CN114838745A - 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统 - Google Patents

一种单数据通道多光路并行传感方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114838745A
CN114838745A CN202210554559.3A CN202210554559A CN114838745A CN 114838745 A CN114838745 A CN 114838745A CN 202210554559 A CN202210554559 A CN 202210554559A CN 114838745 A CN114838745 A CN 114838745A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensing
optical fiber
rayleigh scattering
signal
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210554559.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114838745B (zh
Inventor
吕拓
魏汝明
周大鹏
彭伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202210554559.3A priority Critical patent/CN114838745B/zh
Publication of CN114838745A publication Critical patent/CN114838745A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114838745B publication Critical patent/CN114838745B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/35374—Particular layout of the fiber
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

本发明提供一单数据通道多光路并行传感方法及系统，属于及光纤传感技术领域，单数据通道多光路并行传感方法包括：测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号；通过单个数据通道测量传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号；分别对目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量；根据各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。利用普通单模光纤即可完成分布式传感任务，且无需多通道开关或多路数据通道，降低了并行光纤传感网络的复杂度和成本。

Description

一种单数据通道多光路并行传感方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种单数据通道多光路并行传感方法及系统。
背景技术
光纤传感技术利用外界因素对光纤中光波光学特性的影响，实现环境参量的测量分析，分布式光纤传感技术作为光纤传感的一个重要分支，特别适合于分布式以及多点式网络化应用，能够完成传统传感技术难以完成的任务，主要利用探测光纤中背向散射信号，通过计量其光学表征参数变化得到外界因素的变化信息，可测量物理量包括应变、温度、压力、振动频率等。
分布式光纤传感技术很多时候需要同时监测多路光纤以增加传感光纤对被测物体的覆盖范围，近年来利用OFDR(Optical frequency-domain reflectometry。光频域反射)技术，通过测量附着在被测物体上的多根光纤的应变分布或多芯光纤每根纤芯的应变分布，形状传感逐渐得到了广泛的应用，现有的大多数多光纤/纤芯传感方法和技术都需要多个平行数据采集及处理通道成本高昂，或者使用光开关对各个传感光纤非同时逐次测量，但其中对不同光纤之间测量的时间差会不可避免地对测量结果带来影响。
基于上述问题，亟需一种新的测量方法以保证测量精度的同时降低成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种单数据通道多光路并行传感方法，可保证测量精度的同时降低传感成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种单数据通道多光路并行传感方法，包括：
测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号；所述参考瑞利散射信号为各传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号；所述光纤传感网络中包括多根传感光纤；
通过单个数据通道测量所述传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号；所述目标瑞利散射信号中包括各传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号；
分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量；
