CN116608906A - 一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及分布式光纤传感技术领域，提供一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法及系统。方法包括获取光纤在初始状态下的温度、应变灵敏度系数、初始散射信号；初始状态为：光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态；获取光纤在测量状态下的第一散射信号；测量状态为：光纤在温度变化量ΔT和应变变化量Δɛ的环境中的状态；根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值；根据温度、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量ΔT和应变变化量Δɛ。本申请中仅采用一根保偏光纤即可区分外界温度和应变的影响，有效提高了FSP‑OTDR分布式光纤传感系统的测量性能，提高了检测精度，极大的拓宽了系统的应用范围。
Description
技术领域
本申请涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法及系统。
背景技术
光纤具有很强的抗电磁干扰、良好的电绝缘性以及传光特性。近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的分布式光纤传感系统的使用越来越受到人们的广泛关注。分布式光纤传感技术通过探测及分析光纤内的光学效应测量沿光纤方向的特征信息。由于光纤的特征信息随外界温度、应变，振动的变化而变化，因而可以感知到光纤周围的环境参数。分布式光纤传感技术主要利用光纤中的散射效应，如瑞利散射，布里渊散射以及拉曼散射达到对外界信息的检测。其中，扫频相位敏感光时域反射技术(Frequency-scannedphase sensitive optical time domain reflectometry，FSP-OTDR)作为一种基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术，通过扫描发射到传感光纤中的光脉冲载波频率来获取瑞利散射信号的相位偏移。
但在实际应用中，温度及应变交叉灵敏性容易导致系统的测量结果出现较大的误差，导致检测精度较低。
发明内容
本申请提供了一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法及系统，以解决FSP-OTDR传感系统中，由于温度和应变的影响，而导致检测精度较低的技术问题。
本申请第一方面提供一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法，其特征在于，包括：获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，以及初始散射信号；其中，初始状态为：光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态；获取光纤在测量状态下的第一散射信号；其中，测量状态为：光纤在温度变化量和应变变化量/>的环境中的状态；根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值；根据温度灵敏度系数、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量/>和应变变化量/>。
在一些实现方式中，获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，包括：控制预设应变不变，对光纤施加不同的温度变化，得到多个不同温度下的第二散射信号；根据第二散射信号得到温度灵敏度系数；控制预设温度不变，对光纤施加不同的应变变化，得到多个不同应变下的第三散射信号；根据第三散射信号得到应变灵敏度系数。
在一些实现方式中，根据第二散射信号得到温度灵敏度系数，包括：将多个第二散射信号进行自相关，得到多个第一频率漂移信息；将多个第二散射信号与初始散射信号进行互相关，得到多个第二频率漂移信息；分别将第一频率漂移信息和第二频率漂移信息进行拟合，得到自相关的温度灵敏度系数和互相关的温度灵敏度系数/>。
在一些实现方式中，根据第三散射信号得到应变灵敏度系数，包括：将多个第三散射信号进行自相关，得到多个第三频率漂移信息；将多个第三散射信号与初始散射信号进行互相关，得到多个第四频率漂移信息；分别将第三频率漂移信息和第四频率漂移信息进行拟合，得到自相关的应变灵敏度系数和互相关的应变灵敏度系数/>。
