CN110579177A - 基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法，包括以下步骤：利用OFDR系统测量两次，一次为参考数据和一次为测量数据，其中参考数据为未发生应变变化，测量数据为发生应变变化；对两组数据分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；两组数据各个位置对应相减后得到相对相位；进行第一次分段处理；将经过处理后的数据进行相位解缠绕，得到相位数据，根据数据的噪声水平，设定阈值三和第二次分段的分段数据长度，将相位数据进行第二次分段处理；进行一定数据长度的第三次分段，数据段长度即为传感空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光频域反射中基于相对相位变化的分布式 传感方法，应用于光频域反射。
背景技术
应力测量是一种重要的技术。应力测量在航空航天、材料加工、安全监测等领域有着广 泛的应用。而其中分布式光纤应变传感器，在航天智能结构，材料加工传感、石油和天然气 管道的泄漏检测、周界监测等检测应用中备受关注。传统的分布式光纤应变传感器有，布里 渊光时域反射仪(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)，可以实现亚米级空间分辨率， 数十公里感应范围和静态/动态应变测量。而光纤干涉仪传感器，如MZI型和Sagnac环型， 具有高灵敏度但低空间分辨率(通常为几十米)。然而，以上的分布式光纤应变传感器最小 可测量应变通常限制在10με以上，因此这不能满足某些应用的高灵敏度要求。
光频域反射技术(OpticalFrequencyDomainReflectometry,OFDR)，作为分布式光纤传 感的一种，OFDR技术将光纤中的瑞利散射看作一种的随机空间周期弱布拉格光栅，可用于 分布式应力、温度传感。在应变传感中，OFDR采用瑞利散射光谱互相关方法在空间分辨率 1cm时，最小可测量应变达到±1微应变。但对于小于1微应变微小应变变化，瑞利散射光 谱互相关方法还难以实现有效解调，现有目前仍然需要一种新型解调方法可以实现更高的空 间分辨率，更高灵敏度的应变传感，本方法同样适用于温度传感。
发明内容
本发明提供了一种基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法，这里以应变传 感为例，本发明实现了高空间分辨率达到4.35cm的分布式光纤应变测量，可成功测量最小 应变分辨率达到0.25με。技术方案如下：
一种基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法，包括以下步骤：
第一步，利用OFDR系统测量两次，一次为参考数据和一次为测量数据，其中参考数据为未发生应变变化，测量数据为发生应变变化；
第二步，对参考数据和测量数据两组数据分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转 换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
第三步，对步骤二所获得的两组数据，沿光纤测试距离对应各个位置的复信号，取其中 相位项，得到沿光纤距离分布的相位信号，两组数据各个位置对应相减后得到相对相位φ：
其中，L为从光纤起点到当前位置的距离，n1为得到参考数据时未发生应变光纤的折射 率，n2为得到测量数据时发生应变光纤的折射率，c为光速，而为相位噪声；相对相位φ的斜率与光纤应变所导致的折射率、长度变化相关。
第四步，根据采集数据的噪声水平设定分段数据长度、阈值一和阈值二，进行第一次分 段处理：将在公式(1)计算的整个距离域相位利用滑动窗按照一定数据长度分段，即整个 距离域数据分成多个数据段；计算每个数据段的方差，找到其中方差大于阈值一的数据段位 置；根据下列判断条件，判断是否将其进行替换或插值：加入判断与本段位置前后相邻两段 的平均值的差值是否大于阈值二的条件，在满足方差大于阈值二的条件下，如果前后相邻两 段的平均值的差值大于阈值二，则不替换或插值，如果前后相邻两段的平均值差值小于阈值 二，则替换或插值；替换或插值方法：替换为该数据段位置相邻两段中方差较小的数据段或 利用相邻两段数据进行插值获取此段数据。
第五步，将经过第四步处理后的数据进行相位解缠绕，得到相位数据，根据数据的噪声 水平，设定阈值三和第二次分段的分段数据长度，将相位数据进行第二次分段处理：计算每 个数据段的平均值，判断每个数据段的平均值与前一数据段平均值的差值是否大于阈值三， 则将与当前数据段后面相邻的数据段的所有数据减去这一差值，并将出现大于阈值三位置的 数据段替换成前面相邻数据段。
第六步，将第五步处理后的数据进行一定数据长度的第三次分段，数据段长度即为传感 空间分辨率，该次分段的数据长度大于前两次分段的数据长度，第三次分段处理方法如下：
1)求取每一数据段的平均值，将每一数据段的平均均值与前一段做差，得到沿光纤距 离分布的相位差分数据；
2)对沿光纤距离分布的相位差分数据进行中值滤波；