根据各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。
可选地，所述测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号，具体包括：
针对任一传感光纤，将频率线性调谐的激光入射至所述传感光纤中，探测不同频率变化下的背向瑞利散射信号，得到背向瑞利散射的频域信号；
对所述频域信号进行快速傅里叶变换，得到背向瑞利散射的时域信号；
根据光在光纤中传播的群速度，将所述时域信号换算到距离域，得到所述传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号。
可选地，采用以下公式，确定第i根光纤的背向瑞利散射的频域信号：
Figure BDA0003651869070000021
其中，Ei(ω)为第i根光纤的背向瑞利散射的频域信号，ω为激光频率，E0为入射电场，L为传感光纤的长度，z为空间距离，κi(z)为第i根光纤随空间距离分布的连续的散射截面，k(ω)为色散关系，j为虚数单位。
可选地，采用以下公式，确定第i根传感光纤的背向瑞利散射的时域信号：
Figure BDA0003651869070000022
其中，
Figure BDA0003651869070000023
为第i根传感光纤的背向瑞利散射的时域信号，E0为入射电场，c为真空中的光速，ng为群折射率，t为时间，j为虚数单位。
可选地，采用以下公式，确定第i根传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号：
Figure BDA0003651869070000031
其中，
Figure BDA0003651869070000032
为第i根传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号，N为不同频率下的频域信号的总数，Ii,n为采集到的离散的随频率变化的强度阵列，j为虚数单位，m为离散瑞利散射信号中的点。
可选地，采用以下公式，确定目标瑞利散射信号：
Figure BDA0003651869070000033
其中，
Figure BDA0003651869070000034
为目标瑞利散射信号，
Figure BDA0003651869070000035
为第i根传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号。
可选地，所述环境参量为应变变化或温度变化。
可选地，所述分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，具体包括：
针对任一传感光纤，根据单位长度，将所述传感光纤网络的目标瑞利散射信号分为多个目标散射信号；
根据单位长度，将所述传感光纤的参考瑞利散射信号分为多个参考散射信号；所述目标散射信号的数量与所述参考散射信号的数量相同；
针对任一目标散射信号，分别对所述目标散射信号及对应空间位置的参考散射信号进行快速傅里叶逆变换，得到目标局部光谱及参考局部光谱；
对所述目标局部光谱与所述参考局部光谱进行互相关计算，得到峰值偏移量；
根据所述峰值偏移量，确定对应空间位置处局部光谱的频谱偏移量。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种单数据通道多光路并行传感系统，包括：计算机、光频域反射仪及光纤传感网络；
所述光纤传感网络中包括多根传感光纤；
所述计算机用于产生控制信号；
所述光频域反射仪与所述计算机连接，所述光频域反射仪用于根据所述控制信号，测量所述光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号，以及通过单个数据通道测量所述传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号，并将所述目标瑞利散射信号及各传感光纤的参考瑞利散射信号发送至所述计算机；所述目标瑞利散射信号中包括各传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号；
所述计算机还用于分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，并根据各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。
可选地，所述单数据通道多光路并行传感系统还包括：
并行光纤传感网络，通过第一光耦合器与所述光频域反射仪连接，且所述并行光纤传感网络与所述光纤传感网络的空间位置不同。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号，再通过单个数据通道测量传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号，对目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，进而确定各空间位置处的环境参量的变化情况，传感光纤利用普通单模光纤即可完成分布式传感任务，并且不需要多通道开关或者多路数据通道，能够最大限度地降低并行光纤传感系统的复杂度和成本，且能够在沿光纤的空间长度上连续地进行传感，传感精度仍可保持于毫米量级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为单数据通道多光路并行传感方法的流程图；
图2为单数据通道多光路并行传感系统的结构示意图；
