CN115112038A - 一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决现有应变测量光学系统测量精度不高，稳定性较差的问题，而提供了一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法。本发明将串联的啁啾光栅、弱反射光纤光栅阵列作为应变传感单元，其中啁啾光栅为校准件，弱栅为应变传感器。本发明采用相干检测技术，在频域上分析两种光栅的位置及光谱信息并通过电路滤波、啁啾光栅校正对弱栅光谱进行动态降噪处理，还原真实光谱以获取精准、稳定的互相关峰偏移值，实现高精度应变测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤分布式传感器领域，具体涉及一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法。
背景技术
作为一种新型的光纤器件，光纤光栅因其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰和使用寿命长等优点，被广泛应用于光纤通信、光电子处理及光纤传感等领域。在恒温条件下，轴向应变将引起光栅中心波长的漂移，通过测量中心波长的改变就能间接获取外界应变。通常将具有不同中心波长的光栅集成在单根光纤上，通过光谱仪或频谱仪分别调解不同光栅的光谱信息，实现分布式传感测量。这种系统的测量容量受光源和滤波器带宽的限制，难以满足长距离高密度分布式检测需求。针对上述问题，将多个反射率(低于1％)、中心波长、带宽一致的光栅连续刻写在一根光纤上形成弱反射光栅阵列，在频域上对每个栅反射回来的信号进行区分，分析其中心波长的变化情况，同样可以实现阵列中每个光栅的应变传感功能。由于反射率很低，信号光入射时，极小部分的光经由光栅发生作用反射回来，大部分的光信号继续向前传输至下一个光栅发生同样的作用，并不需要通过增加光源带宽扩容且这种反射效应与其他散射效应相比较，反射率高出5～6个数量级，因此将弱栅作为光学测量系统的传感单元能实现高精度、高信噪比密集分布式应变传感。
对于应变测量的光学系统而言，其自身组成器件会引入一定的噪声进而对系统的测量精度产生较大的影响，包括光源的相位噪声、器件带宽影响等。实际使用过程中，光源受温度、环境扰动、电压波动等作用会导致内部谐振腔位置及长度变化，引起输出激光功率及谱线改变；同时，光纤器件、滤波器等因工作带宽的限制，无法从根本上滤除噪声且自身耦合噪声的引入，进一步加剧了噪声干扰，严重影响应变测量精度，甚至造成探测信号失真、应变测量失效。目前，改善系统噪声的方法集中在提高器件性能，增加检测单元方面，不仅成本昂贵，复杂的信号接受过程对探测和处理单元提出了更高的要求，常规技术难以满足。
发明内容
本发明的目的是解决解决现有应变测量光学系统测量精度不高，稳定性较差的问题，而提供了一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高精度分布式应变测量光学系统，其特殊之处于：包括光源调制模块、PLC光分路器、光纤环形器、应变传感单元、光纤耦合器，以及依次连接的光电探测器、放大滤波电路、数据采集模块和信号控制处理模块；
所述光源调制模块用于生成线性扫频激光，提供光源；所述光源调制模块出射激光入射至PLC光分路器，PLC光分路器将出射激光分为两路，分别为测量光和参考光；所述测量光依次入射至光纤环形器和应变传感单元，经应变传感单元反射后再次入射至光纤环形器，经光纤环形器出射后入射至光纤耦合器；参考光直接入射至光纤耦合器，与应变传感单元中反射后的测量光发生干涉，产生拍频干涉信号；耦合干涉后的测量光与参考光经光电探测器转换为拍频电压信号；
所述放大滤波电路用于将拍频电压信号放大，并过滤直流信号使光栅光谱曲线平滑；所述数据采集模块用于多通道同时采集拍频干涉信号；所述信号控制处理模块用于收集数据采集模块传输的数据，并进行传感点位置、应变解调及光谱降噪处理；所述信号控制处理模块还与光源调制模块连接，同时控制光源调制模块的激光调制及输出；
