CN113639650A - 基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法 - Google Patents

基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法。本发明提供的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，通过计算每个相邻扫描周期内的相位差序列，并进行累加实现应变测量，在不会引入额外的噪声干扰同时，兼顾解决了相位解缠绕对最大相位变化值的限制问题，有效地增加了应变测量范围，实现高精度与高空间分辨率的应变测量。

Description

基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法。
背景技术
分布式光纤传感因具备体积小、耐腐蚀、不受电磁干扰等优点而受到广泛关注，并已应用于各种参数测量，包括应变、温度、振动等。其中，应变测量在土木工程建筑监测、3D形状传感等工业应用中至关重要，因此，其一直是光纤传感领域的研究热点。空间分辨率是应变测量的一个基本指标，目前可实现高空间分辨率应变测量的分布式光纤传感主要有基于布里渊散射的布里渊光时域分析(BOTDA)和基于瑞利散射的光频域反射计(OFDR)。
BOTDA技术依赖于应变与布里渊频移的线性关系，其基本原理是使用一束脉冲泵浦光、一束连续探测光，两束光的频率差在布里渊谱范围内，产生受激布里渊效应，两束光发生能量转移，当两者的频率差等于布里渊频移时能量转移最大。所以通过扫描两束光的频率差，并记录下每个频率差下光纤沿线能量转移大小，便可得到光纤沿线的布里渊频移分布，从而分析出应变信息。该技术可实现几千个微应变的大测量范围，但在厘米级空间分辨率下测量精度一般在十με级别，限制了它在高精度测量场景下的应用。
相较于BOTDA，OFDR技术具有更高的测量精度和灵敏度，是一种理想的应变测量技术。互相关法和相位法是OFDR进行应变测量的两种解调方法。其中，互相关法是将应变前后的采集数据分别作为参考信号和测量信号，对两组信号同时做傅里叶变换，得到频域信号，频域信号经过加窗、傅里叶逆变换获得光谱域信号，最后将二者光谱进行互相关得到光谱偏移量，光谱偏移量和应变成线性关系，便可实现应变传感。与互相关法不同，相位法是通过解调光波相位的变化来获得应变信息，首先提取参考信号和测量信号的相位，通过数学运算获得相位差，再通过解包裹恢复实际的相位差，当光纤某处受到应变影响时，这个位置的相位差就会出现突变，从而得到应变信息。和互相关法相比，使用相位法时不需要进行加窗处理，所以它的空间分辨率理论上可以达到系统空间分辨率的极限，更好地发挥了OFDR在空间分辨率上的优势。
然而，不论是互相关法还是相位法，都有测量范围的限制。使用互相关法时，若应变测量范围较大会造成参考光谱和测量光谱之间的相似性下降，无法准确计算光谱偏移量，导致应变测量出现误差。同样，使用相位法测量大应变时，相位变化会超过解包裹过程最大相位值的限制，造成测量不准。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，目的是为了解决现有的OFDR技术中，针对应变测量范围较大，互相关法会引起变测量出现误差，相位法引起测量不准的技术问题。
本发明提供的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，具体技术方案如下：
基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，包括如下步骤：
S1，可调谐激光光源产生等周期性扫描的激光注入到待测光纤中，采集待测光纤的OFDR时域信号；
S2，获取步骤S1中每个扫描周期的OFDR时域信号的真实相位Φi(z)，i为激光波长扫描次数，i＝1,2,…,n，z为光纤距离；
S3，将相邻扫描周期内获得的Φi(z)相减，得到未解包裹相位差ΔΦi(z)，即ΔΦi(z)＝Φi+1(z)-Φi(z)；
S4，将步骤S3中的未解包裹相位差ΔΦi(z)，依次进行解包裹操作得到真实相位差
Figure BDA0003205151720000021
S5，将步骤S4中所有的相位差
Figure BDA0003205151720000022
依次累加，得到
Figure BDA0003205151720000023
即
Figure BDA0003205151720000024
Figure BDA0003205151720000025
为整个应变加载过程对应的总相位差；
S6，对步骤S5中总相位差
Figure BDA0003205151720000026
进行差分运算，获得待测光纤的应变变化值。
