CN111735527A - 基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法 - Google Patents

Abstract

基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法。本发明提出一种分布式振动测量方法，利用光频域反射原理获取传感光纤上的瑞利散射谱的相位谱信息，在不改变光频域反射原理的分布式测量系统的基础上通过进行瑞利散射谱的相位谱分析以获得传感光纤上不同区域上的振动信息。

Description

基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤分布式振动测量方法。

背景技术

周界安全防范、边境防范、地震监测以及海啸预警等传感报警系统在保障人民生活安定、保护人们生命财产安全方面发挥着巨大的作用，而这类系统的本质在于对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信的发展，光纤传感技术越来越多地应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国科技工作的重视。

目前国内外已有多种基于光纤的分布式振动传感技术和方法，但主要是基于相位OTDR(phase-Optical Time Domain Reflectometry)技术。相位OTDR方法实质是基于光雷达技术，通过监测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断干扰发生并定位，由于采用的输入光是1ns左右的窄光脉冲，因而该技术作为分布式振动传感方法空间分辨力较差，一般在米量级。

光频域反射技术(OFDR)原理实现的分布式物理量测量是一种可以高空间分辨力实现物理量分布式测量的一种技术手段，该技术可以实现不同种类传感光纤的分布式物理量测量。其通过相干探测可以以高动态范围地测量光纤内包括瑞利散射或者光栅反射信号，通过求取携带有光纤分布式物理量信息如应变或温度的瑞利散射或者若反射光纤光栅阵列反射信号的光谱的频移量来获得分布式的被测物理量信息。相较于相位OTDR，可以实现毫米级的空间分辨力。相关的较早的文献包括：

Distributed measurement of static strain in an optical fiber withmultiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths[J].Applied Optics,1998,37(10):1741-1746.

High-spatial-resolution distributed strain measurement in opticalfiber with Rayleigh scatter[J].Applied Optics,1998,37(10):1735-1740.

在光频域反射原理和系统上发展的分布式振动测量方法，包括文献Long-rangevibration sensor based on correlation analysis of optical frequency-domainreflectometry signals，High spatial resolution distributed fiber strain sensorbased on phase-OFDR，但是类似方案或者是通过复杂的算法或者是采用了额外的探测装置，不利于分布式振动测量的实时求解与设备的成本降低。

本发明将提出一种分布式振动测量方法，在不改变光频域反射原理的分布式测量系统的基础上获得传感光纤上不同区域上的振动信息。

发明内容

针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，本发明将提出一种分布式振动测量方法，基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

第一步、传感光纤在不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号；

第二步、所述传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，所述光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为振动态时域信号；

第三步、将参考态时域信号傅里叶变换到频域，得到参考态频域信号，将振动态时域信号傅里叶变换到频域，得到振动态频域信号；

第四步、频域信号的频率值和传感光纤空间位置存在一一对应的关系，选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置；以所述位置为中心选取该位置小区域，得到所述选定的振动测量位置的子集数据，也就是得到了所述选定的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据；

第五步、对所述的某一位置的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据分别做逆傅里叶变换，得到所述该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据；

第六步、求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差；第七步、对第六步所述的相位差做相位解卷并减去其线性拟合得到所述的该振动测量位置相位时域信号；

第八步、重复第五步到第七步，对第四步所有选定的振动测量位置计算代表该位置的相位时域信号，并按照所对应的所述的传感光纤的空间位置从小到大依次排序；

第九步、对所述第八步得到的所述相位时域信号做差分处理，相邻的相位时域信号相减，得到的差分相位结果对应所述传感光纤分布式振动时域信息。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：本发明的振动传感是建立在光频域反射系统上的，因此具有mm级的振动传感空间分辨力；同时通过在频域上选取振动传感点位置并将其变换到时域上并经过相位分析得到传感光纤的振动信息，具有高灵敏度的特点；同时由于是在时域上分析，理论上被测振动频率可以远大于光频域反射系统测量速度；本方法算法简单易于实现，无需增加额外硬件，降低了系统的成本，该振动传感可以作为光频域反射系统的一个功能模块集成到现有的成品系统上。

附图说明

图1为一种典型的光频域反射系统示意图；

图1中，11为可调谐激光器，12为第一光纤耦合器，13为第二光纤耦合器，4为第三光纤耦合器，14为延时光纤，15为第一法拉第旋转镜，16为第二法拉第旋转镜，17为第一光电探测器，10为第二光电探测器，5为环形器，19为采集单元，20计算机，25为测量干涉仪，30为光纤传感器，24为辅助干涉仪，7是第四光纤耦合器，29为光纤振动。

图2为选取的振动测量位置示意图；

图3为时域上差分相位信号展开后示意图

图4为计算得到的差分相位信号随时间变化示意图；

具体实施方式

本发明所面向的研究对象是光频域反射系统，一种典型的光频域反射系统示意图如图1所示，可调谐激光器11作为系统光源输出调谐激光(如1540nm到1545nm)，该激光进入到测量干涉仪25，其参考臂上的光为本振光和配置干涉仪在测量臂上的光纤传感器30反射或散射回来的光在第四光纤耦合器7上发生干涉，干涉光信号经第二光电探测器10光电转换后被采集单元19采集，采集数据传入计算机20后进行数据分析。光纤振动29作用在光纤传感器30上。此外，系统还可以包括辅助干涉仪24，由第二光纤耦合器13，延时光纤14，第一法拉第旋转镜15，第二法拉第旋转镜16和第一光电探测器17组成，用于校正光源输出激光调谐的非线性。可调谐激光器11可以实现一定范围激光波长的连续可调谐输出，可以外腔式调谐激光器，或者分布式反馈激光器，或者其他可实现该功能的激光器。

