CN117168337B - Ofdr应变边缘优化方法及测量方法 - Google Patents
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Abstract
OFDR应变边缘优化方法及测量方法，涉及光频域反射仪领域。为解决现有技术中存在的当滑动窗选取的局部频域片段对应的光纤一部分处于无应变状态一部分处于有应变状态时会使互相关信噪比降低，容易受到杂峰影响引起解算错误的技术问题，本发明提供的技术方案为：OFDR应变边缘优化方法，所述方法包括：采集预设应变阈值的步骤；采集应变发生时的光纤信号应变值解算结果的步骤；将两次所述信号对应的解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的步骤；若所述差值大于所述阈值，则更新所述连续的两次解算结果对应的光纤信号传感单元位置的步骤。适合应用于应对使用OFDR进行应变传感是利用应变拉伸导致光纤中瑞利散射光信号产生的偏移工作中。
Description
技术领域
涉及利用光频域反射仪(OFDR)进行应变传感、避免应变突变位置解调错误领域。
背景技术
光频域反射仪(OFDR)是一种基于相干探测技术的先进仪器，能够实时、精确地进行应变传感和变形监测。在应变传感方面，OFDR利用光纤中瑞利散射光信号的偏移特性，通过测量其偏移量来得到应变的大小。这种技术在航空航天零部件变形监测、桥梁和隧道变形监测等领域具有广阔的应用前景。
在应用OFDR进行应变传感时，首先需要将接收到的瑞利散射光信号进行信号处理，将其从时域转换到频域。这可以通过快速傅里叶变换(FFT)等算法实现。频域表示能够提供更多关于信号特征的信息，有利于后续的计算和分析。
在信号处理中，可以采用滑动矩形窗的方法选择感兴趣的频域位置。通过调整窗口的位置和大小，可以准确地选择对应于光纤中感兴趣位置的瑞利散射信号。这种窗口选择的操作可以有效提取出感兴趣位置的信号，减少其他位置的干扰。
接下来，经过逆傅里叶变换，将选择的频域信号转换回时域，得到光纤对应位置的瑞利散射时域信号。这个时域信号可以反映出光纤中的应变情况。
最后，通过互相关分析，提取出信号中的峰值对应时延。这个时延可以用来计算信号的偏移量，从而确定光纤中的应变大小。通常，互相关方法能够有效地提取出信号中的主要特征，具备较高的精确性和可靠性。
OFDR技术在应变传感方面的应用有着明显的优势。首先，由于OFDR采用光纤作为传感介质，具有较高的灵敏度和精确度，能够实时、高分辨地测量微小的应变变化。此外，OFDR还具备较长的测量距离，能够覆盖较大范围的监测区域。而且，OFDR技术在温度补偿、传感网络布局和多点监测等方面也有着较好的扩展性和灵活性。
综上所述，基于光频域反射仪(OFDR)的应变传感技术通过利用光纤中瑞利散射光信号的偏移特性，能够实现高精度、实时的应变测量。这种技术在航空航天零部件变形监测、桥梁和隧道变形监测等领域具有广泛的应用前景，并且在信号处理、频域转换和互相关分析等方面有着成熟的方法和算法支持。随着技术的不断发展，OFDR技术在应变传感领域将继续取得新的突破和应用。
然而当滑动窗选取的局部频域片段对应的光纤一部分处于无应变状态一部分处于有应变状态时会使互相关信噪比降低，容易受到杂峰影响引起解算错误。
发明内容
为解决现有技术中存在的当滑动窗选取的局部频域片段对应的光纤一部分处于无应变状态一部分处于有应变状态时会使互相关信噪比降低，容易受到杂峰影响引起解算错误的技术问题，本发明提供的技术方案为：
OFDR应变边缘优化方法，所述方法包括：
采集预设应变阈值的步骤；
采集应变发生时的光纤信号应变值解算结果的步骤；
将两次所述信号对应的解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的步骤；
若所述差值大于所述阈值，则更新所述连续的两次解算结果对应的光纤信号传感单元位置的步骤。
进一步，提供一个优选实施方式，所述解算结果根据滑动矩形窗和互相关解算来得到。
进一步，提供一个优选实施方式，更新所述位置的方法具体为：
将所述连续两次解算结果对应的光纤信号在原距离域滑动窗以预设步长偏移预设范围；
取每个步长对应的信号中，互相关值最大的一组对应的结果作为最终结果。
