CN113218320B - 一种基于距离域补偿的ofdr大应变测量方法 - Google Patents

一种基于距离域补偿的ofdr大应变测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于距离域补偿的OFDR大应变测量方法，通过求出的光谱偏移量计算出该位置光纤所受应变大小，从而根据应变计算出该位置光纤形变量Δxi，并对第一份局部测量信号在距离域上进行递归补偿，即xi+1＝xi+Δxi；依次对测量信号进行递归的距离域补偿，从而提高测量信号与参考信号的相关性，提高应变测量的准确性；其优点在于，本发明所提出的基于距离域补偿的OFDR传感系统可以提高测试信号和参考信号的相关性，从而极大提高系统的应变测量范围，实现OFDR系统的大应变测量。

Description

一种基于距离域补偿的OFDR大应变测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于距离域补偿的OFDR(光频域反射)系统，应用于应变测量领域，提高了系统的应变测量范围，属于光纤传感探测的技术领域。
背景技术
分布式光纤传感技术因其具有抗电磁干扰能力强、结构相对简单、定位精度高和传感距离大等优势，而在近几十年中受到人们的广泛关注。分布式光纤传感中光纤作为传感介质的同时也是测量的传输介质，利用光纤中光波的传输特性，包括拉曼散射、瑞利散射和布里渊散射，实现了沿光纤长度方向对外界环境进行分布式的实时监控。该技术因其独特的优势正在被逐渐应用在越来越多的领域，例如检测大桥安全，土木工程的检测，隧道等地下的火灾警报，勘测地质等，在社会建设中发挥着重要的影响。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，可以连续测量沿光纤距离上的应变、振动、温度等外界的物理量变化，通过对待测光纤的替换，如使用对湿度敏感的聚酰亚胺光纤，也可以实现对湿度等物理量的测量。同时，OFDR系统能够实现高空间分辨率的测量，因此在航天航空等高精度监测领域也受到了关注。
OFDR原理为：可调谐激光光源发出的线性扫频光经过耦合器分为两束，一束经过环形器进入待测光纤，待测光纤的后向瑞利散射光返回形成信号光，与耦合器的另一束参考光发生拍频干涉。对拍频信号采集并进行快速傅里叶变换处理，就可以得到沿传感光纤构建的距离域信息。在OFDR系统测量中，需要采集一次没有外界影响的参考信号和光纤受到影响的测试信号，通过对测试信号与参考信号相同位置的部分进行提取，并进行互相关计算。通过互相关的波峰偏移得到外界信息的变化。然而，当测量应变较大时，参考信号与测试信号在距离域上会发生偏差，其相关性会极大降低，从而使互相关结果产生多峰和假峰，得不到正确的结果。一般当应变大于3000微应变时，普通的系统就已经无法得出正确的应变测量结果。因此，如何有效提高OFDR系统的应变测量范围是一个十分重要的研究方向。
发明内容
本发明提供一种可以适用应变大于3000微应变的基于距离域补偿的OFDR(光频域反射)系统的大应变测量方法，其技术方案为，
一种基于距离域补偿的OFDR大应变测量方法，包括以下步骤，
S1.分别采集两次信号，一次为不包含应变信息的信号，作为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，作为测试信号；
S2.将参考信号和测试信号通过快速傅里叶变化映射到距离域上，按比例缩放到光纤长度，选择数据的起始位置x0,并取窗口大小为C，得到第一份局部距离域信息,其中窗口大小决定了系统测量的空间分辨率大小；
S3.将第一份参考信号和测量信号的局部距离域信息进行逆傅里叶变化得到各自的局部谱信息；
S4.对步骤S3得到的快速逆傅里叶变换后的参考信号和测量信号各自的局部谱信息通过互相关计算得到其光谱偏移量，在传感光纤受到外界影响的位置其互相关的互相关波峰会发生偏移；
S5.通过求出的光谱偏移量计算出该位置光纤所受应变大小，从而根据应变计算出该位置光纤形变量Δxi，并对第一份局部测量信号在距离域上进行递归补偿，即xi+1＝xi+Δxi；
S6.重复步骤S3-S5，依次对测量信号进行递归的距离域补偿，从而提高测量信号与参考信号的相关性，提高应变测量的准确性；
S7.最终通过递归补偿后的互相关计算结果得到沿光纤位置变化的应变测量信息，最终实现分布式的应变测量。
优选的，根据光纤该位置应变计算出该位置由应变引起的位置偏差，即该位置光纤形变量Δxi，用此位置偏差进行一个递归补偿，从而消除应变带来偏差，Δxi计算如下，
Figure GDA0003403362200000021
其中Δxi为该位置光纤形变量，Sshift为该位置由应变导致的光谱偏移量，lμε为应变与形变量对应的转换系数，lsr代表了测量的空间分辨率。
有益效果
1)本发明所提出的基于距离域补偿的OFDR传感系统可以提高测试信号和参考信号的相关性，从而极大提高系统的应变测量范围，实现OFDR系统的大应变测量。
2)本发明所提出的基于距离域补偿的OFDR传感系统不仅可以提高应变测量范围，还可以同时提高测量的空间分辨率，从而实现了高空间分辨率下的大应变测量。
附图说明
图1是光纤在受应变拉伸时引起的位置偏移，从而导致原本的相同位置处参考谱和测量谱互相关的相关性变差。
图2是基于位置补偿的应变测量处理流程。
图3是OFDR系统原理图。
其中1-可调谐激光器；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-平衡探测器；11-采集卡；12-传感光纤；13-菲尼尔环。
图4为传感光纤10.1-10.7m处受10000με未使用此方法的结果图，空间分辨率为2mm。
图5为传感光纤10.1-10.7m处受10000με使用此方法的结果图，空间分辨率为2mm。
具体实施方式
下面结合附图1-5和具体实施例对技术进行进一步说明，以便于理解本发明的内容。
1.一种基于距离域补偿的OFDR大应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1.分别采集两次信号，一次为不包含应变信息的信号，作为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，作为测试信号；
S2.将参考信号和测试信号通过快速傅里叶变化映射到距离域上，按比例缩放到光纤长度，选择数据的起始位置x0,并取窗口大小为C，得到第一份局部距离域信息,其中窗口大小决定了系统测量的空间分辨率大小；
S3.将第一份参考信号和测量信号的局部距离域信息进行逆傅里叶变化得到各自的局部谱信息；
S4.对步骤S3得到的快速逆傅里叶变换后的参考信号和测量信号各自的局部谱信息通过互相关计算得到其光谱偏移量，在传感光纤受到外界影响的位置其互相关的互相关波峰会发生偏移；
S5.通过求出的光谱偏移量计算出该位置光纤所受应变大小，从而根据应变计算出该位置光纤形变量Δxi，并对第一份局部的测量信号在距离域上进行递归补偿，即xi+1＝xi+Δxi；
S6.重复步骤S3-S5，依次对测量信号进行递归的距离域补偿，从而提高测量信号与参考信号的相关性，提高应变测量的准确性；
S7.最终通过递归补偿后的互相关计算结果得到沿光纤位置变化的应变测量信息，最终实现分布式的应变测量。
光纤在受应变拉伸时会引起形变，从图1可以看出，在光纤应变的施加区域(3-6)，本来一一对应的参考状态和测量状态的局部距离域会产生一个偏移，而且随着偏移的积累这个误差会越来越大，从而导致参考状态和测量状态的局部距离域的互相关相关性变差。为了补偿这个偏移，我们可以根据光纤该位置应变计算出该位置由应变引起的位置偏差，用此位置偏差(即该位置光纤形变量Δxi)进行一个递归补偿，从而消除应变带来偏差的。位置偏差表示为:
Figure GDA0003403362200000041
其中Δxi为该位置光纤形变量，Sshift为该位置由应变导致的光谱偏移量，lμε为应变与形变量对应的转换系数，lsr代表了测量的空间分辨率。
图3，一种基于距离域补偿的OFDR传感系统，包括：可调谐激光器1发出的线性扫频光，输出经过耦合器一2(10/90光耦合器)分成两份，一份为10％入射到一个由延迟光纤组成的非平衡的马赫-曾德干涉仪5，作为辅助干涉仪为采集卡提供一个触发信号，其余部分的光进入耦合器二3；之后经过耦合器二3(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，99％通过环形器4和偏振控制器二7进入到传感光纤12探测，传感光纤12末端打一个菲尼尔环13以抑制菲尼尔反射。探测光纤的瑞利散射信号经过环形器4返回并与1％的光输出从耦合器三8(50/50光耦合器)相结合得到的干涉信号，通过偏振分束器分解成“p”和“s”分量；最后“p”和“s”光由采集卡采集，得到我们需要的信号。
图4为传感光纤10.1-10.7m处受10000με使用传统方法的结果图，其空间分辨率为2mm。可以看到由于大应变所带来的位置偏移在光纤长度上的积累，使测量信号与参考信号同一位置的相关性越来越差，最后会得到完全错误的结果。
图5为传感光纤10.1-10.7m处受10000με使用此方法的结果图，空间分辨率为2mm。由于我们对大应变带来的位置偏差进行了递归的补偿，这极大的改善了我们的测量结果，达到了10000με的应变测量范围。
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)