以下介绍一种基于该系统的具体的振动测量方法的步骤。

设置光源扫描范围为1540nm到1560nm，调谐速度为20nm/s，也就是完成一次调谐时间为1秒，在调谐启动时，激光器同步触发采集单元19开始采集，单次采集时间为波长一次完整调谐过程。第一步、光纤传感器30在不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号；

第二步、所述光纤传感器30在存在外界振动或扰动的状态下，所述光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为振动态时域信号；

第三步、将参考态时域信号傅里叶变换到频域，得到参考态频域信号，将振动态时域信号傅里叶变换到频域，得到振动态频域信号；

第四步、根据光频域反射系统原理，频域信号的频率值和光纤传感器30空间位置存在一一对应的关系，选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置，如图2为频域上的信号(和距离一一对应)，我们可以选取光纤传感器30上第0.2米，0.4米，0.6米，0.8米的位置，或者其他更多的振动测量位置，各个振动测量位置可以是等间距的，如0.2米。这些振动测量位置之间的区域作为各个振动感知区域。后续我们测量振动得到的结果就是这些确定的各个振动感知区域所发生的振动。以所述振动测量位置为中心选取该位置小区域，得到所述选定的振动测量位置的子集数据，用于选取子集数据可以以该振动测量位置为中心选取该位置小区域可以通过矩形窗函数选定数据。分别对参考态频域信号和振动态频域信号进行这一操作，得到了所述选定的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据；

第五步、对某一振动位置的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据分别做逆傅里叶又变换到时域上，得到所述该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据；

第六步、求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差，可以通过用参考态时域子集数据与振动态时域子集数据共轭的乘积的所得复数的相位。

第七步、对第六步所述的相位差做相位解卷并减去其线性拟合得到所述的该振动测量位置相位时域信号。相位解卷是将发生在±2π由于相位不连续导致的误差，经过相位解卷后得到如图3的结果。对相位解卷后信号做线性拟合，并从相位解卷结果中将其减去，为了更加平滑，这里做了插值操作，得到如图4所示结果，这一相位周期波动和对光纤传感器30的振动周期和调制幅度一致。为了获取各个振动区域的振动时域信号，进行如下操作：

第八步、重复第五步到第七步，对第四步所有选定的振动测量位置计算代表该位置的相位时域信号，并按照所对应的所述的光纤传感器30的空间位置从小到大依次排序；

第九步、对所述第八步得到的所述相位时域信号做差分处理，相邻的相位时域信号相减，得到的差分相位结果对应所述光纤传感器30分布式振动时域信息。差分相位结果直接对应用于计算该结果的所述相邻的振动测量位置之间的各个振动区域所发生的振动时域波形。

在获取了振动时域波形后，对该信号做频谱分析如求解傅里叶变换后的幅值谱以得到振动频率等信息。

光纤传感器30可以为普通通信单模光纤，或者为刻写有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者为瑞利散射做增强处理的光纤，如紫外光曝光处理等。选取的频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置可以为瑞利散射所在位置，也可以为光栅所在位置，也可以为光纤链路上的连接头。

本发明的振动传感是建立在光频域反射系统上的，因此具有mm级的振动传感空间分辨力。同时通过在频域上选取振动传感点位置并将其变换到时域上并经过相位分析得到光纤传感器30的振动信息，具有高灵敏度的特点；同时由于是在时域上分析，理论上被测振动频率可以远大于光频域反射系统测量速度，由图4可以看出解调的振动频域为120Hz，远高于系统单次测量周期1秒。本方法算法简单易于实现，无需增加额外硬件，降低了系统的成本，该振动传感可以作为光频域反射系统的一个功能模块集成到现有的成品系统上。

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式,而且本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

第一步、传感光纤在不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号；

第二步、所述传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，所述光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为振动态时域信号；

第三步、将参考态时域信号傅里叶变换到频域，得到参考态频域信号，将振动态时域信号傅里叶变换到频域，得到振动态频域信号；

第四步、频域信号的频率值和传感光纤空间位置存在一一对应的关系，选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置；以所述位置为中心选取该位置小区域，得到所述选定的振动测量位置的子集数据，也就是得到了所述选定的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据；

第五步、对所述的某一位置的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据分别做逆傅里叶变换，得到所述该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据；

第六步、求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差；

第七步、对第六步所述的相位差做相位解卷并减去其线性拟合得到所述的该振动测量位置相位时域信号；

第八步、重复第五步到第七步，对第四步所有选定的振动测量位置计算代表该位置的相位时域信号，并按照所对应的所述的传感光纤的空间位置从小到大依次排序；

第九步、对所述第八步得到的所述相位时域信号做差分处理，相邻的相位时域信号相减，得到的差分相位结果对应所述传感光纤分布式振动时域信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第四步所述以所述位置为中心选取该位置小区域可以通过矩形窗函数选定数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第四步所述选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置可以等长度间隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在得到所述传感光纤分布式振动时域信息后还可以对该信号做频谱分析以得到振动频率等信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述差分相位结果直接对应用于计算该结果的所述相邻的所述振动测量位置之间所发生的振动时域波形。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述传感光纤为配置于所述光频域反射系统主路干涉仪单元的测量臂上，可以为普通单模光纤，或者为刻写有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者为瑞利散射增强的光纤。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差，其方法可以为计算参考态时域子集数据与振动态时域子集数据共轭的乘积的所得复数的相位。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第四步所述选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置可以为瑞利散射所在位置，也可以为光栅所在位置，也可以为光纤链路上的连接头。

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