CN107356275A - 一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法属于光纤分布式传感技术领域。本发明针对现有技术中光谱互相关法在实现高定位精度时导致光谱分辨率降低的限制因素，提出了频域插值法以提升光谱互相关法的光谱分辨率，该方法能够保证在获得高定位精度的同时，光谱分辨率不会下降，从而满足高定位精度、高传感分辨率的分布式传感应用，如飞行器等中小型结构的高精度分布式传感。
Description
技术领域
本发明一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法属于光纤分布式传感技术领域。
背景技术
光纤分布式传感技术借助于光纤优异的物理特性，具有体积小、重量轻、易于排布、抗电磁干扰等优势，广泛应用于建筑、桥梁、油井、船舶、飞行器等结构健康监测领域。光频域反射分布式传感通过测量传感光纤各处瑞利散射光谱平移量对温度、应变的分布进行计算，是一种连续的分布式传感技术。该技术相对于其它光纤分布式传感技术具有传感光纤成本低、定位灵敏度高、定位精度高等特点。
在光频域反射分布式传感技术中，目前研究较多的是光谱互相关法，该方法对传感光纤同一传感单元在参考和传感条件下的散射光谱进行互相关计算，得到光谱平移量以实现应变、温度的分布式传感。虽然该方法在实现上较为简单，但计算光谱平移量时，光谱分辨率被传感单元大小限制，使得获得较高定位精度的同时，光谱分辨率的降低导致光谱平移量计算精度下降，不能同时满足具有高定位精度、高传感分辨率的分布式传感应用。
发明内容
本发明的目的提供一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，克服了现有技术中互相关法对光谱分辨率提升的限制因素，提出了频域插值法，在实现较高定位精度的同时，光谱分辨率不会下降，从而保证较高的传感分辨率。详见下文描述：
在计算光谱平移量时，光谱分辨率δλ决定了传感分辨率，对于1550nm的光源，光谱分辨率δλ与光频分辨率δf关系近似为：
由于光频分辨率δf与传感单元长度δL为傅立叶变换关系，可以得到:
式中n为光纤折射率，c为真空中光速，因此，光谱分辨率δλ与传感单元长度δL成反比关系，传感光纤定位精度越高，即传感单元δL选取越小，光谱分辨率δλ越差。
从传感原理分析，传感单元光谱产生平移的根本原因是应变、温度的影响使光纤时域分布发生收缩或拉伸导致时域相位分布产生了线性变化，该相位变化的斜率反映了光谱的平移量。根据傅立叶变换性质，时域相位线性变化2π，频谱整体平移一点。由于光谱的互相关法只能以点为基本单元进行计算，因此相当于在计算时域线性变化的相位时，以2π的整数倍进行了近似，这种“量化”的计算方法降低了光谱平移量的计算精度，为了提升互相关法的光谱分辨率，根据傅立叶变换性质，可以通过频域插值方法增加光谱互相关运算点数以消除对光谱分辨率的影响，进而提升传感分辨率。
本发明的技术方案：
一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，所述方法应用于光频域反射分布式传感器，所述方法包括以下步骤：
1)扫频激光器在一定波长范围内进行两次扫描，扫频激光器第一次扫描在传感光纤处于无应变或无温度变化的条件下，即参考条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤的时域分布，该时域分布信号作为参考信号；扫频激光器的第二次扫描在传感光纤处于有应变或有温度变化的条件下，即传感条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤的时域分布信号，该时域分布信号作为传感信号；
2)截取步骤1)得到的参考信号和传感信号中相同位置的一段数据作为传感单元，对两段数据分别采用频域插值法：对截取的两段数据末尾按照一定比例进行补零，对补零后的两段数据进行快速反傅里叶变换分别得到参考和传感条件下的传感单元光谱响应；
3)通过对参考和传感条件下的传感单元光谱响应进行光谱互相关，得到传感单元光谱平移量，该光谱平移量能够反映传感单元应变或温度的变化；
4)整个传感光纤划分为多个传感单元，均按照步骤2)和3)进行计算，最终得到整个传感光纤反映温度或应变分布的光谱平移量分布。
所述传感光纤为单模光纤。