图3为单数据通道多光路并行传感系统的另一结构示意图。
符号说明：
计算机-1，光频域反射仪-2，第一光耦合器-3，光纤传感网络-4，传感光纤-41，并行光纤传感模块-5，第二光耦合器-6，第二光纤传感网络-7，多芯传感光纤-8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种单数据通道多光路并行传感方法及系统，采用单数据通道对多路光纤/纤芯的瑞利散射信号进行复用采集和解调，无需多通道开关或者多路数据通道，降低现有系统的复杂度和成本，能够在同一空间位置处区分每一根光纤的传感信息，最大限度地保留单根光纤所能传感的空间范围，且能够在沿光纤的空间长度上连续地进行传感，传感精度仍可保持于毫米量级。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
瑞利散射是由于光纤纤芯的不均匀性引起的，这种不均匀性是在光纤生产制造过程中形成的，并且无法避免。由于此不均匀性形成的过程具有随机性，导致每一根光纤/纤芯都有其特定的唯一的不均匀分布特征。因此光在光纤中传播发生瑞利散射后，通过测量光纤沿线各个位置散射光的振幅和相位信息，能够解调出每一根光纤/纤芯的唯一特征分布。这种特征可以在多路复用的散射信息中分辨出其中包含的任何一条光纤的特征信息，进而完成对多路光纤或者多根纤芯的同时完全分布式传感，空间分辨率达到毫米量级，为形变传感等多光纤/纤芯传感应用场景提供低成本的方法。
OFDR通过测量光纤中空间分布的散射特征实现对外界环境参量的感知与标定。其中基于瑞利散射的OFDR系统通过将频率线性调谐的激光入射到光纤中，同时测量其背向瑞利散射的频域信号，此频域信号经过FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)后可以得到散射光信号的时域迹线，由于光在光纤中群速度已知，便可以换算得到光纤沿线各个位置的瑞利散射信号。由于每一根光纤的瑞利散射信号分布为其“唯一”的特征参量，因此通过对比外界环境参量变化前后瑞利散射信号的改变即可标定外界环境参量的变化。外界环境参量(例如应力、温度)变化会导致瑞利散射光的局部光谱发生偏移，因此通过对比环境变化前后沿光纤各部位的局部光谱偏移量，即对同一空间部位的局部光谱进行互相关计算，即可完成对外界环境参量发生变化的光纤部位进行定位和测量。
如图1所示，本发明单数据通道多光路并行传感方法包括：
S1：测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号。所述参考瑞利散射信号为各传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号。所述光纤传感网络中包括多根传感光纤。作为另一种实施方式，光纤传感网络为多芯传感光纤。
具体地，通过计算机控制OFDR分别单独测量每一根传感光纤或纤芯在无环境参量变化情况下的瑞利散射信号随距离的分布，此信号为每一根光纤/纤芯“唯一”且“恒定”的参考特征。
S2：通过单个数据通道测量所述传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号。所述目标瑞利散射信号中包括各传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号。
S3：分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量。
S4：根据各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。在本实施例中，所述环境参量为应变变化或温度变化。
本发明将多路传感光纤/纤芯通过光耦合器耦合为一路，并利用OFDR对整个传感光纤网络进行单次、单数据通道采集和解调计算，即可同时完成对多根传感光纤/纤芯的分布式传感，能够极大的降低对多光纤/纤芯传感网络探测和解调成本，并且传感精度可达毫米量级，能够完成高精度分布式传感任务。
进一步地，步骤S1具体包括：
S11：针对任一传感光纤，将频率线性调谐的激光入射至所述传感光纤中，探测不同频率变化下的背向瑞利散射信号，得到背向瑞利散射的频域信号。在本实施例中，通过计算机控制OFDR将频率线性调谐的激光入射到传感光纤或纤芯中，同时触发探测器探测到在不同频率变化下的背向瑞利散射信号。
具体地，采用以下公式，确定第i根光纤的背向瑞利散射的频域信号：
Figure BDA0003651869070000071
其中，Ei(ω)为第i根光纤的背向瑞利散射的频域信号，ω为激光频率，E0为入射电场，L为传感光纤的长度，z为空间距离，κi(z)为第i根光纤随空间距离分布的连续的散射截面，k(ω)为色散关系，j为虚数单位。由于散射光非常弱对入射电场的影响可以忽略，因此本实施例假定入射电场E0不变。
在本实施例中，色散关系为线性的：
Figure BDA0003651869070000072
其中，ng为群折射率，c为真空中的光速，γ为另一个代表色散的常量。
S12：对所述频域信号进行快速傅里叶变换，得到背向瑞利散射的时域信号。
具体地，采用以下公式，确定第i根传感光纤的背向瑞利散射的时域信号：
Figure BDA0003651869070000073
其中，
Figure BDA0003651869070000074
为第i根传感光纤的背向瑞利散射的时域信号，E0为入射电场，c为真空中的光速，ng为群折射率，t为时间，j为虚数单位。
S13：根据光在光纤中传播的群速度，将所述时域信号换算到距离域，得到所述传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号。
