一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變傳感解調方法技術

一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變傳感解調方法，涉及光纖傳感技術領域，利用被測光纖應變區的背向瑞利散射模間干涉進行應變傳感。在經典瑞利散射光譜互相關法的基礎上，通過將數據窗口進行部分重疊，解決了OFDR分布式應變傳感系統中空間分辨率和應變分辨率不能同時提高的問題，使算法的性能進一步提高。經測試，本發明專利技術能解調出200m測試光纖上1με大小的微應變，且其空間分辨率可以由原來的10cm提高到5cm。10cm提高到5cm。10cm提高到5cm。

【技術實現步驟摘要】
一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變傳感解調方法


[0001]本專利技術涉及光纖傳感
，尤其涉及一種光頻域反射中基于重疊窗口的分布式應變傳感方法，應用于光頻域反射。

技術介紹

[0002]應力測量是一種重要的技術。應力測量在航空航天、材料加工、安全監測等領域有著廣泛的應用。而其中分布式光纖應變傳感器，在航天智能結構，材料加工傳感、石油和天然氣管道的泄漏檢測、周界監測等檢測應用中備受關注。傳統的分布式光纖應變傳感器有，布里淵光時域反射儀(BOTDR)和布里淵光時域分析(BOTDA)，可以實現亞米級空間分辨率，數十公里感應范圍和靜態/動態應變測量。而光纖干涉儀傳感器，如MZI型和Sagnac環型，具有高靈敏度但低空間分辨率(通常為幾十米)。然而，以上的分布式光纖應變傳感器最小可測量應變通常限制在10με以上，因此這不能滿足某些應用的高靈敏度要求。
[0003]光頻域反射技術(OpticalFrequencyDomainReflectometry,OFDR)，作為分布式光纖傳感的一種，OFDR技術將光纖中的瑞利散射看作一種的隨機空間周期弱布拉格光柵，可用于分布式應力、溫度傳感。在解調方案方面，通過互相關來計算測量瑞利后向散射譜位移的方法在OFDR傳感器系統中得到了廣泛的應用，這種方法被稱為瑞利散射光譜互相關法，但這種方法具有一定的局限性，即當測量距離不斷增大的同時，其空間分辨率也會逐漸降低，為了進一步提高系統的空間分辨率，本專利技術提出了一種新基于重疊分段窗口的分布式應變傳感解調方法，對應200m測試光纖上一個微應變的測量，和經典的互相關算法相比，其空間分辨率由原來的10cm提高到了5cm。