所述应变传感单元包括串联的啁啾光栅和弱反射光纤光栅阵列；所述啁啾光纤作为校准件松散地放置于待测件附近，用于对弱反射光纤光栅阵列的光谱进行降噪；弱反射光纤光栅阵列作为传感器被施加应力。
进一步地，所述啁啾光纤的中心波长与弱反射光纤光栅阵列的中心波波长相等；
所述啁啾光纤的中心波长带宽大于等于所述光源调制模块的扫频激光波长范围；所述弱反射光纤光栅阵列的中心波长处于扫频激光波长范围内；
所述弱反射光纤光栅阵列为若干个刻有连续等栅距光纤光栅，单个弱反射光纤光栅的反射率均小于0.1％。
进一步地，所述光源调制模块采用外腔调谐方式，实现波长的线性变化输出。
进一步地，所述PLC光分路器的分光比为1:1。
进一步地，所述光源调制模块输出激光的波长为1525nm-1565nm；
所述啁啾光栅栅长为1-5cm，带宽大于等于40dB，单个弱反射光纤光栅的栅长为1cm，两者的中心波长均为1550nm。
本发明还提供了一种高精度分布式应变测量方法，基于上述高精度分布式应变测量光学系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、光源调制模块出射的扫频激光经PLC光分路器分为两路，分别为测量光和参考光，测量光入射至光纤环形器、应变传感单元，经应变传感单元反射后再次入射至光纤环形器，而后入射至光纤耦合器；参考光直接入射至光纤耦合器，与应变传感单元中反射后的测量光发生干涉，产生拍频干涉信号；
S2、拍频干涉信号经过光电探测器转化为拍频电信号，再经由放大滤波电路一级降噪处理，数据采集模块多通道同时采集拍频干涉信号，信号控制处理模块对采集到的拍频干涉信号进行反傅里叶变换，将光频域信息转换为应变传感单元中各传感点的位置信息；
S3、以能覆盖啁啾光栅的长度为Δx窗口截取啁啾光栅的时域信号，并对其进行插值补点运算；同时以等于传感空间分辨率的长度为Δy的窗口将弱反射光纤光栅阵列划分为多个弱栅信号单元，连续截取弱栅信号单元上多个传感点的信号进行相同的插值补点运算；
S4、信号控制处理模块将插值补点处理过的啁啾光栅信号和弱反射光纤光栅信息进行快速傅里叶变换转换到光频域，得到啁啾光栅的光谱和弱反射光纤光栅阵列光谱；
S5、利用滑动平均处理过的啁啾光栅光谱依次对多个弱栅信号单元进行二级实时降噪处理，两者相减，得到校正过的弱反射光纤光栅阵列光谱，作为参考信号；
S6、对待测件施加应力，重复S1-S5步骤，得到的另一组弱反射光纤光栅阵列光谱作为测量信号；
S7、依次对各点参考信号和测量信号的光谱进行互相关运算，得到峰值最大值对应的横坐标点位置，同时得到参考光自相关峰值最高点的横坐标位置；两者位置偏差，即为光谱漂移值，通过定标即可实现应变解调，得到所测量的应变信息。
进一步地，S3中，插值补点运算具体为：将小部分有效信息单元点数，插入到点数较大的高斯函数中，让有效单元点在高斯函数的中间位置，并且保证每个高斯函数点数一致，以实现每个点的波长分辨率一致，有利于后续校准；
所述点数为啁啾光栅Δx长度对应的点数。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供的高精度分布式应变测量光学系统，创造性地将串联的啁啾光栅、弱反射光纤光栅阵列作为应变传感单元，其中啁啾光栅为校准件，弱栅为应变传感器；采用相干检测技术，在频域上分析两种光栅的位置及光谱信息并通过电路滤波、啁啾光栅校正对弱栅光谱进行动态降噪处理，还原真实光谱以获取精准、稳定的互相关峰偏移值，实现高精度应变测量。由于啁啾光栅与弱反射光纤光栅阵列所处测量环境一致，采用啁啾光栅对弱栅光谱进行校正能从根本上消除光源相位噪声、器件带宽限制等系统误差造成的信号失真、传感失效，有效提高系统测量精度和稳定性，方法简单易行，适用于各类复杂工程环境中的长期应变测量。
2、本发明提供的高精度分布式应变测量方法，通过电路滤波、啁啾光栅校正的双重处理，该系统能获取稳定的光谱频移量，实现高精度分布式应变测量。应变测量方法相比，可以有效抑制测量系统误差引起的光谱峰型畸变造成的互相关算法失效、应变解调错误，适用于各类复杂工程环境中的应变测量。
附图说明