具体地，根据光在光纤中传播的群速度为
Figure BDA0003651869070000081
即可将时域信号换算到距离域z＝vgt。
在实际采用OFDR进行测量时，通过相干检测测量光强，保留了背向瑞利散射的频域信号Ei(ω)的振幅和相位信息。数据的采集和处理都是离散的，因此对于采集到的离散的随频率变化的强度阵列的离散傅里叶变换为：
具体地，采用以下公式，确定第i根传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号：
Figure BDA0003651869070000082
其中，
Figure BDA0003651869070000083
为第i根传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号，N为不同频率下的频域信号的总数，n为在范围0≤n<N的整数，Ii,n为采集到的离散的随频率变化的强度阵列，Ii(nΔω)＝Ii,n，Δω为样本之间的频率差，j为虚数单位，m为离散瑞利散射信号中的点。离散瑞利散射信号
Figure BDA0003651869070000084
的总点数为M＝(1/2)N。m为在范围0≤m<M的整数。
每两点(
Figure BDA0003651869070000085
和
Figure BDA0003651869070000086
)间的空间距离为:
Figure BDA0003651869070000087
其中，λ为扫描激光的中心波长，Δλ为激光扫描的波长范围。
通过单独对每一根传感光纤或纤芯分别进行测量，即将上述步骤重复i次，即可以测得不同传感光纤或纤芯随距离变化的离散的参考瑞利散射信号分别为
Figure BDA0003651869070000088
更进一步地，步骤S2中，通过计算机控制OFDR对整个处于外界环境参量变化情况下的光纤传感网络进行单次探测，具体测量方式与步骤S1的测量方式相同，在此不再赘述。
整个传感光纤网络的背向瑞利散射信号包括每一根传感光纤或纤芯的传感信号，即：
Figure BDA0003651869070000091
其中，E'(ω)为瑞利散射信号，E0为入射电场，L为传感光纤的长度，z为空间距离，κi(z)为第i根光纤随空间距离分布的连续的散射截面，j为虚数单位，k(ω)为色散关系。
因此经换算得到整个光纤传感网络的随空间距离分布的离散的目标瑞利散射信号：
Figure BDA0003651869070000092
其中，
Figure BDA0003651869070000093
为目标瑞利散射信号，
Figure BDA0003651869070000094
为第i根传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号。
步骤S3具体包括：
S31：针对任一传感光纤，根据单位长度，将所述传感光纤网络的目标瑞利散射信号分为多个目标散射信号。
S32：根据单位长度，将所述传感光纤的参考瑞利散射信号分为多个参考散射信号；所述目标散射信号的数量与所述参考散射信号的数量相同。
S33：针对任一目标散射信号，分别对所述目标散射信号及对应空间位置的参考散射信号进行快速傅里叶逆变换，得到目标局部光谱及参考局部光谱。
S34：对所述目标局部光谱与所述参考局部光谱进行互相关计算，得到峰值偏移量。
S35：根据所述峰值偏移量，确定对应空间位置处局部光谱的频谱偏移量。
具体地，以第一根传感光纤为例，将距离域的目标瑞利散射信号
Figure BDA0003651869070000095
和第1根传感光纤随空间距离分布的参考瑞利散射信号
Figure BDA0003651869070000096
的数据各取一部分子集，以沿光纤长度分布的第一个子集为例，即当m＝[0,1,...,Δm]时，对应的数据子集为
Figure BDA0003651869070000097
和
Figure BDA0003651869070000098
此数据子集总数为Δm+1，对应的光纤长度为ΔL＝Δm×Lres，Lres为离散瑞利散射信号的空间步长，对应在光纤上的空间位置为0～ΔL并记为L1,将两个子集分别进行快速傅里叶逆变换得到这段光纤参考和传感信号的局部光谱：
Figure BDA0003651869070000101
和
Figure BDA0003651869070000102
之后采用以下公式，对参考局部光谱和目标局部光谱进行互相关计算：
Figure BDA0003651869070000103
由于传感信号的局部光谱实际上包括了所有光纤/纤芯在此空间位置上的局部光谱，即：
Figure BDA0003651869070000104
因此在传感信号中包含的第一根光纤/纤芯在此位置的局部光谱会与第一根光纤的参考局部光谱展现出相关性。若在此空间位置处光纤/纤芯的环境参量发生变化，例如应变变化Δε或温度变化ΔT，则此处的局部光谱会发生漂移，且频谱偏移量与应力或者温度变化呈线性对应关系。因此据互相关计算的峰值偏移量得到此空间位置处局部光谱的频谱偏移量，并且根据频谱偏移量与外界环境参量变化的线性对应关系即可求解出此段光纤/纤芯外界环境参量变化的具体值如Δε和ΔT。
以上求解步骤为整根光纤/纤芯中长为ΔL的一小段的信息解调方法，将此步骤重复多次，即沿光纤/纤芯每单位长度ΔL分别进行如上的取子集、IFFT(InverseFastFourierTransform，快速傅里叶逆变换)和互相关计算，计算L/ΔL次，其中L为光纤/纤芯总长度，将L/ΔL个计算结果相连，即可求解出整条光纤/纤芯传感前后所处空间位置环境参量的变化情况，其空间分辨率为ΔL。