3)沿光纤距离分布的相位差分数据中受到应变的位置会产生突起，且突起的大小与应 变大小成正比，根据此种规律，通过线性拟合相位差分数据与应变变化值的标定系数，即可 根据相位差分数据得到光纤应变的变化值。
本发明的光频域反射中基于相对相位变化的分布式应变传感解调方法中传感光纤采用 瑞利散射增强光纤或连续光栅光纤。此外本方法也同时适应于分布式温度传感。本发明提供 的技术方案的有益效果是：
1、实现了高传感空间分辨率达到4.35cm的分布式光纤应变测量；
2、实现了高灵敏度达到0.25με的分布式光纤应变测量；
附图说明
图1为基于光频域反射的分布式光纤传感装置；
图2为一种光频域反射中基于相对相位变化的分布式应变传感解调方法流程图；
图3为检测结果举例的示意图，a.取相角整体图b.取相角局部图c.去噪声结果图；
图4为标定曲线的示意图；a.相位解缠绕b.消除阶跃c.消除阶跃噪声；
图5为经过中值滤波消除噪声后得到光纤应力的变化值的示意图；
图6为0.25增加至2.5个微应变这十种情况下相位变化情况；
图7为图6中的7个有效点做平均并对结果进行线性度拟合。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：可调谐激光器； 2：第一平衡探测器；
3：80:20分束器； 4：95:5光分束器；
5：50:50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：第一环形器；
11：计算机； 12：偏振控制器；
13：第二环形器； 14 50:50耦合器；
15：拉伸或压缩区域； 16：第二平衡探测器；
17：采集装置； 18：GPIB控制模块；
19：参考臂； 20：测试臂；
21：基于辅助干涉仪的时钟触发装置； 22：主干涉仪；
23：传感光纤；
具体实施方式
实施例一：
本实例包括基于光频域反射系统分布式光纤传感装置，称之为OFDR系统。包括：可调谐激光器1、95:5光分束器4、计算机11、GPIB(通用接口总线)控制模块18、基于辅 助干涉仪的时钟触发装置21、主干涉仪22。
其中，基于辅助干涉仪的时钟触发装置21包括：第一平衡探测器2、第一50:50耦合器 5、时钟整形电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和第一环形器10。基于辅助干涉仪的时钟触发装置21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。
其中，主干涉仪22包括：80:20分束器3、偏振控制器12、第二环形器13、第二50:50耦合器14、第二平衡探测器16、采集装置17、参考臂19、测试臂20和传感光纤23，其为 瑞利散射增强光纤或连续光栅光纤。主干涉仪22是光频域反射的分布式光纤传感装置的核 心，其为改进型马赫泽德干涉仪。
GPIB控制模块18输入端与计算机11相连；GPIB控制模块18输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与95:5光分束器4的a端口相连；95:5光分束器4的b端口即5％ 分光口与第一环形器10a端口相连；95:5光分束器4的c端口即95％分光口与80:20分束器 3的a端口相连；第一环形器10的b端口与第一50:50耦合器5的a端口相连；第一环形器 10的c端口与第一平衡探测器2的输入端相连；第一50:50耦合器5的b端口与第一平衡探 测器2的输入端相连；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；第一平衡探测器2的输出端与 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17的输入端 相连；80:20分束器3的b端口即20％分光口通过参考臂19与偏振控制器12的输入端相连； 80:20分束器3的c即80％分端口通过测试臂20与第二环形器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；第二环形器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端口与传感光纤23相连；第二50:50耦合器14的 c端口与第二平衡探测器16的输入端相连；第二50:50耦合器14的d端口与第二平衡探测 器17的输入端相连；第二平衡探测器16的输出端与采集装置17的输入端相连；采集装置 17的输出端与计算机11相连。
系统工作时，计算机11通过GPIB控制模块18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95:5光分束器4的a端口进入，并以5:95 的比例从95:5光分束器4的b端口经过环形器10进入第一50:50耦合器5的a端口，光从 第一50:50耦合器5的a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b端口输出；第一50： 50耦合5器从b端口的出射光进入第一平衡探测器2，第一平衡探测器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17，作为采集装置17的外部时钟信号。