技術實現思路

[0004]本專利技術提出了一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變解調方法。其具體的實施步驟見下文描述：
[0005]第一步，利用OFDR系統進行兩次傳感測量，一次為未發生應變變化作為參考組和一次為產生應變變化作為測量組，并對兩種數據分別進行快速傅里葉變換，將光頻域信息轉換到對應測試光纖中各個位置的距離域信息。
[0006]第二步，從信號的零位置開始，用一個長度為N的移動數據窗口截取該瑞利散射信號，得到該位置處的局部瑞利散射信號
[0007]第三步，在得到的局部瑞利散射信號的末端補零，補零數根據具體的測量系統來決定，再進行快速傅里葉逆變換，得到該位置對應的局部瑞利散射光譜。
[0008]第四步：為了消除直流分量的影響，將得到的局部瑞利散射光譜減去其平均值，得到一個零均值的信號。
[0009]第五步，將參考組和測量組經步驟二到四處理后的光譜信號進行互相關操作，得到該位置處的互相關圖，并把互相關圖中峰值所在位置偏移中心位置的大小記為該數據窗口起始點處對應位置處的應變值，互相關峰的偏移方向反映了測量組是受到拉應力還是壓
應力。
[0010]第六步，將數據窗口向后移動M個數據點，這里N>M，以保證前后兩個數據窗口間有重疊部分，重疊區域長度為(N
?
M)，繼續重復步驟二到步驟五，直至獲取到整條測試光纖上的各個位置處的光譜偏移量，此時系統能分辨最小長度為M個數據點對應的距離。
[0011]第七步，將每一次窗口移動采集到的光譜偏移量繪制成一條曲線，在這個曲線中，受到應變的位置會有明顯的突起，這就是應變所在位置，將這個突起位置的數據點取平均值減去整條曲線的平均值，從而得到該位置處的應變值。
[0012]本專利技術還提供了一種實現上述方法的光頻域反射的分布式光纖傳感裝置，包括：可調諧激光器、95:5光分束器、計算機、GPIB控制模塊、基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置、主干涉儀，GPIB控制模塊輸入端與計算機相連，GPIB控制模塊輸出端與可調諧激光器相連，可調諧激光器與95:5光分束器的a端口相連，95:5光分束器的b和c端口分別與基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置和主干涉儀相連。
[0013]本專利技術提供的技術方案的有益效果是：
[0014]1、實現了200m長距離測試光纖空間分辨率達5cm的分布式光纖應變測量；2、實現200m長距離測試光纖靈敏度達到1με的分布式光纖應變測量；
附圖說明
[0015]圖1為一種利用長距離光纖光柵測量分布式光纖應力的傳感系統的結構示意圖；
[0016]圖2為一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變解調方法的算法流程圖；
[0017]圖3為重疊分段窗口相對于常規分段窗口的區別示意圖；
[0018]圖4為一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變解調方法相比于經典互相關算法的解調效果圖。
[0019]附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
[0020]1：可調諧激光器；2：第一平衡探測器；3：80:20分束器；4：95:5光分束器；5：第一50:50耦合器；6：時鐘整形電路模塊；7：延遲光纖；8：第一法拉第轉鏡；9：第二法拉第轉鏡；10：第一環形器；11：計算機；12：偏振控制器；13：第二環形器；14：第二50:50耦合器；15：拉伸區域；16：第二平衡探測器；17：采集裝置；18：GPIB控制模塊；19：參考臂；20：測試臂；21：基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置；22：主干涉儀；23：長距離連續光柵光纖；
具體實施方式
[0021]本實例包括使用長距離連續光柵光纖的光頻域反射的分布式光纖傳感裝置，參見附圖1，光頻域反射的分布式光纖傳感裝置包括：可調諧激光器1、95:5光分束器4、計算機11、GPIB(通用接口總線)控制模塊18、基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置21、主干涉儀22。
[0022]其中，基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置21包括：第一平衡探測器2、第一50:50耦合器5、時鐘整形電路模塊6、延遲光纖7、第一法拉第轉鏡8、第二法拉第轉鏡9和第一環形器10。基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置21用于實現等光頻間距采樣，其目的是抑制光源的非線性掃描。
[0023]其中，主干涉儀22包括：80:20分束器3、偏振控制器12、第二環形器13、第二50:50耦合器14、第二平衡探測器16、采集裝置17、參考臂19、測試臂20和長距離光纖光柵23。主干
涉儀22是光頻域反射的分布式光纖傳感裝置的核心，其為改進型馬赫澤德干涉儀。
[0024]GPIB控制模塊18輸入端與計算機11相連；GPIB控制模塊18輸出端與可調諧激光器1相連；可調諧激光器1與95:5光分束器4的a端口相連；95:5光分束器4的b端口與第一環形器10a端口相連(5)；95:5光分束器4的c端口與80:20分束器3的a端口相連(95)；第一環形器10的b端口與第一50:50耦合器5的a端口相連；第一環形器10的c端口與第一平衡探測器2的輸入端相連；第一50:50耦合器5的b端口與第一平衡探測器2的輸入端相連；第一50:50耦合器5的c端口與第一法拉第轉鏡8相連；第一50:50耦合器5的d端口通過延遲光纖7與第二法拉第轉鏡9相連；第一平衡探測器2的輸出端與時鐘整形電路模塊6的輸入端相連；時鐘本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種光頻域反射中基于重疊窗口的應變解調方法，其特征是包括以下步驟：第一步，利用OFDR系統進行兩次傳感測量，一次為未發生應變變化作為參考組和一次為產生應變變化作為測量組，并對兩種數據分別進行快速傅里葉變換，將光頻域信息轉換到對應測試光纖中各個位置的距離域信息。第二步，從信號的零位置開始，用一個長度為N的移動數據窗口截取該瑞利散射信號，得到該位置處的局部瑞利散射信號；第三步，在得到的局部瑞利散射信號的末端補零，再進行快速傅里葉逆變換，得到該位置對應的局部瑞利散射光譜。第四步：將得到的局部瑞利散射光譜減去其平均值，得到一個零均值的信號。第五步，將參考組和測量組經步驟二到四處理后的光譜信號進行互相關操作，得到該位置處的互相關圖，并把互相關圖中峰值所在位置偏移中心位置的大小記為該數據窗口起始點處對應位置處的應變值，互相關峰的偏移方向反映了測量組是受到拉應力還是壓應力。第六步，將數據窗口向后移動M個數據點，這里N>M，以保證前后兩個數據窗口間有重疊部分，重疊區域長度為(N
?
M)，繼續重復步驟二到步驟五，直至獲取到整條測試光纖上的各個位置處的光譜偏移量，此時系統能分辨最小長度為M個數據點對應的距離。第七步，將每一次窗口移動采集到的光譜偏移量繪制成一條曲線，在這個曲線中，受到應變的位置會有明顯的突起，這就是應變所在位置，將這個突起位置的數據點取平均值減去整條曲線的平均值，從而得到該位置處的應變值。2.根據權利要求1所述的光頻域反射中基于重疊窗口的應變解調方法，其特征是：第三步中，補零數根據具體的測量系統來決定。3.一種實現權利要求1所述方法的光頻域反射的分布式光纖傳感裝置，其特征是，包括：可調諧激光器(1)、95:5光分束器(4)、計算機(11)、GPIB控制模塊(18)、基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置(21)、主干涉儀(22)，GPIB控制模塊(18)輸入端與計算機(11)相連，GPIB控制模塊(18)輸出端與可調諧激光器(1)相連，可調諧激光器(1)與95:5光分束器(4)的a端口相連，95:5光分束器(4)的b和c端口分別與基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置(21)和主干涉儀(22)相連。4.根據權利要求3所述的光頻域反射的分布式光纖傳感裝置，其特征是，基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置(21)包括：第一平衡探測...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁振揚，劉鐵根，劉琨，江俊峰，李勝，
申請(專利權)人：天津大學前沿技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：