CN111579049B - 一种基于单次测量的ofdr系统振动检测方法 - Google Patents

一种基于单次测量的ofdr系统振动检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，在OFDR系统中采用保偏光纤作为传感光纤，不需要采集参考信号，通过采集具有振动信息的信号，并利用自相关函数计算，根据自相关结果得到的两个边锋来获得沿光纤传感方向的振动信号检测。

Description

一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，属于光纤传感探测的技术领域。
背景技术
分布式光纤传感系统通过测量光纤内部的某些光学效应，如瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射来获取沿光纤方向的环境信息。光纤的特征信息会随着外界环境的变化发生变化，因而可以感知到光纤周围空间中分布的环境参数，例如温度、应变，振动等信息。同时，分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好等优良特性。近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的分布式光纤传感系统在国防、军事、民用设施等方面越来越受到人们的广泛关注。作为分布式光纤传感系统的代表，光频域反射技术(OFDR)具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰性强等优点，并且可连续探测传输过程中的振动、应变及温度等外界干扰的时间变化及空间分布信息。同时，由于OFDR系统具有高空间分辨率的特点，因此其在航天航空等高精度监测领域具有非常重要的应用。
OFDR系统主要是利用扫频光源相干检测技术对光纤中的光信号进行检测。将瑞利后向散射信息作为频率的函数以复杂的方式收集并通过快速傅里叶变换进行处理，得到局部信息。通过快速傅里叶变换处理，实现沿传感光纤的反射距离域映射。在传统的OFDR系统测量中，通常需要采集一次没有外界影响的参考信号，在光纤受到影响时，通过测试信号与参考信号的互相关计算可以得到外界信息的变化。然而，在实际应用中，静止状态下的参考信号可能不易获得，这变有可能造成OFDR系统对外界测量产生一定的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，只需要一次测量即可实现对外界振动信息的检测，其技术方案为，
一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，包括以下步骤：
S1.在OFDR系统中，将保偏光纤作为传感光纤，对外界振动信号探测；
S2.对传感光纤施加振动信号，并对振动信号进行采集；
S3.将采集卡采集到的数据在时域上分成N份，其中每一份为一个分段信号，假设振动信号的采集时间为T，此时振动信号的采样率为N/T；
S4.将S3中其中一个分段信号使用快速傅里叶变换到频域，然后按比例缩放到光纤长度；
S5.通过逆傅里叶变换得到局部谱信息，即分段信号的波长时域数据；
S6.采用自相关计算，观察自相关结果边锋的变化可以得到应变在T/N时间内变化的瑞利后向散射谱位移；
S7.对步骤S3中所有分段信号重复S4-S6，重复步骤S4以获得T时间内在N/T采样率下所选光纤截面上的应变变化信息，通过傅里叶变换可以得到振动信号的频率信息；重复步骤S5得到所有分段信号的波长时域数据；重复步骤S6得到所有分段信号时域经过自相关计算后自相关结果边锋的变化应变在T/N时间内变化的瑞利后向散射谱位移。
进一步的，为实现分布式动态应变测量，在传感光纤其它各个位置的振动信息均可通过运行步骤S3-S7获得。
有益效果
1)本发明所提出的单次测量OFDR振动传感系统，与传统的OFDR系统相比，不再需要参考信号的测量，仅使用一次测量即可实现对沿光纤方向的外界振动信号的检测。
2)本发明所提出单次测量OFDR振动传感系统，可以有效避免传统OFDR系统中非静止状态下参考信号引起的测量误差，从而可以有效的提高OFDR系统的测量精度。
附图说明
