CN111780856A - 基于瑞利散射谱的相位谱分析的光纤分布式振动测量方法 - Google Patents

基于瑞利散射谱的相位谱分析的光纤分布式振动测量方法 Download PDF

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    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Abstract

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，本发明的振动传感是建立在光频域反射系统上的，因此具有毫米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。

Description

基于瑞利散射谱的相位谱分析的光纤分布式振动测量方法
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 atnominally 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，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。
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，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。
本发明提出的基于瑞利散射谱的相位谱分析的光纤分布式振动测量方法，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，光频域反射系统单次采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号R；
第二步、传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统连续采集原始测量光路干涉信号，按时间顺序依次记录为振动态时域信号Si,i为1,2,3，…N，N为测量次数；
第三步、将参考态时域信号R傅里叶变换到频域,得到参考态频域信号；将所述连续采集的各个时刻的振动态时域信号Si分别傅里叶变换到频域，得到所述各个时刻对应的振动态频域信号Ki，其中i为1,2,3，…N，N为单次测量次数；
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点作为选定的振动测量位置；
第五步、求解所述参考态频域信号的相位谱，分别求解各个时刻下所述振动态频域信号的相位谱；
第六步、对所述各个时刻下的所述振动态频域信号的相位谱和所述参考态频域信号的相位谱分别作差得到各个时刻下的频域上的差分相位谱；
第七步、对所述的各个时刻下的差分相位谱分别做相位解卷得到各个时刻下的解卷相位信号；
第八步、分别求解所述的各个时刻下的解卷相位信号的所述的选定的相邻振动测量位置所对应的相位差，该相位差代表所述各个时刻下的所述的选定的相邻振动测量位置之间的振动信息。
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；同时通过分析相位谱信息得到传感光纤的振动信息，具有高灵敏度的特点；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为频域上差分相位信号示意图；
图4为频域上差分相位信号解卷示意图
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1545nm，调谐速度为200nm/s，也就是完成一次调谐时间为0.025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，在光纤传感器30不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统单次采集原始测量干涉仪输出的干涉信号，记录为参考态时域信号R；
第二步、传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统连续采集测量干涉仪输出的干涉信号，按照上述调谐时间，若不考虑波长回程时间，则每秒完成40次采集次数，按时间顺序依次记录为振动态时域信号Si,i为1,2,3，…N，N为采集次数；
第三步、将参考态时域信号R傅里叶变换到频域,得到参考态频域信号；将所述连续采集的各个时刻的振动态时域信号Si分别傅里叶变换到频域，得到所述各个时刻对应的振动态频域信号Ki，其中i为1,2,3，…N，N为单次采集次数；
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。考虑到光频域反射系统的空间分辨力，各个振动测量位置的间距可以进一步减小，如几个毫米。每一个振动测量位置对应频域上的一个点。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。
第五步、求解所述参考态频域信号的相位谱，分别求解各个时刻下所述振动态频域信号的相位谱，相位谱可以通过计算对应频域信号的实部虚部比值的反正切得到。
第六步、对所述各个时刻下的所述振动态频域信号的相位谱和所述参考态频域信号的相位谱分别作差得到各个时刻下的频域上的差分相位谱，如图3。
第七步、对所述的各个时刻下的差分相位谱分别做相位解卷得到各个时刻下的解卷相位信号，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4的结果。图4为某一时刻下频域上的差分相位谱，横坐标为频域上和位置对应的坐标，从0到12000对应光纤上起始位置到1米的长度，纵坐标为从起始位置到该位置光纤上发生的相位变化量。
第八步、分别求解各个时刻下的解卷相位信号的选定的相邻振动测量位置所对应的相位差，这一相位差也就是差分相位谱后一个振动测量位置的相位值与其前一个振动测量位置的相位值的差值，该相位差代表各个时刻下的选定的相邻振动测量位置之间的振动信息，相位差受到选定的相邻振动测量位置之间的振动区域发生的振动的调制。
本方案中每秒采集次数40次，根据奈奎斯特采样定理，其可以测量的最大振动频率应为20Hz。可以增加激光器的调谐速度进一步提高测量频率。
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。
可以看出，本发明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。

Claims (7)

1.基于瑞利散射谱的相位谱分析的光纤分布式振动测量方法，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，光频域反射系统单次采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号R；
第二步、传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统连续采集原始测量光路干涉信号，按时间顺序依次记录为振动态时域信号Si,i为1,2,3，…N，N为采集次数；
第三步、将参考态时域信号R傅里叶变换到频域,得到参考态频域信号；将所述连续采集的各个时刻的振动态时域信号Si分别傅里叶变换到频域，得到所述各个时刻对应的振动态频域信号Ki，其中i为1,2,3，…N，N为单次采集次数；
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点作为选定的振动测量位置；
第五步、求解所述参考态频域信号的相位谱，分别求解各个时刻下所述振动态频域信号的相位谱；
第六步、对所述各个时刻下的所述振动态频域信号的相位谱和所述参考态频域信号的相位谱分别作差得到各个时刻下的频域上的差分相位谱；
第七步、对所述的各个时刻下的差分相位谱分别做相位解卷得到各个时刻下的解卷相位信号；
第八步、分别求解所述的各个时刻下的解卷相位信号的所述的选定的相邻振动测量位置所对应的相位差，该相位差代表所述各个时刻下的所述的选定的相邻振动测量位置之间的振动信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述连续采集由多个时序上连续的单次采集组成，所述单次采集为所述光频域反射系统完成一次测量，所述测量次数为连续采集总共发生的单次采集次数，所述单次采集时间间隔为定值，所述各个时刻为具有相等时间间隔的各个采集所对应的时刻。
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点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：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。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述选定的振动测量位置可以为所述传感光纤上的光纤连接头所在位置，也可以为所述传感光纤上的所述的弱反射光纤光栅所在位置，也可以为瑞利散射位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述求解所述参考态频域信号的相位谱可以通过计算参考态频域信号的实部虚部比值的反正切得到。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第八步所述相位差受到所述的选定的相邻振动测量位置之间的振动调制。
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