1.一种基于距离域补偿的OFDR大应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1.分别采集两次信号，一次为不包含应变信息的信号，作为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，作为测试信号；
S2.将参考信号和测试信号通过快速傅里叶变化映射到距离域上，按比例缩放到光纤长度，选择数据的起始位置x0,并取窗口大小为C，得到第一份局部距离域信息,其中窗口大小决定了系统测量的空间分辨率大小；
S3.将第一份参考信号和测量信号的局部距离域信息进行逆傅里叶变化得到各自的局部谱信息；
S4.对步骤S3得到的快速逆傅里叶变换后的参考信号和测量信号各自的局部谱信息通过互相关计算得到其光谱偏移量，在传感光纤受到外界影响的位置其互相关的互相关波峰会发生偏移；
S5.通过求出的光谱偏移量计算出该位置光纤所受应变大小，从而根据应变计算出该位置光纤形变量Δxi，并对第一份的局部测量信号在距离域上进行递归补偿，即xi+1＝xi+Δxi；
S6.重复步骤S3-S5，依次对测量信号进行递归的距离域补偿，从而提高测量信号与参考信号的相关性，提高应变测量的准确性；
S7.最终通过递归补偿后的互相关计算结果得到沿光纤位置变化的应变测量信息，最终实现分布式的应变测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于距离域补偿的OFDR大应变测量方法，其特征在于，根据光纤该位置应变计算出该位置由应变引起的位置偏差，即该位置光纤形变量Δxi，用此位置偏差进行一个递归补偿，从而消除应变带来偏差，Δxi计算如下，
Figure FDA0003403362190000011
其中Δxi为该位置光纤形变量，Sshift为该位置由应变导致的光谱偏移量，lμε为应变与形变量对应的转换系数，lsr代表了测量的空间分辨率。
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