CN111442789B - 一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与测量精度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与物理量测量精度的方法，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统为光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；少模光纤中传输的每一模式信号均可像基于单模光纤的光纤传感技术一样提取有用的待测信息，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均和差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统物理量测量精度和空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过对少模光纤中所传输的信号进行模式复用实现光纤传感的方法及系统，尤其涉及一种提高空间分辨率和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的光纤传感方法及系统，属光纤传感领域。
背景技术
光纤传感系统尤其是分布式光纤传感系统既以光纤作为敏感元件，又以光纤作为信号传输介质，可根据光纤中所传输光信号产生的散射进行外界物理信息的感知，相比于其它传感技术，因其可实现长距离连续监测、高灵敏度、检测范围广、抗电磁干扰等诸多优势被广泛应用于大型建筑物健康监测、管道监测、周界安防以及地质检测等领域。随着技术的不断发展以及对于传感器要求的提升，高精度测量成为分布式光纤传感系统的重要研究方向之一。为实现高精度测量，空间分辨率和振动、应变、温度、湿度、损耗等物理量测量精度的提升都是研究的关键。空间分辨率是系统能区分开传感光纤上相邻最近两个事件点的能力。振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度是指待测物理量观测值与真实值之间的一致程度。通过这两项参数指标的提升可以实现系统的高精度测量。
目前，科学家们主要通过诸如先进的新型光纤、高性能探测器、高精度信号检测处理技术等不同的技术路线来实现高精度分布式光纤传感。近几年，国内外研究者通过不同方式不断提升系统的测量精度和空间分辨率。如，2010年，潘政清课题组提出一种光纤光栅分布式应变传感器，通过光纤光栅进行定位，并在光纤衰荡腔中加入掺铒光纤放大器构建有源衰荡腔，获得光脉冲衰荡序列，以实现空间分辨率提升。2013年，南安普顿大学AliMasoudi等人利用马赫-曾德干涉仪结构与布里渊光时域反射系统(BOTDR)结合，通过微分交叉相乘法解调，提高应变分辨率和空间分辨率。2015年，缪文韬等人提出专利“一种光纤传感器及其制作方法”，公开了一种提高空间分辨率和定位精度的光纤传感器，通过增大缠绕于缆芯上的光纤单元长度实现。2016年，华南理工甘久林等人提出基于脉冲对二次频谱差技术，通过注入脉宽略有差异的光脉冲对，对得到的布里渊散射信号进行二次频谱差运算实现空间分辨率提升和高精度温度应变测量。2018年，徐团伟、冯圣文等人提出一种双波长分布式光纤声传感系统，在OTDR中引入了双M-Z干涉仪结构，结合差分和自适应二维双边滤波算法，对利用波分复用的方式获得两个空间分辨率不同但相近的相位解调结果相减，获得高空间分辨率等。
少模光纤(Few Mode Fiber,FMF)是一种纤芯面积足够大、足以利用几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。本发明提供了一种基于模式复用技术提高传感系统的空间分辨率和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的方法，利用FMF作为系统的信号传输介质和敏感元件，通过分离FMF中传输的多个模式信号，将各个模式信号分别预处理后，结合改进的数据处理方法，再进行模式复用。实现高精度测量，该发明系统结构简单、便于工程应用。
发明内容
本发明目的是，提供一种基于模式复用技术提高空间分辨率和物理量(包括应变、振动、温度、湿度或损耗等)测量精度的光纤传感方法和系统。模式复用提高空间分辨率和物理量(包括应变、振动、温度、湿度或损耗等)测量精度的原理可描述为：基于单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)的分布式光纤传感技术，根据基模信号传输的速度和外部扰动信息的时间值，可以实现待测物理量信息的精确定位。FMF内传输的每个模式均像SMF一样分别获得待测物理量信息，且FMF内传输的各个传导模式存在有效模式传播速度速度差异；由于FMF中传输的各个模式间存在的时延，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，可获得更高的定位测量精度和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度。
