CN115265616A - 一种基于时分复用的长距离ofdr系统及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时分复用的长距离OFDR系统及其数据处理方法，包括可调谐激光器、第一耦合器、传感单元、辅助干涉仪、数据采集单元；传感单元包括三个传感子单元。通过辅助干涉仪中添加了消除非同步误差的延迟单元，打破了传感距离与辅助干涉仪两臂程差的限制。通过基于时分复用原理的数据处理方式实现了多传感子单元应力测量结果的组合。本发明可以在不增加额外成本升级激光光源的前提下，通过分段处理传感单元实现长距离传感，使其在光纤水听器拖曳阵列、航空航天设备等大型设备监测领域具有更大优势和更广阔的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于时分复用的长距离OFDR(光频域反射)系统及其数据处理方法，在不降低传感性能的前提下提升了OFDR系统传感距离，属于光纤传感探测的技术领域。
背景技术
分布式光纤传感系统具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好和分布式无差别测量等优点，在结构健康监测，管道入侵监察，国防边境安全等应用场合中引起了广泛的关注。基于光纤中的固有光学效应，如瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射的分布式光纤传感系统，已经被开发并应用于环境中振动、温度和应变等信息的测量。与基于布里渊散射与拉曼散射的分布式光纤传感系统相比，由于光纤中瑞利散射光强度远远大于布里渊散射光与拉曼散射光，基于瑞利散射的分布式光纤传感器具有更高的灵敏度。作为其中的代表，光频域反射技术(OFDR)具有高动态范围、高灵敏度、高空间分辨率等优点，因此，其在高精度监测领域具有非常重要的应用。
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影响的测试信号，将测试信号与参考信号进行互相关计算得到外界信息的变化。OFDR系统具有高空间分辨率的特点，其系统空间分辨率可以达到毫米量级，因此，其在航天航空等高精度监测领域具有非常重要的应用。然而由于激光器中频率调谐的非线性现象，导致光频率的非均匀采样间隔的增加，影响了反射峰值能量的扩展，极大的影响了OFDR系统的性能。通常通过添加辅助干涉仪，将其输出作为时钟信号触发数据采集，实现等频率间隔的采样，避免了频率调谐的非线性影响。但是，这种方法为了满足奈奎斯特采样定律，最大可测量范围受到辅助干涉仪两臂之间的路径差的限制。因此，如何在不降低传感性能的前提下有效提高OFDR系统的传感距离是一个十分重要的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于时分复用的长距离OFDR(光频域反射)系统，此系统在不降低传感性能的前提下，有效提升了OFDR系统的传感距离。
本发明还提供了上述基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法。
本发明的技术方案为：
一种基于时分复用的长距离OFDR系统，包括可调谐激光器、第一耦合器、传感单元、辅助干涉仪、数据采集单元；传感单元包括三个传感子单元；
可调谐激光器输出的连续光由第一耦合器分成两份，一份入射到辅助干涉仪，经处理后为数据采集单元中的数字采集卡提供一个触发信号，另一份的光进入传感单元；
每个传感子单元包括第二耦合器、环形器、传感光纤、第三耦合器；在每个传感子单元中，光通过第二耦合器分为两部分，一部分的光用作参考光，其余的光用作探测光通过环行器后进入传感光纤；环形器使得探测光在各传感子单元中正向连续传输的同时，瑞利散射光被分隔为多段；传感光纤中返回的瑞利散射光与本地参考光在第三耦合器中发生干涉，而后通过数据采集单元分别采集。
根据本发明优选的，数据采集单元包括光开关、延迟光纤、偏振分束器、光电探测器和数据采集卡；
在数据采集单元中，通过在每个传感子单元的输出位置添加延迟光纤，引导所需信号返回同一位置，通过控制光开关的开启通道及时间，避免信号采样过程中的混合，信号由偏振分束器分为p和s分量，由两个平衡的光电探测器检测，并通过数字采集卡收集。
根据本发明优选的，辅助干涉仪包括延迟单元和马赫曾德干涉仪；光进入延迟单元，由光开关控制进入具有不同长度的延迟光纤的三个补偿通道，补偿通道的延迟光纤长度分别对应各传感子单元起始位置，正确补偿同步误差后，由马赫曾德干涉仪产生等频率间隔触发信号，输出到数据采集单元的数据采集卡。
根据本发明优选的，第一耦合器为10/90光耦合器；第二耦合器为1/99光耦合器；第三耦合器为50/50光耦合器。
上述基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法，包括以下步骤：
S1：控制光开关分别采集两次三段传感子单元的信号，一次为不包含应变信息的信号，为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，为测试信号；
S2：分别将参考信号和测试信号进行快速傅里叶变换(FFT)，将频域信息转换到距离域信息，然后将距离域信息根据传感光纤实际长度进行等比缩放，将距离域信息转化为传感光纤所对应的长度信息；