在一些实现方式中，根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值，包括：将第一散射信号自相关，得到自相关的频率漂移值；将第一散射信号与初始散射信号进行互相关，得到互相关的频率漂移值/>。
在一些实现方式中，根据温度灵敏度系数、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量和应变变化量/>，包括：将自相关的温度灵敏度系数/>、互相关的温度灵敏度系数/>、自相关的应变灵敏度系数/>、互相关的应变灵敏度系数/>、自相关的频率漂移值/>、互相关的频率漂移值/>带入矩阵1，计算温度变化量/>和应变变化量/>：
矩阵1为：。
在一些实现方式中，计算温度变化量和应变变化量/>，包括：将矩阵1进行逆矩阵运算，得到矩阵2；
矩阵2为：；
根据矩阵2，计算得到：
；
。
在一些实现方式中，光纤为保偏光纤。
本申请第二方面提供一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的系统，系统包括：
激光器，被配置为：射出激光信号；函数发生器，设置在激光信号的光路上，被配置为：调制激光信号的频率和相位；光纤，设置在激光信号的光路上，被配置为：接收激光信号，并产生散射信号；环形器，设置在函数发生器和光纤之间，被配置为将激光信号输送至光纤，并接收光纤产生的散射信号；采集卡，与环形器相连，被配置为：获取散射信号；其中，散射信号包括初始状态的初始散射信号和测量状态的第一散射信号，初始状态为：光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态，测量状态为：光纤在温度变化量、应变变化量/>的环境中的状态；控制器，与采集卡相连，控制器包括获取模块和计算模块，获取模块被配置为：获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；计算模块被配置为：根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值，再根据温度灵敏度系数、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量/>和应变变化量/>。
在一些实现方式中，第一电光调制器，与激光器相连，被配置为：对激光信号进行双边带调制，函数发生器还被配置为：调制通过第一电光调制器的激光信号的频率；第二电光调制器，与第一电光调制器相连，被配置为：调制激光信号，形成脉冲信号，函数发生器还被配置为：调制通过第二电光调制器的脉冲信号的宽度。
本申请提供的一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法及系统。方法包括获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，以及初始散射信号；其中，初始状态为：光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态；获取光纤在测量状态下的第一散射信号；其中，测量状态为：光纤在温度变化量和应变变化量/>的环境中的状态；根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值；根据温度灵敏度系数、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量/>和应变变化量/>。本申请中仅采用一根保偏光纤即可区分外界温度和应变的影响，有效提高了FSP-OTDR分布式光纤传感系统的测量性能，提高了检测精度，极大的拓宽了系统的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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是本申请实施例提供的一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种获取温度灵敏度系数和应变灵敏度系数的流程示意图；
图3是本申请实施例提供的一种获取温度灵敏度系数的流程示意图；
图4是本申请实施例提供的一种获取应变灵敏度系数的流程示意图；
图5是本申请实施例提供的一种自相关的数据处理流程示意图；
图6是本申请实施例提供的一种自相关的数据中温度/应变变化示意图；