在某些实施方式中，步骤S1中，所述OFDR时域信号为待测光纤产生的瑞利散射光信号与本振光混频后由采集设备获得。
在某些实施方式中，步骤S2中，将每个扫描周期中获得OFDR时域信号记录在光频域中，通过傅里叶变换将频域信号变换到空间域复信号，计算空间域复信号的相位角，再利用解包裹提取每个扫描周期测量信号的真实相位Φi(z)。
在某些实施方式中，步骤S3中，同一组相邻点位置的相位差在相邻两次扫描周期中的差值小于2π。
在某些实施方式中，步骤S6中，对总应变
Figure BDA0003205151720000027
进行差分运算，获得整个待测光纤上的差分相对相位，在应变位置会出现相位突变，通过突变进行定位，并且可换算获得应变大小。
本发明具有以下有益效果：本发明技术中的相位累加过程并不会导致噪声的累加，假设计算的相位中含有噪声项
Figure BDA0003205151720000028
那么每个扫描周期测量信号的相位为
Figure BDA0003205151720000029
相邻扫描周期内的相位相减再解包裹，得相位差序列如下：
Figure BDA00032051517200000210
Figure BDA00032051517200000211
……
Figure BDA00032051517200000212
对上述相位差序列进行累加，可以看到累加时中间过程的相位噪声项都互相抵消，最后只剩下
Figure BDA00032051517200000213
等同于第一个扫描周期和最后一个扫描周期相位相减，这和不使用累加法时参考信号和测量信号直接相减的操作是类似的，因此并不会引入额外的噪声。但是，在互相关法中无法使用累加法，因为噪声会包含在每一次的互相关峰位置中无法消除，再进行累加就会导致噪声逐渐增加，造成测量误差。
相比于现有技术中的相位法只利用应变前后两次测量信号计算相位差，本发明提供的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，通过计算每个相邻扫描周期内的相位差序列，并进行累加实现应变测量，在不会引入额外的噪声干扰同时，兼顾解决了相位解缠绕对最大相位变化值的限制问题，有效地增加了应变测量范围，实现高精度与高空间分辨率的应变测量。
附图说明
图1是本发明提供的基于上述提供的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法的流程图；
图2是实施例1中的光频域反射计结构示意图；
图3是实施例1中的相位距离曲线；
图4是实施例1中的相位时间曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1-4，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例中的光频域反射测量系统如图2所示，包括可调谐激光器1、第一耦合器2、辅助干涉仪3、第二耦合器4、环形器5、相干探测模块7和处理模块8。可调谐激光器1输出波长扫描的高相干连续波激光，激光器输出光偏振态为线偏振，具体激光器类型可以是DFB、DBR、VCSEL、ECDL等。激光经第一耦合器2分为两束。耦合器2分出的较弱一束激光发送至辅助干涉仪3形成外部时钟信号，辅助干涉仪3可以是迈克尔逊结构干涉仪或马赫曾德尔结构干涉仪。第一耦合器2输出的较强部分首先通过第二耦合器4再次分为两部分，其中较强一部分自环形器5的第一端口进入并从第二端口传入传感光纤6，传感光纤6中产生的背向瑞利散射光自环形器5的第二端口进入并从第三端口与第二耦合器4的较弱光束一起送入相干探测模块7。相干探测模块7的输出信号连接至数据采集和处理模块8从而获得OFDR时域信号。辅助干涉仪3的外时钟信号用于触发采集和处理模块8，以修正光源非线性。
本实施例提供的基于上述提供的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，具体技术方案如下：
基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，包括如下步骤：
S1，可调谐激光光源产生等周期性扫描的激光注入到待测光纤中，采集待测光纤的OFDR时域信号；
S2，将每个扫描周期中获得OFDR时域信号记录在光频域中，通过傅里叶变换将频域信号变换到空间域复信号，计算空间域复信号的相位角，再利用解包裹提取每个扫描周期OFDR时域信号的真实相位Φi(z)，i为激光波长扫描次数，i＝1,2,…,n，z为光纤距离；
S3，将相邻扫描周期内获得的Φi(z)相减，得到相位差ΔΦi(z)，即ΔΦi(z)＝Φi+1(z)-Φi(z)，同一组相邻点位置的相位差在相邻两次扫描周期中的差值小于2π；
S4，将步骤S3中的相位差θΦi(z)，依次进行解包裹操作得到真实相位差
Figure BDA0003205151720000041