将以上步骤重复i次，即可分别求出i根传感光纤或纤芯的传感信息。
本发明采用单路数据通道同时实现对多路传感光纤或多芯光纤中多根传感纤芯瑞利散射信号的同时测量和解调。OFDR发出的激光经过耦合器分别进入多路传感光纤或者多芯光纤的多根纤芯，同时各路传感光纤/纤芯的瑞利散射信号也经过同一耦合器耦合为一路目标瑞利散射信号返回到OFDR的单路数据通道中。将包含所有通道的目标瑞利散射信号与预先已知的每一路传感光纤/纤芯的散射特征分别进行分布式互相关运算，可以解调出每一路光纤/纤芯的变化情况。相较于现有的并行传感系统的每一通道的单独测量，大幅度地缩减了硬件和解调系统成本，并且传感精度达到毫米量级，为当前的并行传感网络或形变传感的信号监测及解调提供了一种更低成本的方法。
如图2所示，本发明单数据通道多光路并行传感系统包括：计算机1、光频域反射仪2及光纤传感网络4。具体地，光频域反射仪2为单通道OFDR系统。
其中，所述光纤传感网络4中包括多根传感光纤41。
所述计算机1用于产生控制信号。
所述光频域反射仪与所述计算机1连接，所述光频域反射仪用于根据所述控制信号，测量所述光纤传感网络4中每根传感光纤41在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号，以及通过单个数据通道测量所述传感光纤网络4在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号，并将所述目标瑞利散射信号及各传感光纤41的参考瑞利散射信号发送至所述计算机1；所述目标瑞利散射信号中包括各传感光纤41随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号。
所述计算机1还用于分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤41的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤41在各空间位置处的频谱偏移量，并根据各传感光纤41在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。
进一步地，本发明单数据通道多光路并行传感系统还包括第一光耦合器3。第一光耦合器3设置在光频域反射仪与光纤传感网络4之间，第一光耦合器3用于将激光耦合至光纤传感网络4中的每根传感光纤41中，并将各传感光纤41返回的信号耦合为目标瑞利散射信号，传回光频域反射仪。
具体地，计算机1与OFDR系统通讯，控制OFDR系统进行激光光源线性扫频，触发探测器进行信号采集，并且对采集到的散射信号进行计算解调。OFDR系统在计算机1的控制下对并行光纤网络进行探测，OFDR系统通过第一光耦合器3将激光均匀输送到并行传感光纤网络中，激光在各个光纤/纤芯中发生瑞利散射，其各路背向瑞利散射光反向传播后再次经过第一光耦合器3耦合为一路光信号，并且传播回OFDR系统中被光电探测器接收探测，并由计算机1对探测信号进行解调处理。
在光纤传感网络4中，处于同一空间长度的其他并行光纤的散射信号相较于其中一路传感光纤的散射信号而言为干扰和噪声，即同一空间长度处并行传感光纤的信噪比随并行光纤数量的增加而减小。因此为了进一步提升传感光纤的数量引入SDM(SpaceDivisionMultiplexing，空分复用)方法，即利用空间的分割进一步实现信号复用，因此，本发明单数据通道多光路并行传感系统还包括并行光纤传感模块5。所述并行光纤传感模块5与所述光频域反射仪2通过第一光耦合器3相连接，且所述并行光纤传感模块5与所述光纤传感网络4的空间位置不同。在本实施例中，并行光纤传感模块5为基于SDM的并行光纤传感模块5。
并行光纤传感模块5包括第二光耦合器6和第二光纤传感网络7。第二光耦合器6分别与第一光耦合器3及第二光纤传感网络7连接。第二光纤传感网络7与第一光纤传感网络4处于不同空间，由于OFDR系统能够还原随空间距离变化的瑞利散射强度分布，因此处于不同空间长度的第一光纤传感网络4与第二光纤传感网络7之间的散射信号互不干扰。因此通过SDM方法能够成倍地增加并行光纤传感网络4的光纤数量，虽然这会同时成倍地牺牲传感光纤的传感长度，但在实际应用中可以根据需求平衡传感距离和并行传感光纤数量。
如图3所示，光纤传感网络为多芯传感光纤8时的结构示意图。其中，计算机1与OFDR系统通讯，控制OFDR系统进行激光线性扫频和数据采集，频率线性调谐的激光自OFDR系统发出后传播至第一光耦合模块进行分光，分为多路的激光分别进入多芯传感光纤8的不同纤芯中，传播的同时发生瑞利散射从而产生的背向散射光散射回第一光耦合模块耦合为一路，并且传播回OFDR系统中被其探测收集，通过计算机1按照本发明前述方法处理后，可以计算出每一根纤芯所处外界环境参量的变化，完成此多芯传感光纤8的传感任务，最后在计算机1的用户界面中实时显示传感结果。
此处的多芯传感光纤8为并行光纤传感网络的示范例，在实际应用中根据传感需求可以任意更改并行传感光纤的数量、类型和分布，以配合不同的应用场景。
现有的光纤并行传感网络主要利用FBG(FiberBragg Grating，光纤布拉格光栅)作为传感单元进行准分布式测量。本发明基于瑞利散射的光纤传感技术，以整根光纤为传感单元能够连续高精度(毫米量级)感知光纤外界参量变化。多根光纤并行传感网络能够解决多种二维及三维传感方案需求。现有基于FBG和瑞利散射的并行光纤传感网络或需波分复用后对于不同波长范围的反射光分别进行探测，或需要对单根光纤分别探测，即大多均需要多路数据采集设备或者利用光开关进行非同时逐一检测。本发明基于单数据通道OFDR系统在同一空间位置上并行测量多根传感光纤/纤芯，以及SDM原理区分不同的并行光纤传感模块，能够同时完成对多根传感光纤/纤芯的测量，并且利用分布式互相关计算仍能够在毫米量级提取出单根光纤的传感信息，能够极大地降低并行光纤传感网络的成本，具有很高的推广应用价值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，所述单数据通道多光路并行传感方法包括：