本发明的技术方案是，一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与测量精度的方法，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统可以为(点式)光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；对于获取的每一模式的信号如同基于单模光纤的分布式光纤传感技术，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，由于不同模式间在光纤中传输时具有时延，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均或差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度和提高空间分辨率。
具体包括以下步骤：
步骤1、所述光纤传感系统中的探测信号输出单元输出探测光信号，探测光信号经光开关、模式分离器注入少模光纤，或探测信号经环形器进入少模光纤；
步骤2、少模光纤所产生的不同模式的背向散射光信号经模式分离器分离，再经光开关切换后依次、分别被光电探测器接收；或经环形器进入模式分离器、再经光开关后依次、分别被光电探测器接收；
步骤3、对光电探测器所接收的信号进行处理,分别提取出各模式信号携带的事件信息；
步骤4、综合多个模式的测量结果，对群速度做归一化，修正群速度差异，对修正后的多个模式信号进行综合分析与处理。
系统所使用的少模光纤可容纳两个及以上模式光信号的传输，所述少模光纤的各个模式信号均可用于实现振动、应变、温度、湿度或损耗的测量，对少模光纤中传输的多个模式信号加以复用；少模光纤中传输的各个模式间所存在的时延，会使得各模式信号观测同一扰动事件时获得的定位点出现时间上的差异，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，获得更高的定位测量精度和提升振动、应变、温度、湿度或损耗的测量精度；
某些模式中存在的因相干衰落噪声被部分淹没的有用信号，通过其余模式中的信息补偿获得；即通过综合分析LP01、LP11……LPmn等多个模式的信号，可避免误判，提高待测物理量(振动、应变、温度、湿度或损耗)信息获取的全面性与准确性；
对所述系统获得的多个模式的测量结果，做归一化处理，以修正模式群速度差异，对修正后的多个模式信号进行平均处理和综合分析，以降低噪声进而提高被测物理量(振动、应变、温度、湿度或损耗)的测量精度；
综合利用多个模式的测量结果，对归一化后的各模式测量信号进行差分运算，提取差分结果中的事件信息，以补偿其它模式中被相干衰落噪声淹没的信号。
综合利用多个模式的测量结果，对归一化前的各模式测量信号直接进行差分运算，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差进行计算处理，以提高空间分辨率；
对所述结构采集到的多个模式的光信号进行归一化处理，修正群速度差异，并对修正后的多个模式信号进行平均处理，实现振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的提升；
以LP01模为基准，结合所述的差分结果和归一化结果，可将分布式光纤传感系统的空间分辨率从m量级提升到cm量级，当综合分析较多模式的结果时，可进一步提升空间分辨率的精度至mm量级甚至更高的精度；
以LP01模为探测信号输入模式，系统获得的除LP01模之外的其它模式散射信号不存在测量死区，解决了传统基于单模光纤的分布式光纤传感系统中所存在的由于菲涅尔反射导致的测量死区问题；
所述的LP01模也可以使用少模光纤中所存在的其它模式替代。
所使用的少模光纤从折射率分布角度考虑包括阶跃型少模光纤和渐变型少模光纤；少模光纤可以是单芯光纤，也可是使用多芯光纤实现多个模式信号的传输；
少模光纤前端的光纤传感系统可使用多种类型的光纤传感系统，点式光纤传感系统、基于瑞利散射的分布式光纤传感系统，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统和基于混沌信号相关分析的分布式光纤传感系统；
可提高测量精度的物理量包括偏应变、温度、湿度、振动、损耗；系统可监测出物理量变化的大小、发生的位置、持续的距离长度和时间长度。
本发明的机制是：光纤中光的各传输模式可通过麦克斯韦方程进行推算，根据波动方程所得的在柱坐标下，标量法中光纤的分布及模式的求解可归结于求解贝塞尔方程(1)：
上述方程的解可表示为四类贝塞尔函数Jm、Ym、Im、Km的不同组合形式。β为传播常数，k0为自由空间波矢，ni为材料折射率。以折射率分布为阶跃型的两层光波导为例，由于电场在纤芯是有限的，且电场在包层中衰减到零，电场ey可表示为
其中r为光纤端面上各点位置，a为光纤纤芯半径，