这个展开相位(即真实相位差)代表两次相邻扫描周期之间的瞬时应变量；
S5，将步骤S4中所有的相位差
Figure BDA0003205151720000042
依次累加，得到
Figure BDA0003205151720000043
即
Figure BDA0003205151720000044
Figure BDA0003205151720000045
为整个应变加载过程对应的总相位差；
S6，对步骤S5中总相位差
Figure BDA0003205151720000046
进行差分运算，获得整个待测光纤上的差分相对相位，在应变位置会出现相位突变，通过突变进行定位，并且可换算获得应变大小，从而获得待测光纤的应变变化值。
当待测光纤6为19m，本实施例提供的OFDR距离分辨率约0.65cm，应变区域在16.6m处宽11.4cm的光纤段上，位移台每次拉伸传感光纤0.01mm，直至0.03mm。测量过程中OFDR系统共扫描4225次，扫描周期为50ms，这4225次扫描获得的时域信号记录在光频域中，通过傅里叶变换将频域信号变换到空间域复信号，计算空间域复信号的相位角，利用解包裹得到每个扫描周期测量信号的真实相位Φ1(z)、Φ2(z)、…Φ4225(z)，将相邻扫描周期内获得相位相减，即Φ2(z)-Φ1(z)、Φ3(z)-Φ2(z)、…、Φ4225(z)-Φ4224(z),再通过一次解包裹操作得到相邻扫描周期之间的真实相位差
Figure BDA0003205151720000047
对所有相位差进行累加，从而得到光纤从0拉伸至0.03mm过程中总的相位变化。图3给出了通过该方法计算得到的相位距离曲线，可以看到在16.6-16.714位置处出现相位突变(方框标注处)，说明应变加载在此区域。该应变位置被放大并展示于小图，可以看到相邻点之间的弧度差远远大于2π，证明利用本实施例提供的基于上述提供的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法可以突破相位解缠绕对最大相位变化值的限制，实现对大范围的应变测量。如图4所示，相位随时间变化的曲线，图中出现的阶梯型曲线对应了本实施例中的三次拉伸光纤加载应变的过程。
上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，可调谐激光光源产生等周期性扫描的激光注入到待测光纤中，采集待测光纤的OFDR时域信号；
S2，获取步骤S1中每个扫描周期的OFDR时域信号的真实相位Φi(z)，i为激光波长扫描次数，i＝1，2，…，n，z为光纤距离；
S3，将相邻扫描周期内获得的Φi(z)相减，得到未解包裹相位差ΔΦi(z)，即ΔΦi(z)＝Φi+1(z)-Φi(z)；
S4，将步骤S3中的未解包裹相位差ΔΦi(z)，依次进行解包裹操作得到真实相位差
Figure FDA0003205151710000011
S5，将步骤S4中所有的相位差
Figure FDA0003205151710000012
依次累加，得到
Figure FDA0003205151710000013
即
Figure FDA0003205151710000014
Figure FDA0003205151710000015
为整个应变加载过程对应的总相位差；
S6，对步骤S5中总相位差
Figure FDA0003205151710000016
进行差分运算，获得待测光纤的应变变化值。
2.根据权利要求1所述的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，其特征在于，步骤S1中，所述OFDR时域信号为待测光纤产生的瑞利散射光信号与本振光混频后由采集设备获得。
3.根据权利要求1所述的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，其特征在于，步骤S2中，将每个扫描周期中获得OFDR时域信号记录在光频域中，通过傅里叶变换将频域信号变换到空间域复信号，计算空间域复信号的相位角，再利用解包裹提取每个扫描周期OFDR时域信号的真实相位Φi(z)。
4.根据权利要求1所述的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，其特征在于，步骤S3中，同一组相邻点位置的相位差在相邻两次扫描周期中的差值小于2π。
5.根据权利要求1所述的基于相位累加测量法的光频域反射计式传感解调方法，其特征在于，步骤S6中，对总应变
Figure FDA0003205151710000017
进行差分运算，获得整个待测光纤上的差分相对相位，在应变位置会出现相位突变，通过突变进行定位，并且可换算获得应变大小。
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