进一步，提供一个优选实施方式，所述互相关值的获取方法为：根据瑞利散射光谱获取。
基于同一发明构思，本发明还提供了OFDR应变边缘优化装置，所述装置包括：
采集预设应变阈值的模块；
采集应变发生时的光纤信号解算结果的模块；
将连续的两次解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的模块；
若所述差值大于所述阈值，则更新所述连续的两次解算结果对应的光纤信号传感单元位置的模块。
基于同一发明构思，本发明还提供了OFDR应变测量方法，所述方法包括：
优化步骤：包括：
采集连续两次突变发生时的光纤信号的步骤；
将所述信号转换到距离域的步骤；
根据转化后的信号，得到两个光谱信号的步骤；
根据所述两个光谱信号，得到对应的应变值的步骤；
采集两个连续的应变值的步骤；
根据所述的OFDR应变边缘优化方法对传感单元位置进行优化的步骤；
遍历步骤：包括：
根据所述优化步骤，遍历整个待测传感光纤段，得到应变分布情况的步骤。
进一步，提供一个优选实施方式，转换到所述距离域根据离散傅里叶变化实现。
基于同一发明构思，本发明还提供了OFDR应变测量装置，所述装置包括：
优化模块：包括：
采集连续两次突变发生时的光纤信号的模块；
将所述信号转换到距离域的模块；
根据转化后的信号，得到两个光谱信号的模块；
根据所述两个光谱信号，得到对应的应变值的模块；
采集两个连续的应变值的模块；
根据所述的OFDR应变边缘优化装置对传感单元位置进行优化的模块；
遍历模块：包括：
根据所述优化模块，遍历整个待测传感光纤段，得到应变分布情况的模块。
基于同一发明构思，本发明还提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当计算机读取所述计算机程序时，所述计算机执行所述的方法。
基于同一发明构思，本发明还提供了计算机，包括处理器和储存介质，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行所述的方法。
本发明提供的OFDR应变测量方法，提出一种基于滑动窗中心位置自动调整的OFDR应变解调方法，通过自动识别应变突变位置并对突变位置的滑动窗位置进行调整避免滑动窗选取的局部频域对应的光纤一部分处于无应变状态一部分处于有应变状态从而导致的应变解算错误。
适合应用于应对使用OFDR进行应变传感是利用应变拉伸导致光纤中瑞利散射光信号产生的偏移工作中。
附图说明
图1为实施方式十一提到的滑动窗位置示意图；
图2为实施方式十一提到的滑动窗中应变状态点数占不同比例时的互相关示意图；
其中，(a)为0％，(b)为50％，(c)为100％；
图3为实施方式十一提到的滑动窗中应变状态点数占不同比例时100次仿真偏移点数统计示意图；
图4为实施方式十一提到的边缘解调错误的应变分布示意图；
图5为实施方式十一提到的滑动窗偏移搜索示意图；
图6为实施方式十一提到的滑动窗中心优化后的应变分布示意图。
具体实施方式
为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：
实施方式一、本实施方式提供了OFDR应变边缘优化方法，所述方法包括：
采集预设应变阈值的步骤；
采集应变发生时的光纤信号应变值解算结果的步骤；
将两次所述信号对应的解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的步骤；
若所述差值大于所述阈值，则更新所述连续的两次解算结果对应的光纤信号传感单元位置的步骤。
实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的OFDR应变边缘优化方法的进一步限定，所述解算结果根据滑动矩形窗和互相关解算来得到。
实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的OFDR应变边缘优化方法的进一步限定，更新所述位置的方法具体为：
将所述连续两次解算结果对应的光纤信号在原距离域滑动窗以预设步长偏移预设范围；
取每个步长对应的信号中，互相关值最大的一组对应的结果作为最终结果。
实施方式四、本实施方式是对实施方式三提供的OFDR应变边缘优化方法的进一步限定，所述互相关值的获取方法为：根据瑞利散射光谱获取。