为电厂在横向端面上转过的角度，A1、A2分别为常系数，表示芯层和包层中函数分量的相对大小，U、W为归一化模式参数,
ncore、nc1分别为光纤纤芯和包层折射率。在特定的边界条件下，可得到特征方程
根据边界条件对其求解，可得到传播常数β的值，由β＝neff×k0，就可获得各模式的有效折射率neff，根据各模式的有效折射率和传播速度计算公式v＝c/neff，其中c为真空中光速，从而可以计算出各模式在光纤中的传播速度。
由于各模式间存在的传输速度差异，在传播一段距离后模式与模式之间会出现时延，即产生模式群时延，可表示为：
其中β＝neff×k0，k0为空间的光波波数，λ为波长。由此可得到高阶模与基模间的差分群时延τMDGD＝τ(LPmn)-τ(LP01)。利用FMF实现分布式传感，各模式起始时间相同，对应的在光纤中的起始点也相同，由于FMF中传输的各个模式间存在的时延，这会使得各模式信号观测同一扰动事件时获得的定位点出现时间上的差异(即距离差)，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，可获得更高的定位测量精度和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度，弥补现有技术在定位精度和待测物理量测量精度方面的不足。
进一步的，由于少模光纤中可容纳不同模式信号传输，多个模式在少模光纤中传输时相对于多模光纤具有更高的稳定性，本发明使用少模光纤实现模式复用，所使用的少模光纤从折射率分布角度考虑包括阶跃型和渐变型；进一步的该方法可实现对湿度、损耗、温度、应变、振动等多种物理量测量精度的提升；
进一步的，对于获取的每一模式的信号都可像基于单模光纤的分布式光纤传感技术一样，实现扰动事件的精确定位。对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，由于模式在光纤中传输具有时延，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，可采用平均、差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度和提高空间分辨率。
进一步的，当以LP01模为探测信号输入模式时，因其它模式的背向散射信号是从LP01模泄漏到相应模式中的信号，系统获得的除LP01模之外的其它模式散射信号则不存在菲涅尔反射问题，因此不存在测量死区，解决了传统基于单模光纤的分布式光纤传感系统中所存在的由于菲涅尔反射导致的测量死区问题。
有益效果：本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明在传统光纤传感结构基础上，替换掉单模光纤，使用少模光纤作为传感光纤，实现模式复用。本发明可以应用于多种光纤传感系统中，如点式光纤传感系统、基于瑞利散射的分布式光纤传感系统，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于混沌信号相关分析的分布式光纤传感系统等。新方案通过利用不同模式的信号，可一定程度上抑制散射的相干衰落噪声，实现应变、温度、振动、湿度或损耗等多种物理量测量精度的提升；利用不同模式信号之间的时延实现空间分辨率的提升。对采集到的多个模式的光信号直接进行差分运算，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差进行计算处理，提高系统的空间分辨率。系统所获得的各模式信号中，除基准模式外，其它模式信号不存在测量死区，避免了测量死区的问题。本发明通过结构和数据处理的优化，使传感系统空间分辨率的提升和待测物理量测量精度的优化，在工程使用中具有重要意义。
附图说明
图1模式复用光纤传感系统结构1；
图2模式复用光纤传感系统结构2；
图3模式复用光纤传感系统结构3；
图4FMF中脉冲传输及FMF中背向散射曲线示意图；
图5归一化处理后含相干衰落噪声的各模式应变信息示意图和综合分析结果示意图。
具体实施方式
为更加清楚明白地描述本发明，下面以光时域反射仪类传感系统为例，但不限于此类系统，结合附图说明本发明的较佳实施例。
本发明的系统结构包括光纤传感系统(1)、光开关(2)、模式分离器(3)、少模光纤(4)；或光纤传感系统(5)、环形器(6)、模式分离器(7)、少模光纤(8)、光开关(9)。
本发明用于传感时的具体实施步骤如下：系统光路连接方式如下：光纤传感系统(1)的探测信号输出端口接光开关(2)的输入端，光开关的输入端接模式分离器(3)，模式分离器(3)的输出端口接少模光纤(4)，如图1所示；或光纤传感系统(5)的探测信号输出端口接环形器(6)的1端口，环形器(6)的2端口接模式分离器(7)，模式分离器(7)的输出端口接少模光纤(8)，环形器(6)的3端口接光开关(9)的输入端，光开关的输出端接光纤传感系统(5)中的光电探测单元，另，光开关(9)的输入端可在环形器(6)的3端口和模式分离器的其它各模式端口间相互切换，如图2所示；图2中的环形器(6)、模式分离器(7)、光开关(9)也可封装在传感系统内部，如图3所示；