所述频域插值法中，传感单元光谱分辨率提升倍数与频域插值倍数成正比。
所述光谱互相关计算光谱平移量过程中，对传感条件下光谱响应两侧进行裁剪，提高光谱互相关计算的准确性。
本发明具有的优点和有益效果：本发明在光频域反射分布式传感中，克服了传统光谱互相关法传感单元大小对光谱分辨率的限制因素，使得在提高传感定位精度的同时，光谱互相关中光谱分辨率不会降低，从而满足高定位精度、高传感分辨率的分布式传感应用，如飞行器等中小型结构的高精度分布式传感。
附图说明
图1为一种光频域反射分布式传感中提升传感分辨率方法的流程图。
图2为一种光频域反射光纤分布式传感装置的示意图。
图3为应用该方法后分布式温度传感实验效果图。
其中，1-扫频激光器、2-99：1耦合器、3-50：50耦合器、4-50：50耦合器、5-延迟光纤、6-偏振控制器、7-50：50耦合器、8-光电探测器、9-偏振控制器、10-环形器、11-延迟光纤、12-50：50耦合器、13-偏振分束器、14-光电探测器、15-光电探测器、16-数据采集装置、17-计算机、18-传感光纤
具体实施方式
一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，所述方法应用于光频域反射分布式传感器，所述方法包括以下步骤：
1)扫频激光器在一定波长范围内进行两次扫描，扫频激光器第一次扫描在传感光纤处于无应变或无温度变化的条件下，即参考条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤的时域分布，该时域分布信号作为参考信号；扫频激光器的第二次扫描在传感光纤处于有应变或有温度变化的条件下，即传感条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤的时域分布信号，该时域分布信号作为传感信号；
2)截取步骤1)得到的参考信号和传感信号中相同位置的一段数据作为传感单元，对两段数据分别采用频域插值法：对截取的两段数据末尾按照一定比例进行补零，对补零后的两段数据进行快速反傅里叶变换分别得到参考和传感条件下的传感单元光谱响应；
3)通过对参考和传感条件下的传感单元光谱响应进行光谱互相关，得到传感单元光谱平移量，该光谱平移量能够反映传感单元应变或温度的变化；
4)整个传感光纤划分为多个传感单元，均按照步骤2)和3)进行计算，最终得到整个传感光纤反映温度或应变分布的光谱平移量分布。
所述传感光纤为单模光纤。
所述频域插值法中，传感单元光谱分辨率提升倍数与频域插值倍数成正比。
所述光谱互相关计算光谱平移量过程中，对传感条件下光谱响应两侧进行裁剪，提高光谱互相关计算的准确性。
下面对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。
一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，参见图1和图2，该方法具体包括以下步骤：
1)扫频激光器1在一定波长范围内进行两次扫描，扫频激光器1第一次扫描在传感光纤18处于无应变或无温度变化的条件下，即参考条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤18的时域分布，该时域分布信号作为参考信号；扫频激光器1的第二次扫描在传感光纤18处于有应变或有温度变化的条件下，即传感条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤18的时域分布，该时域分布信号作为传感信号；
2)截取步骤1)得到的参考信号和传感信号中相同位置1cm长度数据作为传感单元，对两段数据分别采用频域插值法：对截取的两段数据末尾按照一定比例进行补零，增加数组元素至原先的50倍，对补零后的两段数据进行快速反傅里叶变换分别得到参考和传感条件下该1cm传感单元的光谱响应；
3)通过对参考和传感条件下的1cm传感单元光谱响应进行光谱互相关，得到传感单元光谱平移量，该光谱平移量能够反映传感单元应变或温度的变化；
4)整个传感光纤18划分为多个1cm传感单元，均按照步骤2)和3)进行计算，最终得到整个传感光纤18反映温度或应变分布的光谱平移量分布。
传感光纤18为单模光纤。
频域插值法插值倍数为50倍，1cm传感单元光谱分辨率提升50倍，分辨率由80pm提升至1.6pm