可调谐激光器1的出射光由95:5光分束器4的a端口进入，从95:5光分束器4的c端口即95％分光口进入80:20分束器3的a端口；经过80:20分束器3从b端口即20％分光口 进入参考臂19中的偏振控制器12，从c端口80％分光口进入测试臂20上的第二环行器13 的a端口；光从第二环行器13的a端口进入，从第二环行器13的c端口进入拉伸区15中 的传感光纤23，而长距离光纤光栅23的背向散射光从第二环行器13端口c端口进入，从 第二环行器13端口b端口输出；参考臂19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端口与第二环行器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端口输出至第二平衡探测器 16，第二平衡探测器16将输出的模拟电信号传输至采集装置17，采集装置17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18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。
第一环形器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17采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光频域反射中利用 长距离光纤光栅测量分布式光纤应力的光纤传感。
实施例二：
发明实施例提供了一种基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法，这里以应 变传感为例。该传感方法是与实施例1中的传感系统相对应，如图2所示，该传感解调方法 的步骤是：
第一步，OFDR测量两次，一次为参考数据和一次为测量数据，其中参考数据为未发生 应变变化，测量数据为发生应变变化。在OFDR主干涉仪中由传感光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，可以表示为：
其中f0表示为初始光频，τ表示为任意位置反射的测试光与本振参考光的时延差，R(τ)表示为反射系数，γ表示为光源的扫频速率，表示任意时刻的光源的随机相位
第二步，对两组数据(参考数据和测量数据)分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息 转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息。对式子(1)的傅里叶变换表示为：
其中，δ()表示为冲激函数。使用参考数据除以测量数据，其中参考数据和测量数据分 别表示为(傅里叶计算结果为关于ω＝0轴对称，只取其中一侧并去掉直流分量)：
式子中表示为参考数据的光源随机相位，测量数据的光源随机相位。τ1表示为参 考信号任意位置反射的测试光与本振参考光的时延差，τ2表示为测量信号任意位置反射的 测试光与本振参考光的时延差。
第三步，对两组数据(参考数据和测量数据)分别进行快速傅里叶变换后为沿光纤测试 距离的复信号，取其中相位项，得到沿光纤距离分布的相位信号，两组数据各个位置对应相 减后得到：
对其进行推导得到：
其中，L为从光纤起点到当前位置的距离，n1为得到参考数据时未拉伸光纤的折射率， n2为得到测量数据时拉伸光纤的折射率。由于式子(6)中第二项远小于第一项，舍去。而 为相位噪声，因此式子(6)成为了关于光纤位置的一次函数：
该函数的斜率与拉伸所导致的折射率变化直接相关。为了进行斜率的提取避免噪声，进 行一系列去噪和相位解缠绕步骤。
第四步，对公式(7)处理后的数据如图3(a)所示，图3(b)为图3(a)的局部放 大，利用滑动窗按照2个数据长度分段，即整个距离域数据分成多个数据段；计算每个数据 段的方差，找到其中方差大于0.3的位置，将其替换为左右两侧相邻数据段中方差较小的数 据段或或利用左右两段数据进行插值获取此段数据。为了避免将相位跳变误认为噪声，在判断是否需要替换时，加入了判断本段左右相邻两段的平均值的差值是否大于2.3的条件。在满足方差大于0.3的条件下，如果左右相邻两段的平均值的差值大于2.3，则不替换，如果差值小于2.3，则替换，其结果如图3(c)所示。
第五步，将此后整体的数据进行相位结缠绕(解缠结果如图4(a))，得到了基本相位 数据。再次将相位数据以12为大小进行第二次分段，并判断每一段左右相邻分段的平均值 的差值是否大于1(阶跃)，若大于1，则将本段后面的所有数据减去此处的大差值来消除阶 跃(结果如图4(b)所示)。为了消除产生阶跃处的跳变噪声，列出差值大于1的阶跃分段。判断阶跃分段的前一段是否也是阶跃分段，如果是，则再向前选取，直至不是阶跃分段为止。如果不是，则将选取的分段代替阶跃分段，结果如图4(c)所示。
第六步，将信号进行以480为大小进行第三次分段，求取每一段的平均值。将每一段的 均值与前一段做差，得到一个差分曲线。在这个曲线中，受到应力的位置会有相应大小的突 起。为了获得准确的相位变化，取这段曲线的第20至第40个点的均值，将曲线减去这个均 值。将曲线进行窗长度为6的中值滤波来消除噪声，最终得到光纤应力的变化值，结果如图 5所示。