传感过程步骤如下：
步骤1、探测光信号经光开关(2)、模式分离器(3)向前注入少模光纤(4)，所产生的携带物理信息的不同模式的背向传输光信号经模式分离器(4)分离，再经光开关切换后依次、分别被光纤传感系统(1)所接收；或探测信号经接环形器(6)的1端口、2端口向前进入模式分离器(7)后到达少模光纤(8)，所产生的携带物理信息的各模式背向传输的光信号经模式分离器(7)或经环形器(6)的3端口进入光开关(9)，后进入光纤传感系统(5)中的光电探测单元。
步骤2、对所接收的信号进行处理，各模式背向散射曲线示意图如图4所示，LP01模、LP11模……LPmn模间存在不同的时延。分别对所接收的各个模式信号进行处理，解算出各模式信号携带的事件信息：如：测量应变时，应变事件的发生位置、应变大小、应变事件持续的距离长度、应变持续的时长；
步骤3、归一化多个模式的测量结果，综合多个模式的测量结果，对各个模式的数据做归一化处理以修正群速度差异，如式(2)所示，Lmn为原始应变测量结果，neff(LPmn)为模式LPmn的有效折射率，Smn为修正后的各模式应变结果，对修正后的多个模式信号进行平均处理，降低噪声，以提高振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度；假设少模光纤中共有N个模式，归一化后的各应变曲线用Smn(含：S01、S11……Smn)表示，Strace为平均后的应变曲线，其计算过程如式(2)、(3)所示，该过程可降低测量结果的基底噪声。
Strace＝(S01+S11+…+Smn)/N (3)
对修正后的多个模式信号进行综合分析处理，以提高振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度。以上精度提升所依据的原理是散射光在传输过程中，由于光源的高相干性，脉冲宽度内的背向散射光会发生互相干涉，造成光强度随机波动，这种情况被称为相干衰落。在某些位置会由于相干产生幅度相消，甚至趋近于零，信号被淹没在噪声中，造成解调结果失真，为确保系统结果的准确性需要尽可能抑制衰落噪声。这种衰落噪声引起的强度起伏与光纤内部随机分布的散射点密切相关，通过模式复用技术可获得多个强度间低相关性的散射信号，通过综合这些信号可在一定程度上实现衰落噪声的抑制；
步骤4、根据归一化结果，对多个模式测量信号，每两个模式信号间做一次差分运算，差分结果可提取信息差异点，如式(4)所示，利用这种差分结果补偿由于相干衰落噪声带来的部分信息丢失；
步骤5、综合多个模式测量结果，对归一化前的应变曲线做差分，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差和各模式信号的传输时间进行计算处理，可提高传感系统的空间分辨率。
常用的分布式光纤传感系统，尤其是传感距离较长时，为保证系统的探测距离，探测信号的脉宽通常可达几十ns甚至更高，对应的空间分辨率为米量级，甚至更差。
这里以发明人使用康宁公司生产的两模光纤实验所得结果为例，1km的两模光纤(LP01模与LP11)，其中LP01模与LP11模的单向时延差是40ps,通过两者的时间差可以得出应变位置距离差异的估计值为32cm，以LP01模为基准，同时结合差分结果和步骤3的归一化结果，可将分布式光纤传感技术的空间分辨率从m量级提升到cm量级，综合分析较多模式的结果时，可进一步提升空间分辨率的精度至mm量级甚至更高的精度。
步骤6、以应变信息为例，不同模式中应变信息会受不同程度的相干衰落噪声影响，会淹没部分有用信号，会造成误判，通过以上归一化、平均、差分等综合分析LP01、LP11……LPmn等模式的信号，可避免这种误判，提高系统物理量测量精确度，如图5所示，这里物理量可以是应变、振动、温度、湿度或损耗等。
步骤7、针对LP01模式散射信号中的死区信号段，重点从其它模式信号中提取相对应的信号段并加以分析，避免遗漏重要的待测事件信息。
以上实施例仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与物理量测量精度的方法，其特征是，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统为点式光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；少模光纤中传输的每一模式信号均可像基于单模光纤的光纤传感技术一样提取有用的待测信息，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，由于模式在光纤中传输具有时延，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均和差分算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统物理量测量精度和空间分辨率；