图7是本申请实施例提供的一种互相关的数据处理流程示意图；
图8是本申请实施例提供的一种互相关的数据中温度/应变变化示意图；
图9是本申请实施例提供的一种消除扫频相位敏感光时域中温度于应变的系统的示意图。
图示标记：
1-激光器；2-第一偏振控制器；3-第一电光调制器；4-第一环形器；5-第二偏振控制器；6-第二电光调制器；7-函数发生器；8-第一掺铒放大器；9-第二环形器；10-第二掺铒放大器；11-探测器；12-采集卡；13-控制器；14-保偏光纤。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“上”、“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
为便于对申请的技术方案进行，以下首先在对本申请所涉及到的一些概念进行说明。
光纤具有很强的抗电磁干扰、良好的电绝缘性以及传光特性。近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的分布式光纤传感系统的使用越来越受到人们的广泛关注。分布式光纤传感技术通过探测及分析光纤内的光学效应测量沿光纤方向的特征信息。由于光纤的特征信息随外界温度、应变，振动的变化而变化，因而可以感知到光纤周围的环境参数。分布式光纤传感技术主要利用光纤中的散射效应，如瑞利散射，布里渊散射以及拉曼散射达到对外界信息的检测。其中，扫频相位敏感光时域反射技术(Frequency-scannedphase sensitive optical time domain reflectometry，FSP-OTDR)作为一种基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术，通过扫描发射到传感光纤中的光脉冲载波频率来获取瑞利散射信号的相位偏移。
然而，FSP-OTDR传感系统中，由于温度和应变的改变方向都与瑞利散射的频率漂移呈正相关，因此，仅仅通过局部光谱和参考光谱互相关运算得到的频率漂移信息无法直接判断其是由温度还是应变，或是两者同时影响导致的。在实际应用中，温度及应变交叉灵敏性容易导致系统的测量结果出现较大的误差。
为解决上述技术问题的存在，本申请提供一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法，应用在扫频相位敏感光时域反射技术中。由于温度应变变化引起的光纤折射率变化可以通过频移进行补偿，因此，通过比较每个位置处的参考光谱和测量光谱的频谱偏移来判断沿光纤传播方向的光脉冲相位变化，进而实现温度和应变的信息的测量。
图1是本申请实施例提供的一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法的流程示意图。
参见图1，本申请实施例提供的消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法可以由以下步骤S100至S400所实现。
步骤S100：获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，以及初始散射信号。
其中，初始状态为：光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态。
具体地，在FSP-OTDR分布式光纤传感系统中，将光纤放置于预设温度下，并给定光纤预设应变，其中预设应变可以为预设的拉力。这样，将预设温度和预设应变的环境作为光纤的初始状态，并将该状态下的瑞利散射信号采集存储，作为初始散射信号。
图2是本申请实施例提供的获取温度灵敏度系数和应变灵敏度系数的流程示意图。
参见图2，在步骤S100中，获取温度和应变灵敏度系数的可以通过以下步骤S110至S140所实现。
步骤S110：控制预设应变不变，对光纤施加不同的温度变化，得到多个不同温度下的第二散射信号。
具体地，在控制预设应变不变的前提下，对光纤施加不同的温度变化，并以此采集不同温度状态下的多个第二散射信号，其中，第二散射信号表征了光纤在温度变化下的散射信号。
示例的，可以对光纤施加5次不同的温度变化，可以得到5个第二散射信号。
步骤S120：根据第二散射信号得到温度灵敏度系数。
图3是本申请实施例提供的获取温度灵敏度系数的流程示意图。
参见图3，在步骤S120中，根据第二散射信号得到温度灵敏度系数可以通过以下步骤S121至S123所实现。
步骤S121：将多个第二散射信号进行自相关，得到多个第一频率漂移信息。
具体地，将第二散射信号进行自相关，主要是将第二散射信号的光谱进行自相关。