计算光谱平移量过程中，对传感条件下光谱响应两侧各裁剪总长度的20％，再与参考条件进行互相关计算，提高光谱互相关计算的准确性。
其中，本发明实施中应用到的传感装置如图2所示，通过该装置获取传感光纤18的光频域响应的描述如下：
计算机17对扫频激光器1进行设置，包括光功率、扫频速度、波长范围等，并通过控制信号触发扫频激光器1开始扫描。扫频激光器1的出射光由99：1光耦合器2a进入，按照99：1的光功率比经2b和2c分别进入50：50耦合器4a和3a。50：50耦合器3b和3c分别连接偏振控制器6和延迟光纤5，两路信号在50：50耦合器7进行干涉，该干涉信号由光电探测器8转换为电信号并输入至数据采集装置16，产生采样时钟。50：50耦合器4b输出光进入环形器10a，通过10b和延迟光纤11进入传感光纤18，传感光纤18的背向瑞利散射光原路返回进入环形器10b并从10c输出。50：50耦合器4c输出光通过偏振控制器9与环形器10c的输出光在50：50耦合器12进行干涉，干涉信号通过偏振分束器13分为两路干涉信号分别进入光电探测器14和15，产生的两路电信号由数据采集装置16按照上述生成的采样时钟进行采集，得到两路光频域响应信号并输入至计算机17。
其中，扫频激光器1的光功率为10mW，扫频速度为100nm/s，波长范围为1546nm-1554nm。
所述延迟光纤5长度为56.8m，延迟光纤11长度为2m。
所述偏振控制器6用于消除偏振衰落影响，偏振控制器9调节该光路的光经过偏振分束器13后以1：1的光功率进入光电探测器14、15。
所述数据采集装置16为支持外部时钟的多通道同步数据采集卡，采集速度10MS/s，分辨率12位。
所述光电探测器8、14、15为InGaAs型光电探测器，带宽为10MHz。
所述传感光纤18为12m单模光纤。
本发明实施例中以1cm为传感单元，采用频域插值法前后，光谱分辨率由80pm提升至1.6pm。
图3为温度传感实验结果，所述传感光纤18放入带有热水的烧杯中，随着水温不断降低记录传感光纤18上各1cm传感单元波长移动量，同一温度下光纤各处波长移动量产生波动是光纤保护层各处受热引起残余应力的应变所致。可以看到，在获得1cm定位精度的同时，光谱分辨率的提高提升了传感分辨率，可以探测传感单元的温度、应变变化的更多细节。
Claims (4)
1.一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，所述方法应用于光频域反射分布式传感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)扫频激光器在一定波长范围内进行两次扫描，扫频激光器第一次扫描在传感光纤处于无应变或无温度变化的条件下，即参考条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤的时域分布，该时域分布信号作为参考信号；扫频激光器的第二次扫描在传感光纤处于有应变或有温度变化的条件下，即传感条件下进行，通过对得到的两路光频域响应分别进行快速傅里叶变换并矢量相加，获得传感光纤的时域分布信号，该时域分布信号作为传感信号；
2)截取步骤1)得到的参考信号和传感信号中相同位置的一段数据作为传感单元，对两段数据分别采用频域插值法：对截取的两段数据末尾按照一定比例进行补零，对补零后的两段数据进行快速反傅里叶变换分别得到参考和传感条件下的传感单元光谱响应；
3)通过对参考和传感条件下的传感单元光谱响应进行光谱互相关，得到传感单元光谱平移量，该光谱平移量能够反映传感单元应变或温度的变化；
4)整个传感光纤划分为多个传感单元，均按照步骤2)和3)进行计算，最终得到整个传感光纤反映温度或应变分布的光谱平移量分布。
2.根据权利要求1所述的一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，其特征在于，所述频域插值法中，传感单元光谱分辨率提升倍数与频域插值倍数成正比。
4.根据权利要求1所述的一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法，其特征在于，所述光谱互相关计算光谱平移量过程中，能够对传感条件下光谱响应两侧进行裁剪，以提高光谱互相关计算的准确性。
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