测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号；所述参考瑞利散射信号为各传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号；所述光纤传感网络中包括多根传感光纤；
通过单个数据通道测量所述传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号；所述目标瑞利散射信号中包括各传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号；
分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量；
根据各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。
2.根据权利要求1所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，所述测量光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号，具体包括：
针对任一传感光纤，将频率线性调谐的激光入射至所述传感光纤中，探测不同频率变化下的背向瑞利散射信号，得到背向瑞利散射的频域信号；
对所述频域信号进行快速傅里叶变换，得到背向瑞利散射的时域信号；
根据光在光纤中传播的群速度，将所述时域信号换算到距离域，得到所述传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号。
3.根据权利要求2所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，采用以下公式，确定第i根光纤的背向瑞利散射的频域信号：
Figure FDA0003651869060000011
其中，Ei(ω)为第i根光纤的背向瑞利散射的频域信号，ω为激光频率，E0为入射电场，L为传感光纤的长度，z为空间距离，κi(z)为第i根光纤随空间距离分布的连续的散射截面，k(ω)为色散关系，j为虚数单位。
4.根据权利要求2所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，采用以下公式，确定第i根传感光纤的背向瑞利散射的时域信号：
Figure FDA0003651869060000021
其中，
Figure FDA0003651869060000022
为第i根传感光纤的背向瑞利散射的时域信号，E0为入射电场，c为真空中的光速，ng为群折射率，t为时间，j为虚数单位。
5.根据权利要求2所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，采用以下公式，确定第i根传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号：
Figure FDA0003651869060000023
其中，
Figure FDA0003651869060000024
为第i根传感光纤随空间距离分布的离散瑞利散射信号，N为不同频率下的频域信号的总数，Ii,n为采集到的离散的随频率变化的强度阵列，j为虚数单位，m为离散瑞利散射信号中的点。
6.根据权利要求1所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，采用以下公式，确定目标瑞利散射信号：
Figure FDA0003651869060000025
其中，
Figure FDA0003651869060000026
为目标瑞利散射信号，
Figure FDA0003651869060000027
为第i根传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号。
7.根据权利要求1所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，所述环境参量为应变变化或温度变化。
8.根据权利要求1所述的单数据通道多光路并行传感方法，其特征在于，所述分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，具体包括：
针对任一传感光纤，根据单位长度，将所述传感光纤网络的目标瑞利散射信号分为多个目标散射信号；
根据单位长度，将所述传感光纤的参考瑞利散射信号分为多个参考散射信号；所述目标散射信号的数量与所述参考散射信号的数量相同；
针对任一目标散射信号，分别对所述目标散射信号及对应空间位置的参考散射信号进行快速傅里叶逆变换，得到目标局部光谱及参考局部光谱；
对所述目标局部光谱与所述参考局部光谱进行互相关计算，得到峰值偏移量；
根据所述峰值偏移量，确定对应空间位置处局部光谱的频谱偏移量。
9.一种单数据通道多光路并行传感系统，其特征在于，所述单数据通道多光路并行传感系统包括：计算机、光频域反射仪及光纤传感网络；
所述光纤传感网络中包括多根传感光纤；
所述计算机用于产生控制信号；