图1为本发明高精度分布式应变测量光学系统实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中应变传感单元距离-反射率曲线及光谱图；
图3为本发明实施例中高斯窗口补点插值示意图；
图4为本发明实施例中标准弱栅光谱和畸变弱删光谱示意图；
图5为本发明实施例中啁啾光栅光谱校准弱光栅光谱示意图；
附图标记：
1-光源调制模块，2-PLC光分路器，3-光纤环形器，4-应变传感单元，5-光纤耦合器，6-光电探测器，7-放大滤波电路，8-数据采集模块，9-信号控制处理模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种高精度分布式应变测量光学系统，包括光源调制模块1、PLC光分路器2、光纤环形器3、应变传感单元4、光纤耦合器5，以及依次连接的光电探测器6、放大滤波电路7、数据采集模块8和信号控制处理模块9。
光源调制模块采用外腔调谐方式，生成线性扫频激光，为该光学系统提供光源。光源调制模块1出射激光入射至PLC光分路器2，将出射激光分为两路，分别为测量光和参考光，测量光用于进入待测光纤链路中，形成反射，参考光用于与反射后的测量光形成光拍频干涉。
测量光依次入射至光纤环形器3和应变传感单元4，经应变传感单元4反射后再次入射至光纤环形器3，出射后入射至光纤耦合器5，应变传感单元4作为应变传感器，通过光纤环形器3将携带外界应力信息的测量光回传至系统。
参考光直接入射至光纤耦合器5，与应变传感单元4中反射后的测量光发生干涉，产生拍频干涉信号。
耦合干涉后的测量光与参考光依次经过光电探测器6、放大滤波电路7、数据采集模块8和信号控制处理模块9。
光电探测器6将拍频干涉信号转化为拍频电压信号，再经过放大滤波电路7将拍频电压信号放大，过滤直流信号，使光栅光谱曲线变得比较平滑。数据采集模块8用于多通道同时采集拍频干涉信号，信号控制处理模块9用于收集数据采集模块8传输的数据，并进行传感点位置、应变解调及光谱降噪处理。信号控制处理模块9还与光源调制模块1连接，同时控制光源调制模块1的激光调制及输出。
应变传感单元4包括串联的啁啾光栅和弱反射光纤光栅阵列，啁啾光纤作为校准件被松散地放置于待测件附近，用于对弱反射光纤光栅阵列的光谱进行降噪处理，校准扫频激光全带宽经过光路系统后的整体响应，其中心波长与弱栅一致，且带宽大于等于所述光源调制模块的扫频范围。
弱反射光纤光栅阵列作为传感器被施加应力，弱反射光纤光栅阵列为刻有连续等栅距光栅的光纤，其反射率小于0.1％，中心波长处于扫频激光波长范围内。
基于上述高精度分布式应变测量光学系统进行高精度分布式应变测量时包括以下步骤：
S1、光源调制模块1出射的扫频激光经PLC光分路器2分为两路，分别为测量光和参考光，测量光入射至光纤环形器3、啁啾光栅和弱反射光纤光栅阵列，经弱反射光纤光栅阵列反射后再次入射至光纤环形器3，而后入射至光纤耦合器5；参考光直接入射至光纤耦合器5，与应变传感单元4中反射后的测量光发生干涉，产生拍频干涉信号。
S2、拍频干涉信号经过光电探测器6转化为拍频电信号，再经由放大滤波电路7一级降噪处理后，数据采集模块8多通道同时采集拍频干涉信号，信号控制处理模块9对采集到的拍频干涉信号进行反傅里叶变换，将光频域信息转换到应变传感单元4中各点的位置信息；
得到位置信息后，实现了分布式测量与传感功能。主要得到了时域上啁啾光栅的幅频信息，和每一个弱反射光栅的幅频信息。一遍下一步校准和分布式高精度传感。
S3、以能覆盖啁啾光栅的长度为Δx窗口截取啁啾光栅的时域信号，并对其进行插值补点运算；同时以等于传感空间分辨率的长度为Δy的窗口将弱反射光纤光栅阵列划分为多个弱栅信号单元，连续截取弱栅信号单元上多个位点的信号进行相同的插值补点运算。
插值补点运算，将小部分有效信息单元点数，插入到点数较大的高斯函数中，让有效单元点在高斯函数的中间位置，并且保证每个高斯函数点数一致，以实现每个点的波长分辨率一致，有利于后续校准。其中啁啾光栅和每一个弱反射光纤补点后的点数均相同，以保证每个点的波长分辨率一致。