综上所述，实现了利用长距离光纤光栅的相位解调完成空间分辨率达到4.35cm的分布 式光纤应力测量，同时使得灵敏度达到0.25με；
实施例三
下面结合具体的试验对实施例1-2中的传感系统和传感方法进行可行性验证，参见图6 和图7，详见下文描述：
本发明实施例验证实验为采用传感光纤23为连续光栅光纤，所述长距离光纤光栅为长 度为34m，由3400段组成，每段长10mm，其中光栅长度为9mm，中心波长1550nm。
将传感光纤23中末端的40cm，一端固定，另一端粘在纳米位移台上。对光纤进行0.1 至1微米的拉伸，因此给予了光纤0.25至2.5个微应变。在拉伸过程中，进行数据采集，得 到了对应微应变的数据。在第三次分段中，取480个点为窗时，意味着整个系统的分辨率为 4.35cm。
在实验中，我们使用OFDR系统，起始频率为1540.1nm波段，扫频速率为80nm/s,采样点数为1.5M，附加干涉仪光纤长度为136m。
图6为0.25增加至2.5个微应变这十种情况下相位变化情况，可以证明该传感系统和传 感方法实现了空间分辨率为4.35cm，灵敏度为0.25με的分布式光纤应力测量。
我们为了验证相位方法的线性，图7为图6中的7个有效点做平均并对结果进行线性度 拟合。由图可以看出相位结果有较好的线性度。
综上所述，实现了利用长距离光纤光栅完成空间分辨率达到4.35cm的分布式光纤应力 测量，同时使得灵敏度达到0.25με，实现了微小应变的测量
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。
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 (4)
1.一种基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法，包括以下步骤：
第一步，利用OFDR系统测量两次，一次为参考数据和一次为测量数据，其中参考数据为未发生应变变化，测量数据为发生应变变化。
第二步，对参考数据和测量数据两组数据分别进行快速傅里叶变换，即将光频域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息；
第三步，对步骤二所获得的两组数据，沿光纤测试距离对应各个位置的复信号，取其中相位项，得到沿光纤距离分布的相位信号，两组数据各个位置对应相减后得到相对相位φ：
其中，L为从光纤起点到当前位置的距离，n1为得到参考数据时未发生应变光纤的折射率，n2为得到测量数据时发生应变光纤的折射率，c为光速，而为相位噪声；相对相位φ的斜率与光纤应变所导致的折射率、长度变化相关；
第四步，根据采集数据的噪声水平设定分段数据长度、阈值一和阈值二，进行第一次分段处理：将在公式(1)计算的整个距离域相位利用滑动窗按照一定数据长度分段，即整个距离域数据分成多个数据段；计算每个数据段的方差，找到其中方差大于阈值一的数据段位置；根据下列判断条件，判断是否将其进行替换或插值：加入判断与本段位置前后相邻两段的平均值的差值是否大于阈值二的条件，在满足方差大于阈值二的条件下，如果前后相邻两段的平均值的差值大于阈值二，则不替换或插值，如果前后相邻两段的平均值差值小于阈值二，则替换或插值；替换或插值方法：替换为该数据段位置相邻两段中方差较小的数据段或利用相邻两段数据进行插值获取此段数据；
第五步，将经过第四步处理后的数据进行相位解缠绕，得到相位数据，根据数据的噪声水平，设定阈值三和第二次分段的分段数据长度，将相位数据进行第二次分段处理：计算每个数据段的平均值，判断每个数据段的平均值与前一数据段平均值的差值是否大于阈值三，则将与当前数据段后面相邻的数据段的所有数据减去这一差值，并将出现大于阈值三位置的数据段替换成前面相邻数据段；
第六步，将第五步处理后的数据进行一定数据长度的第三次分段，数据段长度即为传感空间分辨率，该次分段的数据长度大于前两次分段的数据长度，第三次分段处理方法如下：
1)求取每一数据段的平均值，将每一数据段的平均均值与前一段做差，得到沿光纤距离分布的相位差分数据；
2)对沿光纤距离分布的相位差分数据进行中值滤波；
3)沿光纤距离分布的相位差分数据中受到应变的位置会产生突起，且突起的大小与应变大小成正比，根据此种规律，通过线性拟合相位差分数据与应变变化值的标定系数，即可根据相位差分数据得到光纤应变的变化值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一次分段的数据段长度取2～10个数据点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二次分段的数据段长度取大于100个数据点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二次分段的数据段长度取10～20个数据点。
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