实施方式五、本实施方式提供了OFDR应变边缘优化装置，所述装置包括：
采集预设应变阈值的模块；
采集应变发生时的光纤信号解算结果的模块；
将连续的两次解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的模块；
若所述差值大于所述阈值，则更新所述连续的两次解算结果对应的光纤信号传感单元位置的模块。
实施方式六、本实施方式提供了OFDR应变测量方法，所述方法包括：
优化步骤：包括：
采集连续两次突变发生时的光纤信号的步骤；
将所述信号转换到距离域的步骤；
根据转化后的信号，得到两个光谱信号的步骤；
根据所述两个光谱信号，得到对应的应变值的步骤；
采集两个连续的应变值的步骤；
根据实施方式一提供的方法对传感单元位置进行优化的步骤；
遍历步骤：包括：
根据所述优化步骤，遍历整个待测传感光纤段，得到应变分布情况的步骤。
具体的：
本实施方式提出的OFDR应变测量方法包括如下步骤：
步骤1，需要光纤初始状态时测量一组信号作为测量的参考态信号，此时的光纤应变大小当作为0。
步骤2，采集应变发生时的信号作为测量态信号。
步骤3，对两组拍信号进行离散傅里叶变换，将信号转换到距离域(频域)。
步骤4，使用移动窗选取两距离域信号传感光纤段片段。
步骤5，对步骤4处理后的两个距离域片段进行插值补零处理，补至原本距离域长度。
步骤6，对步骤5处理后的两个距离域信号做逆离散傅里叶变换，得到两个瑞利散射光谱信号(时域)。
步骤7，对两个瑞利散射光谱信号做互相关运算，得到相关性与光频偏移量的函数，记录最大的互相关值所对应的偏移量，并计算应变值大小。
步骤8，移动滑动窗，重复步骤4到步骤7可以得到下一个传感单元对应的应变值大小。设定一个应变阈值，将其与上一个应变值做差，如果差值的绝对值超过所设定阈值，则判定此应变单元为应变突变点，需要进行滑动窗优化重新计算应变大小。
步骤9，将应变突变的传感单元重新计算应变值，以一定的步长改变传感单元中心位置，搜索范围不超过传感单元一半的长度。将不同中心位置的这些传感单元重复步骤5到步骤8，取互相关最大值最大的那组结果作为此传感单元的最终解算结果。不是应变突变的传感单元则不需要进行处理。
步骤10，重复以上步骤直至遍历整个传感光纤段，即可得到传感光纤段的应变分布情况。
光频域反射仪(OFDR)是一种相干探测技术，可实现应变传感和变形监测。利用OFDR进行应变传感时，关键是自动识别应变突变的位置，并调整滑动窗的位置，以避免在局部频域中选取光纤部分处于无应变状态，部分处于有应变状态，从而导致应变解算错误的问题。
首先，OFDR技术通过测量光纤中瑞利散射光信号的偏移量来获取应变的大小。然而，在存在应变突变的情况下，仅仅使用固定滑动窗的方法可能会导致误解算。因此，提出了一种自动识别应变突变位置的方法。
该方法基于信号处理和算法，通过分析瑞利散射信号的特征，自动检测出应变突变的位置。一旦检测到突变位置，就可以相应地调整滑动窗的位置，以确保在选取频域信号时不会覆盖同时存在有应变和无应变的光纤区域。
通过这种自适应窗口选取的方法，可以有效避免由于局部频域存在应变状态不一致而引起的应变解算错误。该方法在光纤传感中具有重要的应用意义，特别是在需要高精度和准确性的场景下。
此外，OFDR技术还可以结合其他信号处理技术和算法，进一步提高应变解算的精度和可靠性。例如，可以采用多重滑动窗口选择、自适应滤波和峰值提取等方法，对信号进行更加精细的处理和分析，以获得更准确的应变结果。
总结而言，光频域反射仪(OFDR)作为一种相干探测技术，在应变传感领域具有广泛的应用潜力。通过自动识别应变突变位置并调整滑动窗的方法，可以避免滑动窗选取时存在的局部频域应变状态不一致问题，从而提高应变解算的准确性和可靠性。随着技术的不断进步，OFDR技术在应变传感领域将继续发挥重要的作用，并为实时、精确的应变测量提供可靠的解决方案。
实施方式七、本实施方式是对实施方式六提供的OFDR应变测量方法的进一步限定，转换到所述距离域根据离散傅里叶变化实现。
实施方式八、本实施方式提供了OFDR应变测量装置，所述装置包括：
优化模块：包括：
采集连续两次突变发生时的光纤信号的模块；
将所述信号转换到距离域的模块；