所述光频域反射仪与所述计算机连接，所述光频域反射仪用于根据所述控制信号，测量所述光纤传感网络中每根传感光纤在无外界环境参量变化条件下的参考瑞利散射信号，以及通过单个数据通道测量所述传感光纤网络在外界环境参量变化情况下的目标瑞利散射信号，并将所述目标瑞利散射信号及各传感光纤的参考瑞利散射信号发送至所述计算机；所述目标瑞利散射信号中包括各传感光纤随空间距离分布的目标离散背向瑞利散射信号；
所述计算机还用于分别对所述目标瑞利散射信号与各传感光纤的参考瑞利散射信号进行分布式互相关计算，确定各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，并根据各传感光纤在各空间位置处的频谱偏移量，确定对应空间位置处的环境参量的变化情况。
10.根据权利要求9所述的单数据通道多光路并行传感系统，其特征在于，所述单数据通道多光路并行传感系统还包括：
并行光纤传感模块，通过第一光耦合器与所述光频域反射仪连接，且所述并行光纤传感模块与所述光纤传感网络的空间位置不同。
CN202210554559.3A 2022-05-19 2022-05-19 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统 Active CN114838745B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210554559.3A CN114838745B (zh) 2022-05-19 2022-05-19 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210554559.3A CN114838745B (zh) 2022-05-19 2022-05-19 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114838745A true CN114838745A (zh) 2022-08-02
CN114838745B CN114838745B (zh) 2023-02-28

Family

ID=82571593

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210554559.3A Active CN114838745B (zh) 2022-05-19 2022-05-19 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114838745B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115950372A (zh) * 2023-03-13 2023-04-11 山东省科学院激光研究所 一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法及系统
CN116989832A (zh) * 2023-09-26 2023-11-03 北京大学 一种可变多空间传感尺度地震勘探方法及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016142618A (ja) * 2015-02-02 2016-08-08 日本電信電話株式会社 分岐を有する長距離光ファイバの試験方法、及び装置
JP2018146371A (ja) * 2017-03-06 2018-09-20 日本電信電話株式会社 温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法
CN108896274A (zh) * 2018-06-14 2018-11-27 大连理工大学 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法
CN110579177A (zh) * 2019-07-30 2019-12-17 天津大学 基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法
CN110793556A (zh) * 2019-10-31 2020-02-14 天津大学 基于光频域反射参数优化的分布式三维形状传感解调方法
CN113188461A (zh) * 2021-05-06 2021-07-30 山东大学 一种高空间分辨率下的ofdr大应变测量方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016142618A (ja) * 2015-02-02 2016-08-08 日本電信電話株式会社 分岐を有する長距離光ファイバの試験方法、及び装置
JP2018146371A (ja) * 2017-03-06 2018-09-20 日本電信電話株式会社 温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法
CN108896274A (zh) * 2018-06-14 2018-11-27 大连理工大学 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法
CN110579177A (zh) * 2019-07-30 2019-12-17 天津大学 基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法
CN110793556A (zh) * 2019-10-31 2020-02-14 天津大学 基于光频域反射参数优化的分布式三维形状传感解调方法