S4、信号控制处理模块9将插值补点处理过的啁啾光栅信号和弱反射光纤光栅信息进行快速傅里叶变换转换到光频域，得到啁啾光栅的光谱和弱反射光纤光栅阵列光谱。
S5、利用滑动平均处理过的啁啾光栅光谱依次对多个弱栅单元信号进行二级实时降噪处理，两者相减，得到校正过的弱反射光纤光栅阵列光谱，作为参考信号。
S6、对待测件施加应力，重复S1-S5步骤，得到的另一组光谱作为测量信号。
S7、依次对各点参考信号和测量信号的光谱进行互相关运算，获取互相关峰的偏移值，进而得到传感点的应变值。
对得到的各点参考信号和测量信号的光谱，进行互相关运算，得到峰值最大值对应的横坐标点位置，同时得到参考光自相关峰值最高点的横坐标位置。两者位置偏差，即为光谱漂移值，通过定标即可实现应变解调。
下面具体举例说明。
本实施例中，光源调制模块1输出激光为1525nm-1565nm，啁啾光栅栅长约为1cm，带宽40dB，单个弱栅栅长约为1cm，两者的中心波长均为1550nm。啁啾光栅与弱反射光纤光栅阵列以串联方式连接，啁啾光纤作为校准件被松散地放置于待测件附近，弱栅阵列作为传感器被施加应力。
对采集到的拍频信号进行运算处理得到的应变传感单元距离-反射率曲线及光谱，如图2所示。距离-反射率曲线横坐标为距离，纵坐标为幅值，从该曲线中可以清晰地读取两种光栅的具体位置并将其对应到待测物上的真实位置。
分别以长度为Δx、Δy的窗口截取啁啾光栅、弱反射光纤光栅阵列的信号，进行快速傅里叶变换转换到光频域，可以得到啁啾光栅及弱反射光纤光栅阵列的光谱。从图中可以看出，虽经过了放大滤波电路的处理，两种光栅的光谱仍存在严重的抖动，尤其是弱反射光纤光栅阵列，其中心波长反射峰被展宽且附近出现了其他杂峰，光谱严重失真。这种由系统光源相位噪声、器件带宽限制等因素造成的误差无法通过有效手段消除且将随着应力的逐渐增大进一步恶化，参考信号和测量信号的光谱相关性将受到严重影响，出现互相关峰无法识别或识别错误，导致偏移值计算错误，应变测量失效。
利用啁啾光栅对弱栅的光谱进行校正，具体过程为：在距离-反射率曲线上以长度为1cm的窗口截取啁啾光栅的信号，以长度为1cm的窗口将弱栅划分为多个信号单元，利用高斯窗对上述信号单元进行补点插值运算；然后，对补点处理过的信号进行快速傅里叶变换转换到光频域，得到两种光栅的光谱，分辨率为pm级。
以40nm扫描范围为例，假设1cm啁啾光栅对应的点数为500点(Δx物理长度下对应的点数)，含有40nm所有的光谱信息，因此一个点权重代表80pm。我们选取一个高斯函数，总点数为40000点，并且将其窗口中心位置的500点替换成光谱信息的500点。对该数据进行FFT变换。经此操作后，该数据含有40000点，并且每一个点对应的波长分辨率一样，为1pm。如图3所示，有效信息单元只有小部分点，将这个有效信息单元插值到一个40000点的高斯函数中间，实现了插值补点。
接着，对得到的啁啾光栅光谱进行滑动平均处理。该平滑处理方式得到的啁啾光栅反射光谱曲线反映了系统误差的趋势及幅值，得到的数据点与弱栅光谱一致，两者相减，得到校正后的弱栅光谱。
如图4和图5所示，经过校正的弱栅光谱，谱线平滑、无明显展宽，除中心波长反射峰外，无其他杂峰，光谱相关性较高，能获取稳定的互相关峰及偏移值，实现高精度分布式应变测量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种高精度分布式应变测量光学系统，其特征在于：包括光源调制模块(1)、PLC光分路器(2)、光纤环形器(3)、应变传感单元(4)、光纤耦合器(5)，以及依次连接的光电探测器(6)、放大滤波电路(7)、数据采集模块(8)和信号控制处理模块(9)；
所述光源调制模块(1)用于生成线性扫频激光，提供光源；所述光源调制模块(1)出射激光入射至PLC光分路器(2)，PLC光分路器(2)将出射激光分为两路，分别为测量光和参考光；所述测量光依次入射至光纤环形器(3)和应变传感单元(4)，经应变传感单元(4)反射后再次入射至光纤环形器(3)，经光纤环形器(3)出射后入射至光纤耦合器(5)；参考光直接入射至光纤耦合器(5)，与应变传感单元(4)中反射后的测量光发生干涉，产生拍频干涉信号；耦合干涉后的测量光与参考光经光电探测器(6)转换为拍频电压信号；