使用长度为ΔX的滑动窗口将传感光纤的总长度分成若干个局部距离域信息，其中包括N个数据点作为空间局部瑞利散射信号；
S3：对每一段的第一个滑动窗口内的参考信号和测试信号局部距离域信息进行快速逆傅里叶变换得到各自的局部频率谱信息；
S4：对步骤S3得到的快速逆傅里叶变换后的参考信号和测试信号各自的局部频率谱信息通过互相关计算，得到其光谱主峰的偏移量；
S5：重复步骤S3-S4，分别得到各传感子单元的传感光纤每一对应位置的互相关结果及其光谱主峰的偏移量，将每段传感子单元得到的所有光谱主峰的偏移量依据传感光纤对应位置信息，在距离上分别重新组合，得到所有位置的光谱偏移曲线，根据获得的光谱偏移量信息获得各传感子单元的应变测量结果；
S6.根据采集的时间顺序重新组合各传感子单元获得的应变测量结果。
进一步优选的，ΔX代表长距离OFDR系统的分布式空间分辨率，
n和Δυ分别表示传感光纤的有效折射率和可调谐激光源的光频调谐范围，c为光在真空中传播的速度。
进一步的，步骤S1中，采用硬件补偿的方式产生触发信号，实现等频率间隔采集。
本发明的有益效果为：
1)本发明所提出的基于时分复用的长距离OFDR系统，可以在不增加额外成本升级激光光源的前提下，通过分段处理传感单元实现上距离传感，使其在光纤水听器拖曳阵列、航空航天设备等大型设备监测领域具有更大优势和更广阔的应用。
2)本发明所提出的基于时分复用的长距离OFDR系统，可以实现传感子单元之间的独立无串扰传感，灵活配置各子单元传感参数提高空间分辨率，实现高空间分辨率的长距离传感。
附图说明
图1是基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法流程示意图；
图2是基于时分复用的长距离OFDR系统的结构示意图；
图3是辅助干涉仪结构示意图；
图4是使用本发明长距离OFDR系统测得的分别位于三个传感子单元的应力信息示意图。
1、可调谐激光器，2、第一耦合器，3、第二耦合器，4、环形器，5、传感光纤，6、辅助干涉仪，7、第三耦合器，8、光开关，9、延迟光纤，10、偏振分束器，11、光电探测器，12、数字采集卡。
具体实施方式
下面结合附图1-4和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容，但不限于此。
实施例1
一种基于时分复用的长距离OFDR系统，如图2所示，包括可调谐激光器1、第一耦合器2(10/90光耦合器)、传感单元、辅助干涉仪6、数据采集单元；传感单元包括三个传感子单元；
可调谐激光器1输出的连续光由第一耦合器2分成两份，10％入射到辅助干涉仪6，经处理后为数据采集单元中的数字采集卡12提供一个触发信号，来避免重采样误差，其余90％的光进入传感单元；
每个传感子单元包括第二耦合器3(1/99光耦合器)、环形器4、传感光纤5、第三耦合器7(50/50光耦合器)；在每个传感子单元中，光通过第二耦合器3分为两部分，1％的光用作参考光，99％的光用作探测光通过环行器后进入传感光纤5；环形器4使得探测光在各传感子单元中正向连续传输的同时，瑞利散射光被分隔为多段；传感光纤5中返回的瑞利散射光与本地参考光在第三耦合器7中发生干涉，而后通过数据采集单元分别采集。
数据采集单元包括光开关8、延迟光纤9、偏振分束器10、光电探测器11和数据采集卡；在数据采集单元中，通过在每个传感子单元的输出位置添加延迟光纤9，引导所需信号返回同一位置，通过控制光开关8的开启通道及时间，避免信号采样过程中的混合，信号由偏振分束器10分为p和s分量，由两个平衡的光电探测器11检测，并通过数字采集卡12收集。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于时分复用的长距离OFDR系统，如图3所示，辅助干涉仪6包括延迟单元和马赫曾德干涉仪；光进入延迟单元，由光开关8控制进入具有不同长度的延迟光纤9的三个补偿通道，补偿通道的延迟光纤9长度分别对应各传感子单元起始位置，正确补偿同步误差后，由马赫曾德干涉仪产生等频率间隔触发信号，输出到数据采集单元的数据采集卡。
延迟单元用于消除触发信号与探测信号不同步的问题，马赫曾德干涉仪用于产生等频间隔采样触发。
实施例3
实施例1或2基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：分析应用环境所需传感距离及空间分辨率等传感参数，基于参数构建基于时分复用原理的OFDR系统。本发明示例的有效传感距离225m，空间分辨率5mm。
控制光开关8分别采集两次三段传感子单元的信号，一次为不包含应变信息的信号，为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，为测试信号；采用硬件补偿的方式产生触发信号，实现等频率间隔采集。
S2：分别将参考信号和测试信号进行快速傅里叶变换(FFT)，将频域信息转换到距离域信息，然后将距离域信息根据传感光纤5实际长度进行等比缩放，将距离域信息转化为传感光纤5所对应的长度信息；
使用长度为ΔX的滑动窗口将传感光纤5的总长度分成若干个局部距离域信息，其中包括N个数据点作为空间局部瑞利散射信号；
ΔX代表长距离OFDR系统的分布式空间分辨率，