步骤S122：将多个第二散射信号与初始散射信号进行互相关，得到多个第二频率漂移信息。
具体地，将第二散射信号与初始散射信号进行互相关，主要是将第二散射信号的光谱与初始散射信号的光谱进行互相关。
步骤S123：分别将第一频率漂移信息和第二频率漂移信息进行拟合，得到自相关的温度灵敏度系数X Ta 和互相关的温度灵敏度系数X Tc 。
在步骤S123中，可以将自相关得到的温度引起的光谱中第一频率漂移信息进行线性拟合，得到的拟合曲线斜率为X Ta ，并将X Ta 作为自相关的光谱漂移得到的温度灵敏度系数。
同时，可以将互相关得到的温度引起的光谱中第二频率漂移信息进行线性拟合，得到的拟合曲线斜率为X Tc ，并将X Tc 作为自相关的光谱漂移得到的温度灵敏度系数。
步骤S130：控制预设温度不变，对光纤施加不同的应变变化，得到多个不同应变下的第三散射信号。
具体地，在控制预设温度不变的前提下，对光纤施加不同的应变变化，并以此采集不同应变状态下的多个第三散射信号，其中，第三散射信号表征了光纤在应变变化下的散射信号。
示例的，可以对光纤施加5次不同的应变变化，可以得到5个第三散射信号。
步骤S140：根据第三散射信号得到应变灵敏度系数。
图4是本申请实施例提供的获取应变灵敏度系数的流程示意图。
参见图4，在步骤S140中，根据第三散射信号得到应变灵敏度系数可以通过以下步骤S141至S143所实现。
步骤S141：将多个第三散射信号进行自相关，得到多个第三频率漂移信息。
具体地，将第三散射信号进行自相关，主要是将第三散射信号的光谱进行自相关。
步骤S142：将多个第三散射信号与初始散射信号进行互相关，得到多个第四频率漂移信息。
具体地，将第三散射信号与初始散射信号进行互相关，主要是将第三散射信号的光谱与初始散射信号的光谱进行互相关。
步骤S143：分别将第三频率漂移信息和第四频率漂移信息进行拟合，得到自相关的应变灵敏度系数和互相关的应变灵敏度系数/>。
在步骤S143中，可以将自相关得到的应变引起的光谱中第三频率漂移信息进行线性拟合，得到的拟合曲线斜率为，并将/>作为自相关的光谱漂移得到的应变灵敏度系数。
同时，可以将互相关得到的应变引起的光谱中第四频率漂移信息进行线性拟合，得到的拟合曲线斜率为，并将/>作为互相关的光谱漂移得到的应变灵敏度系数。
步骤S200：获取光纤在测量状态下的第一散射信号；其中，测量状态为：光纤在温度变化量和应变变化量/>的环境中的状态。
具体地，测量状态可以理解为光纤的正常的工作状态，此时的温度变化量和应变变化量/>均为未知量，本申请实施例正是为了计算温度变化量/>和应变变化量/>，从而达到消除扫频相位敏感光时域技术中温度与应变对检测精度的影响。
步骤S300：根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值。
在步骤S300中，计算得到频率漂移值可以通过以下步骤S310至S320所实现。
步骤S310：将第一散射信号自相关，得到自相关的频率漂移值。
具体地，将第一散射信号自相关，主要是将第一散射信号的光谱进行自相关。
步骤S320：将第一散射信号与初始散射信号进行互相关，得到互相关的频率漂移值。
具体地，那个第一散射信号与初始散射信号进行互相关，主要是将第一散射信号的光谱与初始散射信号的光谱进行互相关。
步骤S400：根据温度灵敏度系数、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量和应变变化量/>。
具体地，在得到自相关的温度灵敏度系数、互相关的温度灵敏度系数/>、自相关的应变灵敏度系数/>、互相关的应变灵敏度系数/>、自相关的频率漂移值/>和互相关的频率漂移值/>之后，将上述参数带入矩阵1：
；
对矩阵1进行逆矩阵运算，得到矩阵2：
；
其中，可以通过矩阵2对温度变化量和应变变化量/>进行求解。通过求解得到的温度变化量/>和应变变化量/>，/>；/>。即可得知光纤在测量状态下温度和应变的信息，从而解决FSP-OTDR传感系统中温度和应变交叉灵敏性问题，实现了温度和应变的双参量的测量。
本申请实施例提供的光线为保偏光纤，可以为常规的熊猫型保偏光纤或蝴蝶型保偏光纤。
具体地，本申请实施例在对消除FSP-OTDR分布式光纤传感技术中温度与应变的方法中，采用保偏光纤作为传感光纤，基于保偏光纤的独特特性，该传感光纤可以通过自相关和互相关两种分析方法有效用于双参量的测量。与互相关分析不同的是，自相关分析不需要在不同条件下检测至少两个瑞利散射图，而是将收集到的瑞利散射光谱与自身进行相关分析。保偏光纤固定位置处的瑞利散射信号自相关结果不仅有中心主峰，还有因为保偏光纤快、慢极化模式的有效折射率差异造成的两个偏锋。仅仅采用自相关分析还不能很好地区分温度和应变，如果单纯采用自相关，仅能提供两个灵敏度系数。而对瑞利散射模式再进行互相关分析可以得到另外两个灵敏度系数，便可以构建双参量传感的2×2矩阵，实现对温度和应变的同时解调。