根据转化后的信号，得到两个光谱信号的模块；
根据所述两个光谱信号，得到对应的应变值的模块；
采集两个连续的应变值的模块；
根据实施方式五提供的装置对传感单元位置进行优化的模块；
遍历模块：包括：
根据所述优化模块，遍历整个待测传感光纤段，得到应变分布情况的模块。
实施方式九、本实施方式提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当计算机读取所述计算机程序时，所述计算机执行实施方式一至四和六至七任意一项提供的方法。
实施方式十、本实施方式提供了计算机，包括处理器和储存介质，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行实施方式一至四和六至七任意一项提供的方法。
实施方式十一、结合图1-6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式六提供的OFDR应变测量方法提供的一个优选实施例，并结合实例突出实施方式六提供的OFDR应变测量方法的优点和有益之处，具体的：
在进行应变解调时，解算应变发生的边缘位置的应变值可能会出现错误的跳变，这是由于滑动矩形窗选取的这个位置的瑞利散射点中有一部分瑞利散射点处于无应变状态，有一部分瑞利散射点处于有应变状态，如图1所示。
将应变边缘位置的滑动窗分为多种情况进行互相关运算仿真，首先假设应变导致的光谱偏移量占光谱长度的24％。应变发生的边缘位置滑动窗选取200个瑞利散射点，当200个散射点中处于应变状态的点数占比分别为0％、50％及100％时其互相关运算结果如图2所示。从图中可见当滑动窗内的散射点全部处于无应变或有应变状态，互相关有明显峰值，然而当滑动窗内散射点中一半的散射点处于有应变状态另一半的散射点处于无应变状态时，互相关结果杂乱。
每种情况下都进行100次仿真对每次计算得到的信号偏移点数进行统计，得到应变状态瑞利散射点数占不同比例时100次仿真得到的信号偏移点数结果如图3所示。仿真结果表明当滑动窗中一半散射点处于有应变状态一半散射点处于无应变状态时，解算结果很大几率会发生错误。
当由于上述问题造成解算错误时，应变分布仿真如图4所示。可见应变发生的起点处发生了解调错误。
针对这个问题本文提出基于滑窗中心位置自动调整的应变边缘优化方法，下文中简称为滑动窗中心优化方法。具体做法是事先设置一个应变阈值，将每次解算出的应变与上一个位置解算出的应变做对比，如果差值的绝对值超过阈值，则判定为需要进行滑动窗优化措施，在跳变位置的参考态信号和测量态信号在原距离域滑动窗以一定的步长小范围左右偏移如图5所示。
在每个位置分别进行瑞利散射光谱互相关运算，最终取互相关值最大的一组互相关运算结果，使用此结果来代替原结果。
图4的应变解算结果经过滑动窗中心优化后的光纤应变分布结果如图6所示。从图中可以看出，应变发生的起点处发生的解调错误得到了纠正。
以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，不过以上所述的几个具体实施方式并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的合理修改和改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。
在本说明书的描述中，仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明之权利范围；另外，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
Claims (8)
1.OFDR应变边缘优化方法，其特征在于，所述方法包括：
采集预设应变阈值的步骤；
采集应变发生时的光纤信号应变值解算结果的步骤；
将两次所述信号对应的解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的步骤；
若所述差值大于所述阈值，则更新连续的两次所述信号对应的解算结果对应的光纤信号传感单元位置的步骤；
所述解算结果根据滑动矩形窗和互相关解算来得到；
更新所述位置的方法具体为：
将所述连续的两次所述信号对应的解算结果对应的光纤信号在原距离域滑动窗以预设步长偏移预设范围；