所述放大滤波电路(7)用于将拍频电压信号放大，并过滤直流信号使光栅光谱曲线平滑；所述数据采集模块(8)用于多通道同时采集拍频干涉信号；所述信号控制处理模块(9)用于收集数据采集模块(8)传输的数据，并进行传感点位置、应变解调及光谱降噪处理；所述信号控制处理模块(9)还与光源调制模块(1)连接，同时控制光源调制模块(1)的激光调制及输出；
所述应变传感单元(4)包括串联的啁啾光栅和弱反射光纤光栅阵列；所述啁啾光纤作为校准件松散地放置于待测件附近，用于对弱反射光纤光栅阵列的光谱进行降噪；弱反射光纤光栅阵列作为传感器被施加应力。
2.根据权利要求1所述的高精度分布式应变测量光学系统，其特征在于：
所述啁啾光纤的中心波长与弱反射光纤光栅阵列的中心波波长相等；
所述啁啾光纤的中心波长带宽大于等于所述光源调制模块(1)的扫频激光波长范围；所述弱反射光纤光栅阵列的中心波长处于扫频激光波长范围内；
所述弱反射光纤光栅阵列为若干个刻有连续等栅距光纤光栅，单个弱反射光纤光栅的反射率均小于0.1％。
3.根据权利要求2所述的高精度分布式应变测量光学系统，其特征在于：
所述光源调制模块(1)采用外腔调谐方式，实现波长的线性变化输出。
4.根据权利要求3所述的高精度分布式应变测量光学系统，其特征在于：
所述PLC光分路器(2)的分光比为1:1。
5.根据权利要求1-4任一所述的高精度分布式应变测量光学系统，其特征在于：
所述光源调制模块(1)输出激光的波长为1525nm-1565nm；
所述啁啾光栅栅长为1-5cm，带宽大于等于40dB，单个弱反射光纤光栅的栅长为1cm，两者的中心波长均为1550nm。
6.一种高精度分布式应变测量方法，基于权利要求1-5任一所述高精度分布式应变测量光学系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光源调制模块(1)出射的扫频激光经PLC光分路器(2)分为两路，分别为测量光和参考光，测量光入射至光纤环形器(3)、应变传感单元(4)，经应变传感单元(4)反射后再次入射至光纤环形器(3)，而后入射至光纤耦合器(5)；参考光直接入射至光纤耦合器(5)，与应变传感单元(4)中反射后的测量光发生干涉，产生拍频干涉信号；
S2、拍频干涉信号经过光电探测器(6)转化为拍频电信号，再经由放大滤波电路(7)一级降噪处理，数据采集模块(8)多通道同时采集拍频干涉信号，信号控制处理模块(9)对采集到的拍频干涉信号进行反傅里叶变换，将光频域信息转换为应变传感单元(4)中各传感点的位置信息；
S3、以能覆盖啁啾光栅的长度为Δx窗口截取啁啾光栅的时域信号，并对其进行插值补点运算；同时以等于传感空间分辨率的长度为Δy的窗口将弱反射光纤光栅阵列划分为多个弱栅信号单元，连续截取弱栅信号单元上多个传感点的信号进行相同的插值补点运算；
S4、信号控制处理模块(9)将插值补点处理过的啁啾光栅信号和弱反射光纤光栅信息进行快速傅里叶变换转换到光频域，得到啁啾光栅的光谱和弱反射光纤光栅阵列光谱；
S5、利用滑动平均处理过的啁啾光栅光谱依次对多个弱栅信号单元进行二级实时降噪处理，两者相减，得到校正过的弱反射光纤光栅阵列光谱，作为参考信号；
S6、对待测件施加应力，重复S1-S5步骤，得到的另一组弱反射光纤光栅阵列光谱作为测量信号；
S7、依次对各点参考信号和测量信号的光谱进行互相关运算，得到峰值最大值对应的横坐标点位置，同时得到参考光自相关峰值最高点的横坐标位置；两者位置偏差，即为光谱漂移值，通过定标即可实现应变解调，得到所测量的应变信息。
7.根据权利要求6所述的高精度分布式应变测量方法，其特征在于：
S3中，插值补点运算具体为：将小部分有效信息单元点数，插入到点数较大的高斯函数中，让有效单元点在高斯函数的中间位置，并且保证每个高斯函数点数一致，以实现每个点的波长分辨率一致，有利于后续校准；
所述点数为啁啾光栅Δx长度对应的点数。
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