图1是基于保偏光纤自相关测量原理图；
图2是单次测量数据处理流程图；
图3是OFDR系统原理图；
其中1-可调谐光源；2-耦合器一；3-耦合器二；4-环形器；5-马赫-曾德干涉仪；6-偏振控制器一；7-偏振控制器二；8-耦合器三；9-偏振分束器；10-探测器；11-采集卡；12-传感光纤；13-压电陶瓷。
具体实施方式
下面结合附图1-3和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，包括以下步骤：
S1.在OFDR系统中，将保偏光纤作为传感光纤，对外界振动信号探测；
S2.对传感光纤施加振动信号，并对振动信号进行采集；
S3.将采集卡采集到的数据在时域上分成N份，其中每一份为一个分段信号，假设振动信号的采集时间为T，此时振动信号的采样率为N/T；
S4.将S3中其中一个分段信号使用快速傅里叶变换到频域，然后按比例缩放到光纤长度；
S5.通过逆傅里叶变换得到局部谱信息，即分段信号的波长时域数据；
S6.采用自相关计算，观察自相关结果边锋的变化可以得到应变在T/N时间内变化的瑞利后向散射谱位移，即频谱移动。
如图1所示，当无振动的情况下，自相关得到的两个边锋不会发生变化；当有振动的情况下，自相关得到的两个边锋会发生偏移。
S7.对步骤S3中所有分段信号重复S4-S6，重复步骤S4以获得T时间内在N/T采样率下所选光纤截面上的应变变化信息，通过傅里叶变换可以得到振动信号的频率信息；重复步骤S5得到所有分段信号的波长时域数据；重复步骤S6得到所有分段信号时域经过自相关计算后自相关结果边锋的变化应变在T/N时间内变化的瑞利后向散射谱位移。
进一步的，为实现分布式动态应变测量，在传感光纤其它各个位置的振动信息均可通过运行步骤S3-S7获得。
图2中,n代表循环次数，n等于N，m表示第m段光纤。
图3，OFDR分布式振动传感系统，包括：可调谐激光源1的连续激光输出由耦合器一2(10/90光耦合器)分成两份，10％入射到一个非平衡的马赫-曾德干涉仪5，为采集卡11提供一个触发信号，其余部分的光被注入耦合器二3；耦合器一2的输出被耦合器二3(1/99光耦合器)分成两个部分，其中1％的输出通过偏振控制器一6进行调整，使“p”和“s”光分量具有相同的功率(此时耦合器三8与偏振控制器二7不接通)，99％通过环形器4和偏振控制器二7进入到传感光纤(保偏光纤)12探测；当耦合器三8与偏振控制器二7接通，瑞利散射信号与1％激光输出与耦合器三8(50/50光耦合器)相结合得到的干涉信号，通过偏振分束器9分解成“p”和“s”分量，由两个探测器10分别进行探测；最后“p”和“s”光由采集卡11采集，压电陶瓷13用来给传感光纤提供振动信号。
当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在OFDR系统中，将保偏光纤作为传感光纤，对外界振动信号探测；
S2.对传感光纤施加振动信号，并对振动信号进行采集；
S3.将采集卡采集到的数据在时域上分成N份，其中每一份为一个分段信号，假设振动信号的采集时间为T，此时振动信号的采样率为N/T；
S4.将S3中其中一个分段信号使用快速傅里叶变换到频域，然后按比例缩放到光纤长度；
S5.通过逆傅里叶变换得到局部谱信息，即分段信号的波长时域数据；
S6.采用自相关计算，观察自相关结果边锋的变化可以得到应变在T/N时间内变化的瑞利后向散射谱位移；
S7.对步骤S3中所有分段信号重复S4-S6，具体为，重复步骤S4以获得T时间内在N/T采样率下所选光纤截面上的应变变化信息，通过傅里叶变换可以得到振动信号的频率信息；重复步骤S5得到所有分段信号的波长时域数据；重复步骤S6得到所有分段信号时域经过自相关计算后自相关结果边锋的变化应变在T/N时间内变化的瑞利后向散射谱位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于单次测量的OFDR系统振动检测方法，其特征在于，为实现分布式动态应变测量，在传感光纤其它各个位置的振动信息均可通过运行步骤S3-S7获得。
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