图5是本申请实施例提供的自相关的数据处理流程示意图。
在一些实施例中，步骤S121和步骤S141中的自相关数据处理过程可以通过图5所示的流程进行处理。参见图5，自相关的数据处理主要进行测量信号，得到测量信号的瑞利散射谱。其中，测量信号也就是上述提到的散射信号，例如第二散射信号、第三散射信号，测量信号散射即为上述提到的散射信号的光谱，测量信号瑞利散射谱进行自相关即可得到频谱漂移，也就是上述提到的频率漂移信息，例如第一频率漂移信息、第三频率漂移信息。
图6是本申请实施例提供的自相关的数据中温度/应变变化示意图。
参见图6，实线为无温度/应变变化，代表了没有任何温度或应变变化的相关散射信号光谱，虚线为温度/应变变化，也就是有温度/应变变化，代表了温度或应变变化导致的相关散射信号光谱，存在谱漂移信息。可以看出，在自相关光谱结果中，当环境的参量不发生变化时，快、慢极化模式的有效折射率差决定了偏峰与中心峰的间隔距离，通过观察两个偏锋的频率变化信息解调温度和应变的灵敏度系数。其中，中心主峰的位置不发生变化，偏锋的位置发生移动。
图7是本申请实施例提供的互相关的数据处理流程示意图。
在一些实施中，步骤S122和步骤S142中的互相关数据处理过程可以通过图7所示流程进行处理。参见图7，互相关的数据处理主要是进行测量信号，得到测量信号的瑞利散射谱。其中，测量信号也就是上述提到的散射信号，例如第二散射信号，第三散射信号，测量信号散射即为上述提到的散射信号的光谱，参考信号也就是上述提到的初始散射信号，参考信号瑞利散射谱即为初始散射信号光谱，将散射信号的光谱与初始散射信号光谱进行互相关即可得到频谱漂移，也就是上述提到的频率漂移信息，例如第二频率漂移信息、第四频率漂移信息。
图8是本申请实施例提供的互相关的数据中温度/应变变化示意图。
参见图8，实线为无温度/应变变化，代表了没有任何温度或应变变化的相关散射信号光谱，虚线为温度/应变变化，也就是有温度/应变变化，代表了温度或应变变化导致的相关散射信号光谱，存在谱漂移信息。在互相关谱中，则是通过观察主峰的频率变化信息解调温度和应变的灵敏度系数。其中，偏锋的位置发生移动，中心主峰的位置也发生了移动。
具体地，本申请实施例提供的消除方法，无需任何外部设备补偿，仅采用一根保偏光纤即可区分外界温度和应变的影响，基于保偏光纤的FSP-OTDR分布式光纤传感系统消除温度及应变交叉灵敏性方案，有效提高了FSP-OTDR分布式光纤传感系统的测量性能，提高了检测精度，极大的拓宽了系统的应用范围。
与前述消除方法的实施例相对应，本申请还提供了一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的系统的实施例。
图9是本申请实施例提供的消除扫频相位敏感光时域中温度于应变的系统的示意图。
参见图9，该系统包括激光器1，被配置为：射出激光信号。其中，激光器1可以为窄线宽激光器1作为光源，波长为1550nm。
在激光器1的下游光路上，设置有第一电光调制器3，第一电光调制器3激光器1相连，第一电光调制器3被配置为：对激光信号进行双面带调制方式工作。激光器1与第一电光调制器3之间设置有第一偏振控制器2，激光器1输出的光经过第一偏振控制器2后进入第一电光调制器3。
函数发生器7，设置在激光信号的光路上，且与第一电光调制器3之间通过第一通道CH1连接，函数发生器7被配置为：调制激光信号的频率和宽度。
具体地，函数发生器7被配置为：通过第一通道CH1对通过第一电光调制器3的脉冲信号的频率进行调制，实现连续激光信号的频率偏移，具体调制信号的频率可以通过第一通道CH1设置。示例的，调制范围100GHz，步长为20MHz。
第一电光调制器3传输的信号经过第一环形器4进入光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，FBG)以抑制一个边带，FBG返回的光经过第一环形器4和第二偏振控制器5进入第二电光调制器6，产生脉冲信号。
第一环形器4与第二电光调制器6之间设置有第二偏振控制器5。
具体地，第一偏振控制器2和第二偏振控制器5作用主要是最大化第一电光调制器3和第二电光调制器6的消光比。
第二电光调制器6，与第一电光调制器3相连，被配置为：调制激光信号，形成脉冲信号，函数发生器7还被配置为：调制通过第二电光调制器6的脉冲信号的宽度。
