与应变分辨率的对应关系数据结果。

附图2中，各标号所代表的部件列表如下：

1：可调谐激光器； 4：1:99光分束器；

11：计算机； 21：调谐信号控制模块；

24：基于辅助干涉仪的时钟触发系统； 25：主干涉仪；

2：探测器； 5：第一50:50耦合器；

6：时钟整形电路模块； 7：延迟光纤；

8：第一法拉第转镜； 9：第二法拉第转镜；

10：隔离器； 3：50:50分束器；

12：偏振控制器； 13：环形器；

14：第二50:50耦合器； 15：光纤；

16：第一偏振分束器； 17：第二偏振分束器；

18：第一平衡探测器； 19：第二平衡探测器；

20：采集装置； 21：GPIB控制模块；

22：参考臂； 23：测试臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，是采用距离域取窗进行数据处理，假设N_w是本地距离域数据段的数据点数，其值等于移动窗的宽度，Δx是空间分辨率或定位精度，Δx可以表示为：

Δx＝N_wΔz

其中，Δz是每个数据点的空间分辨率。对无应变与存在应变的两路窗内信息进行互相关，通过互相关运算，计算结果形成单峰，通过互相关峰移点数与波长调谐范围即可判断，应变造成的波长漂移量。

设窗内数据点数N_total，光频调谐范围Δv与传感(应变或温度)分辨率Δε存在对应关系，Δε可以表示为：

Δε～Δv/N

在补零算法中，本地数据段点数N＝N_w+N₀，N₀为补零数量，由于N与空间分辨率相关，N越小，空间分辨率越高，而本地数据段点数N越大，传感分辨率越高，故空间与传感分辨率存在矛盾，通过补零算法既可满足足够小的N维持细致的空间分辨率，又可满足有足够数量的N以提升应变分辨率，保证了空间分辨率与传感分辨率均在较高的水平，解决了空间与应变分辨率存在的矛盾。

实施例1

一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，参见图1和图2，该光纤传感分辨率方法包括以下步骤：

101：利用光频域反射分布式光纤应变传感装置中的主干涉仪25采集两组在光纤15中经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，一组为未施加应变信号，另一组为施加应变信号，并对两组拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应光纤15中各个位置的距离域信息；

102：通过一定长度的移动窗将选取两组各个位置的距离域信息，形成对应各个位置的本地距离域数据段，每个本地距离域数据段包含若干个数据点；

103：对两组本地距离域数据段实施末尾补零操作，通过补零将本地距离域数据段长度扩充为现有移动窗长度的十倍；

例如，原移动窗内数据点为500个，通过补零后扩充5000个。补零数量可根据光频移测量误差选择，本发明实施例对此不做限制。

104：对补零后的每个本地距离域数据段进行快速傅里叶逆变换，得到光纤15上各个位置的本地光频域数据段，并依次对各个位置的本地光频域数据段进行互相关运算，运算所得各个位置的互相关峰频移量；

105：通过标定可以得到互相关峰频移量与施加应变定量的对应关系，进而实现分布式光纤应变或温度传感。

其中，本发明实施例中应用到的光频域反射分布式光纤应变传感装置，如图2所示。该应变传感装置包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发系统24、主干涉仪25。

基于辅助干涉仪的时钟触发系统24包括：探测器2、第一50:50耦合器5、时钟倍频电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪的时钟触发系统24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。

主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50:50耦合器14、细径光纤15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。

GPIB控制模块21输入端与计算机11相连；GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器10的一端相连；1:99光分束器4的c端口与50:50分束器3的a端口相连；隔离器10的另一端与相连第一50:50耦合器5的b端口相连；第一50:50耦合器5的a端口与探测器2的一端相连；第一50:50耦合器5的c端口与第一法拉第转镜8相连；第一50:50耦合器5的d端口通过延迟光纤7与第二法拉第转镜9相连；探测器2的另一端与时钟倍频电路模块6的输入端相连；时钟整形电路模块6的输出端与采集装置20的输入端相连；50:50分束器3的b端口通过参考臂22与偏振控制器12的输入端相连；50:50分束器3的c端口通过测试臂23与环形器13的a端口相连；偏振控制器12的输出端与第二50:50耦合器14的a端口相连；环形器13的b端口与第二50:50耦合器14的b端口相连；环形器13的c端口与细径光纤15相连；第二50:50耦合器14的c端口与第一偏振分束器16的输入端相连；第二50:50耦合器14的d端口与第二偏振分束器17的输入端相连；第一偏振分束器16的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第二偏振分束器17的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第一平衡探测器18的输出端与采集装置20的输入端相连；第二平衡探测器19的输出端与采集装置20的输入端相连；采集装置20的输出端与计算机11相连。