具体包括以下步骤：
步骤1、所述光纤传感系统中的探测信号输出单元输出探测光信号，探测光信号经光开关、模式分离器注入少模光纤，或探测信号经环形器进入少模光纤；
步骤2、少模光纤所产生的不同模式的背向散射光信号经模式分离器分离，再经光开关切换后依次、分别被光电探测器接收；或少模光纤所产生的不同模式的背向散射光信号经环形器进入模式分离器、再经光开关后依次、分别被光电探测器接收；
步骤3、对光电探测器所接收的信号进行处理,分别提取出各模式信号携带的事件信息；
步骤4、综合多个模式的测量结果，对群速度做归一化，修正群速度差异，对修正后的多个模式信号进行综合分析与处理；
系统所使用的少模光纤可容纳两个及以上模式光信号的传输，所述少模光纤的各个模式信号均能用于实现物理量的测量，对少模光纤中传输的多个模式信号加以复用；少模光纤中传输的各个模式间存在的时延，使得各模式信号观测同一扰动事件时获得的定位点出现时间上的差异，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，获得更高的定位测量精度和提升振动、应变、温度、湿度或损耗的测量精度；
少模光纤中所传输的某些模式信号中存在的因相干衰落噪声被部分淹没的有用信号，通过其余模式中的信息补偿获得；即通过综合分析LP01、LP11……LPmn多个模式的信号，能避免误判，提高待测物理量信息获取的全面性与准确性；
对所述系统获得的多个模式的测量结果，做归一化处理，以修正模式群速度差异，对修正后的多个模式信号进行平均处理和综合分析，以降低噪声进而提高被测物理量的测量精度；
综合利用多个模式的测量结果，对归一化后的各模式测量信号进行差分运算，提取差分结果中的事件信息，以补偿其它模式中被相干衰落噪声淹没的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，综合利用多个模式的测量结果，对归一化前的各模式测量信号直接进行差分运算，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差进行计算处理，以提高空间分辨率。
3.根据权利要求1、2之一所述的方法，其特征是，以LP01模为探测信号输入模式且以LP01模为基准，结合所述的归一化前的差分结果和归一化后的差分结果及归一化结果，将分布式光纤传感系统的空间分辨率从m量级提升到cm量级，当综合分析较多模式的结果时，提升空间分辨率的精度至mm量级甚至更高的精度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的LP01模能使用少模光纤中所存在的其它模式替代。
5.根据权利要求1、2之一所述的方法，其特征是，所使用的少模光纤从折射率分布角度考虑包括阶跃型少模光纤和渐变型少模光纤；少模光纤是单芯光纤或使用多芯光纤实现多个模式信号的传输。
6.根据权利要求1、2之一所述的方法，其特征是，少模光纤前端的光纤传感系统能使用点式光纤传感系统、基于瑞利散射的分布式光纤传感系统，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统和基于混沌信号相关分析的分布式光纤传感系统；能提高测量精度的物理量包括应变、温度、湿度、振动、损耗。
7.根据权利要求1、2之一所述的方法，其特征是，当以LP01模为探测信号输入模式时，不存在测量死区，解决了传统基于单模光纤的传感系统中所存在的由于菲涅尔反射导致的测量死区问题。
8.根据权利要求1、2之一所述的方法，其特征是，归一化多个模式的测量结果，综合分析多个模式的测量结果；对各个模式的数据做归一化处理以修正群速度差异，式(I)所示，Lmn为原始应变测量结果，neff(LPmn)为模式LPmn的有效折射率，Smn为修正后的各模式应变结果，对修正后的多个模式信号进行平均处理，降低噪声，以提高物理量测量精度；假设少模光纤中共有N个模式，归一化后的各应变曲线用Smn表示，Smn含：S01、S11……Smn，Strace为平均后的应变曲线，其计算过程如式(I)、(II)所示，该过程能降低测量结果的基底噪声；
Strace＝(S01+S11+…+Smn)/N (II)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，根据归一化结果，对多个模式测量信号中每两个模式信号做一次差分运算，差分结果提取信息差异点，式(III)所示，利用这种差分结果补偿由于相干衰落噪声带来的部分信息丢失；
综合多个模式测量结果，对归一化前的应变曲线做差分，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差和各模式信号的传输时间进行计算处理，能提高传感系统的空间分辨率；
针对LP01模式散射信号中的死区信号段，从其它模式信号中提取相对应的信号段并加以分析，避免遗漏重要的待测事件信息。
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