取每个步长对应的信号中，互相关值最大的一组对应的结果作为最终结果。
2.根据权利要求1所述的OFDR应变边缘优化方法，其特征在于，所述互相关值的获取方法为：根据瑞利散射光谱获取。
3.OFDR应变边缘优化装置，其特征在于，所述装置包括：
采集预设应变阈值的模块；
采集应变发生时的光纤信号应变值解算结果的模块；
将连续的两次解算结果之间的差值与所述阈值进行对比的模块；
若所述差值大于所述阈值，则更新连续的两次所述信号对应的解算结果对应的光纤信号传感单元位置的模块；
所述解算结果根据滑动矩形窗和互相关解算来得到；
更新所述位置的方法具体为：
将所述连续的两次所述信号对应的解算结果对应的光纤信号在原距离域滑动窗以预设步长偏移预设范围；
取每个步长对应的信号中，互相关值最大的一组对应的结果作为最终结果。
4.OFDR应变测量方法，其特征在于，所述方法包括：
优化步骤：包括：
采集连续两次突变发生时的光纤信号的步骤；
将所述信号转换到距离域的步骤；
根据转化后的信号，得到两个光谱信号的步骤；
根据所述两个光谱信号，得到对应的应变值的步骤；
采集两个连续的应变值的步骤；
根据权利要求1所述的方法对传感单元位置进行优化的步骤；
遍历步骤：包括：
根据所述优化步骤，遍历整个待测传感光纤段，得到应变分布情况的步骤。
5.根据权利要求4所述的OFDR应变测量方法，其特征在于，转换到所述距离域根据离散傅里叶变化实现。
6.OFDR应变测量装置，其特征在于，所述装置包括：
优化模块：包括：
采集连续两次突变发生时的光纤信号的模块；
将所述信号转换到距离域的模块；
根据转化后的信号，得到两个光谱信号的模块；
根据所述两个光谱信号，得到对应的应变值的模块；
采集两个连续的应变值的模块；
根据权利要求3所述的装置对传感单元位置进行优化的模块；
遍历模块：包括：
根据所述优化模块，遍历整个待测传感光纤段，得到应变分布情况的模块。
7.计算机储存介质，用于储存计算机程序，其特征在于，当计算机读取所述计算机程序时，所述计算机执行权利要求1-2和4-5任意一项所述的方法。
8.计算机，包括处理器和储存介质，其特征在于，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行权利要求1-2和4-5任意一项所述的方法。
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| CN202310810018.7A Active CN117168337B (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | Ofdr应变边缘优化方法及测量方法 |
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN102519385A (zh) * | 2011-12-30 | 2012-06-27 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置 |
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2023
- 2023-07-04 CN CN202310810018.7A patent/CN117168337B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (2)
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| 分布式光纤传感油井高温测试及其信号去噪研究;蒋奇;隋青美;;化工自动化及仪表;20071010(05);57-59 * |
| 基于OFDR分布式光纤传感器的应变测试试验研究;巫佳明 等;实验力学;20220430;234-241 * |
Also Published As
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|---|---|
| CN117168337A (zh) | 2023-12-05 |
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