具体地，函数发生器7与第二电光调制器6之间通过第二通道CH2连接，函数发生器7还被配置为：通过第二通道CH2调制通过第二电光调制器6的脉冲信号的宽度。其中，可以设置脉冲重复频率和脉冲宽度。
光纤，设置在激光信号的光路上，被配置为：接收激光信号，并产生散射信号。
具体地，光纤可以为保偏光纤14。
环形器，设置在函数发生器7和光纤之间，被配置为将激光信号输送至光纤，并接收光纤产生的散射信号。
本申请实施例中的系统包括两个环形器，具体为第二环形器9设置在函数发生器7与光纤之间。激光信号经过函数发生器7的作用，已经转变成频脉冲信号，之后再经过第一掺铒放大器8进行脉冲放大，并经过第二环形器9和保偏光纤14测量后产生后向瑞利散射信号。后向瑞利散射信号再由保偏光纤14沿第二环形器9返回进入与第二环形器9连接的第二掺铒放大器10进行放大，并由探测器11探测。
采集卡12，与环形器相连，被配置为：获取散射信号；其中，散射信号包括初始状态的初始散射信号和测量状态的第一散射信号，初始状态为：光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态，测量状态为：光纤在温度变化量、应变变化量/>的环境中的状态。
具体地，采集卡12与第二环形器9间接连接，采集卡12设置在探测器11远离第二环形器9的一侧。
控制器13，与采集卡12相连，采集卡12设置在探测器11与控制器13之间，控制器13包括获取模块和计算模块，获取模块被配置为：获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；计算模块被配置为：根据第一散射信号、初始散射信号，计算得到频率漂移值，再根据温度灵敏度系数、应变灵敏度系数、频率漂移值，计算得到温度变化量和应变变化量/>。
也就是说，计算模块主要执行上述方法中S100至S400的步骤。其中S100中获取温度灵敏度系数和应变灵敏度系数的步骤，可以通过将控制器13连接有具有温度调节功能的装置和应变调节功能的装置所实现。
在一个可行的实现中，控制器13可以为上位机，还可以为电脑。
具体地，本申请实施例提供的消除装置，无需任何外部设备补偿，仅采用一根保偏光纤即可区分外界温度和应变的影响，基于保偏光纤的FSP-OTDR分布式光纤传感系统消除温度及应变交叉灵敏性方案，有效提高了FSP-OTDR分布式光纤传感系统的测量性能，极大的拓宽了系统的应用范围。
需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法，其特征在于，包括：
获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，以及初始散射信号；其中，所述初始状态为：所述光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态；
获取所述光纤在测量状态下的第一散射信号；其中，所述测量状态为：所述光纤在温度变化量和应变变化量/>的环境中的状态；
根据所述第一散射信号、所述初始散射信号，计算得到频率漂移值；
根据所述温度灵敏度系数、所述应变灵敏度系数、所述频率漂移值，计算得到所述温度变化量和所述应变变化量/>。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取光纤在初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，包括：
控制所述预设应变不变，对所述光纤施加不同的温度变化，得到多个不同温度下的第二散射信号；
根据所述第二散射信号得到所述温度灵敏度系数；
控制所述预设温度不变，对所述光纤施加不同的应变变化，得到多个不同应变下的第三散射信号；
根据所述第三散射信号得到所述应变灵敏度系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述根据所述第二散射信号得到所述温度灵敏度系数，包括：
将多个所述第二散射信号进行自相关，得到多个第一频率漂移信息；
将多个所述第二散射信号与所述初始散射信号进行互相关，得到多个第二频率漂移信息；
分别将所述第一频率漂移信息和所述第二频率漂移信息进行拟合，得到自相关的温度灵敏度系数和互相关的温度灵敏度系数/>。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述根据所述第三散射信号得到所述应变灵敏度系数，包括：
将多个所述第三散射信号进行自相关，得到多个第三频率漂移信息；
将多个所述第三散射信号与所述初始散射信号进行互相关，得到多个第四频率漂移信息；