n和Δυ分别表示传感光纤5的有效折射率和可调谐激光源的光频调谐范围，c为光在真空中传播的速度。
S3：对每一段的第一个滑动窗口内的参考信号和测试信号局部距离域信息进行快速逆傅里叶变换得到各自的局部频率谱信息；
S4：对步骤S3得到的快速逆傅里叶变换后的参考信号和测试信号各自的局部频率谱信息通过互相关计算，得到其光谱主峰的偏移量；
S5：重复步骤S3-S4，分别得到各传感子单元的传感光纤5每一对应位置的互相关结果及其光谱主峰的偏移量，将每段传感子单元得到的所有光谱主峰的偏移量依据传感光纤5对应位置信息，在距离上分别重新组合，得到所有位置的光谱偏移曲线，光谱的偏移量与应变测量结果为一一对应关系，因此，根据获得的光谱偏移量信息获得各传感子单元的应变测量结果；
S6.根据采集的时间顺序重新组合各传感子单元获得的应变测量结果。从而在不降低各子单元传感性能的前提下，提高了传感距离。
图4是使用本发明长距离OFDR系统测得的分别位于三个传感子单元的应力信息示意图，使用OFDR系统测得的应力信息，图4中，(a)、(b)、(c)应力分别施加在有效传感距离为73.4米、148.4米、222.6米处，施加长度30厘米。图4结果表明，本发明OFDR系统可实现长距离无性能损失的分布式应力传感。
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 (7)
1.一种基于时分复用的长距离OFDR系统，其特征在于，包括可调谐激光器、第一耦合器、传感单元、辅助干涉仪、数据采集单元；传感单元包括三个传感子单元；
可调谐激光器输出的连续光由第一耦合器分成两份，一份入射到辅助干涉仪，经处理后为数据采集单元中的数字采集卡提供一个触发信号，另一份的光进入传感单元；
每个传感子单元包括第二耦合器、环形器、传感光纤、第三耦合器；在每个传感子单元中，光通过第二耦合器分为两部分，一部分的光用作参考光，其余的光用作探测光通过环行器后进入传感光纤；环形器使得探测光在各传感子单元中正向连续传输的同时，瑞利散射光被分隔为多段；传感光纤中返回的瑞利散射光与本地参考光在第三耦合器中发生干涉，而后通过数据采集单元分别采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于时分复用的长距离OFDR系统，其特征在于，数据采集单元包括光开关、延迟光纤、偏振分束器、光电探测器和数据采集卡；
在数据采集单元中，通过在每个传感子单元的输出位置添加延迟光纤，引导所需信号返回同一位置，通过控制光开关的开启通道及时间，避免信号采样过程中的混合，信号由偏振分束器分为p和s分量，由两个平衡的光电探测器检测，并通过数字采集卡收集。
3.根据权利要求1所述的一种基于时分复用的长距离OFDR系统，其特征在于，辅助干涉仪包括延迟单元和马赫曾德干涉仪；光进入延迟单元，由光开关控制进入具有不同长度的延迟光纤的三个补偿通道，补偿通道的延迟光纤长度分别对应各传感子单元起始位置，正确补偿同步误差后，由马赫曾德干涉仪产生等频率间隔触发信号，输出到数据采集单元的数据采集卡。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于时分复用的长距离OFDR系统，其特征在于，第一耦合器为10/90光耦合器；第二耦合器为1/99光耦合器；第三耦合器为50/50光耦合器。
5.权利要求1-4任一所述的基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制光开关分别采集两次三段传感子单元的信号，一次为不包含应变信息的信号，为参考信号；另一次为包含应变信息的信号，为测试信号；
S2：分别将参考信号和测试信号进行快速傅里叶变换，将频域信息转换到距离域信息，然后将距离域信息根据传感光纤实际长度进行等比缩放，将距离域信息转化为传感光纤所对应的长度信息；
使用长度为ΔX的滑动窗口将传感光纤的总长度分成若干个局部距离域信息，其中包括N个数据点作为空间局部瑞利散射信号；
S3：对每一段的第一个滑动窗口内的参考信号和测试信号局部距离域信息进行快速逆傅里叶变换得到各自的局部频率谱信息；
S4：对步骤S3得到的快速逆傅里叶变换后的参考信号和测试信号各自的局部频率谱信息通过互相关计算，得到其光谱主峰的偏移量；
S5：重复步骤S3-S4，分别得到各传感子单元的传感光纤每一对应位置的互相关结果及其光谱主峰的偏移量，将每段传感子单元得到的所有光谱主峰的偏移量依据传感光纤对应位置信息，在距离上分别重新组合，得到所有位置的光谱偏移曲线，根据获得的光谱偏移量信息获得各传感子单元的应变测量结果；
S6.根据采集的时间顺序重新组合各传感子单元获得的应变测量结果。
6.根据权利要求5所述的基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法，其特征在于，ΔX代表长距离OFDR系统的分布式空间分辨率，
n和Δυ分别表示传感光纤的有效折射率和可调谐激光源的光频调谐范围，c为光在真空中传播的速度。
7.根据权利要求5所述的基于时分复用的长距离OFDR系统的数据处理方法，其特征在于，步骤S1中，采用硬件补偿的方式产生触发信号，实现等频率间隔采集。
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