装置工作时，计算机11通过GPIB控制模块21控制可调谐激光器1控制调谐速度、中心波长、调谐启动等；可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，并以1:99的比例从1:99光分束器4的b端口经过隔离器10进入第一50:50耦合器5的b端口，光从第一50:50耦合器5的b端口进入，从第一50:50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，两束光在第一50:50耦合器5中发生干涉，从第一50:50耦合器5的a端口输出；第一50：50耦合5器从a端口的出射光进入探测器2，探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至时钟整形模块6，时钟整形模块6干涉拍频信号整形为方波，整形后的信号传输至采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信号。

可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，从1:99光分束器4的c端口进入50:50分束器3的a端口；经过50：50分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23上的环行器13的a端口；光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入细径光纤15，而细径光纤的背向散射光从环行器13端口c端口进入，从环行器13端口b端口输出；参考臂22中的偏振控制器12输出的参考光通过第二50:50耦合器14的a端口与环行器13上的背向散射光通过第二50:50耦合器14的b端口进形合束，形成拍频干涉并从第二50:50耦合器14的c端口和d端口输出至第一偏振分束器16和第一偏振分束器17，第一偏振分束器16和第一偏振分束器17通过第一平衡探测器18和第二平衡探测器19对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光，第一平衡探测器18和第二平衡探测器19将输出的模拟电信号传输至采集装置20，采集装置20在时钟整形模块6形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机11。

GPIB控制模块21用于计算机11通过其控制可调谐激光器1。

可调谐激光器1用于为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描。

隔离器10防止辅助干涉仪中第一50:50耦合器5的b端口的反射光进入激光器。

第一50:50耦合器5用于光干涉。

延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。

第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象。

偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。

第二50:50耦合器14完成对信号进行偏振分束，消除偏振衰落噪声的影响。

计算机11：对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光纤瑞利散射光谱移动量的分布式应变传感。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤实现了在同样空间分辨率的条件下，无须牺牲空间分辨率，即可测量更小应变或温度值的效果。

实施例2

下面结合具体的附图3a、图3b以及图4、表1对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

如图3a所示，在空间分辨率为1cm，待测应变为10微应变下，未补零操作下的互相关图，可见互相关峰没有产生移动，原因在于数据点数不足，致使互相关图中点与点之间间隔频率值较大，无法描述较小的互相关峰频移量，造成无法描述该频移量对应的较小的应变变化值.

图3b为补充了数倍于窗口点数的零，在空间分辨率为1cm，待测应变为10微应变下，可见互相关图中，频率范围一定，但数据点数扩充至与补零数相同倍数。以此方法细化频率，频率间隔缩小至与补零数相同倍数。可见，未补零时无法表示细微频移量，经补零操作，得以显现，进而实现对较小应变值的测量。

如图4所示，为单模光纤所受不同应变变化对应的背向瑞利散射漂移量，窗口点数为1000点，对应于空间分辨率为4cm。可见实验数据拟合为稳定线性关系。

表1

如表1所示，随着补零数量的提升，频移量保持相对稳定，说明该方法可以有效地实现应变量测量，并未带入较大误差。且随着补零数目的增多，频率分辨率也随着补零数目呈线性提升，即应变分辨率随补零数目提升呈线性提升。一般通过补零将本地距离域数据段长度扩充为现有窗长度的十倍，如再增加补零数目，波长(光频)移动测量误差会增加，需要根据波长(光频)移动测量误差确定补零的数量。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：

在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；

对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；

两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。

2.根据权利要求1所述的一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量的步骤具体为：

利用光频域反射系统采集两组在传感光纤中经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，一组为未施加应变或温度信号，另一组为施加应变或温度信号，并对两组拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应光纤中各个位置的距离域信息。

3.根据权利要求1所述的一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述利用补零扩充本地距离域数据段长度的步骤具体为：

对每个本地距离域数据段实施末尾补零操作，通过补零将本地距离域数据段长度扩充为现有移动窗长度的十倍。

4.根据权利要求3所述的一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述本地距离域数据段具体为：

通过一定长度的移动窗将选取两组距离域信息的各个位置，形成对应各个位置的本地距离域数据段，每个本地距离域数据段包含若干个数据点。

5.根据权利要求1所述的一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述光纤传感分辨率方法还包括：

通过标定可以得到互相关峰频移量与施加应变或温度定量对应关系，进而实现分布式光纤应变或温度传感。