分别将所述第三频率漂移信息和所述第四频率漂移信息进行拟合，得到自相关的应变灵敏度系数和互相关的应变灵敏度系数/>。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述根据所述第一散射信号、所述初始散射信号，计算得到频率漂移值，包括：
将所述第一散射信号自相关，得到自相关的频率漂移值；
将所述第一散射信号与所述初始散射信号进行互相关，得到互相关的频率漂移值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述根据所述温度灵敏度系数、所述应变灵敏度系数、所述频率漂移值，计算得到温度变化量和所述应变变化量/>，包括：
将所述自相关的温度灵敏度系数、所述互相关的温度灵敏度系数/>、所述自相关的应变灵敏度系数/>、所述互相关的应变灵敏度系数/>、所述自相关的频率漂移值/> 所述互相关的频率漂移值/>带入矩阵1，计算所述温度变化量/>和所述应变变化量/>；
所述矩阵1为：。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述计算所述温度变化量和所述应变变化量/>，包括：
将所述矩阵1进行逆矩阵运算，得到矩阵2；
所述矩阵2为：；
根据所述矩阵2，计算得到：
；
。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤为保偏光纤。
9.一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的系统，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述的方法，所述系统包括：
激光器，被配置为：射出激光信号；
函数发生器，设置在所述激光信号的光路上，被配置为：调制所述激光信号的频率和宽度；
光纤，设置在所述激光信号的光路上，被配置为：接收所述激光信号，并产生散射信号；
环形器，设置在所述函数发生器和所述光纤之间，被配置为将所述激光信号输送至所述光纤，并接收所述光纤产生的所述散射信号；
采集卡，与所述环形器相连，被配置为：获取所述散射信号；其中，所述散射信号包括初始状态的初始散射信号和测量状态的第一散射信号，所述初始状态为：所述光纤在预设温度和预设应变的环境中的状态，所述测量状态为：所述光纤在温度变化量、应变变化量的环境中的状态；
控制器，与所述采集卡相连，所述控制器包括获取模块和计算模块，所述获取模块被配置为：获取所述光纤在所述初始状态下的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；
所述计算模块被配置为：根据所述第一散射信号、所述初始散射信号，计算得到频率漂移值，再根据所述温度灵敏度系数、所述应变灵敏度系数、所述频率漂移值，计算得到所述温度变化量和所述应变变化量/>。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括：
第一电光调制器，与所述激光器相连，被配置为：对所述激光信号进行双边带调制，所述函数发生器还被配置为：调制通过所述第一电光调制器的所述激光信号的频率；
第二电光调制器，与所述第一电光调制器相连，被配置为：调制所述激光信号，形成脉冲信号，所述函数发生器还被配置为：调制通过所述第二电光调制器的所述脉冲信号的宽度。
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|---|---|---|---|
| CN202310889416.2A CN116608906A (zh) | 2023-07-20 | 2023-07-20 | 一种消除扫频相位敏感光时域中温度与应变的方法及系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117490738A (zh) * | 2023-10-31 | 2024-02-02 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 | 光纤传感方法、装置、计算机设备、介质和计算机产品 |
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2023
- 2023-07-20 CN CN202310889416.2A patent/CN116608906A/zh active Pending
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