CN113188461A (zh) * 2021-05-06 2021-07-30 山东大学 一种高空间分辨率下的ofdr大应变测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KHURRAM NAEEM等: "Multiparameter Distributed Fiber Sensor Based on Optical Frequency-Domain Reflectometry and Bandwidth-Division Multiplexing", 《IEEE SENSORS JOURNAL》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115950372A (zh) * 2023-03-13 2023-04-11 山东省科学院激光研究所 一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法及系统
CN115950372B (zh) * 2023-03-13 2023-06-30 山东省科学院激光研究所 一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法
CN116989832A (zh) * 2023-09-26 2023-11-03 北京大学 一种可变多空间传感尺度地震勘探方法及系统
CN116989832B (zh) * 2023-09-26 2023-12-26 北京大学 一种可变多空间传感尺度地震勘探方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN114838745B (zh) 2023-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114838745B (zh) 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统
EP0983486B1 (en) Distributed sensing system
CA2563597C (en) Direct measurement of brillouin frequency in distributed optical sensing systems
RU2556748C2 (ru) Фазовое считывание
CN100401030C (zh) 一种扫描波长仪
US7859654B2 (en) Frequency-scanned optical time domain reflectometry
CN103017934B (zh) 消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法
JP2018146371A (ja) 温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法
CN102420650A (zh) 一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描装置和方法
CN112129332A (zh) 基于ofdr的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置
CN110823262A (zh) 基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统
JP3740500B2 (ja) Ｏｆｄｒ方式の多点歪計測装置
CN112197938A (zh) 一种光纤水听器阵列光程差的测试设备及方法
JP2017110953A (ja) 伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システム
KR101541602B1 (ko) 저간섭성 광원과 분산형 간섭계를 이용한 다축 측정 광학 갭 센서 장치 및 광학 갭 센서를 이용한 다축 측정 광학 갭 센싱 방법
CN113607209A (zh) 一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统
CN116194740A (zh) 振动分布测量装置及其方法
CN217716444U (zh) 一种频率复用和解复用的多通道光栅解调装置
CN111664881A (zh) 基于多芯少模光纤的双向分布式传感系统及方法
CN116105776A (zh) 光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调的方法与装置
CN113984126A (zh) 基于不同掺杂双芯弱反射fbg阵列的温度应变监测系统和方法
CN107588927B (zh) 基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法
JP6706192B2 (ja) 空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法及び空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置
CN115235367B (zh) 一种大应变测量范围的高精度双频光频域反射仪
CN208254674U (zh) 基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant