一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法技术

本发明专利技术公开了一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。本发明专利技术实现了在同样空间分辨率的条件下，无须牺牲空间分辨率，即可测量更小应变或温度值的效果。

Method for improving resolution of distributed optical fiber sensing in optical frequency domain reflection

The invention discloses a method for improving the resolution of distributed optical fiber sensing optical frequency domain reflection, the optical fiber sensing resolution method comprises the following steps: in the optical frequency domain reflectometry, single-mode fiber Rayleigh scattering spectra were measured for mobile distributed strain or temperature, using zero expansion of local distance domain data length of the extended distance of local domain; fast Fourier transform to get the local optical frequency domain data, zero makes local optical frequency domain data obtained by spectrum refinement; two groups of local optical frequency domain data segment cross-correlation operation, optical frequency resolution correlation enhancement, and the strain and temperature sensing resolution. The invention realizes the effect of smaller strain or temperature value without sacrificing the spatial resolution at the same spatial resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法
本专利技术涉及分布式光纤传感仪器
，尤其涉及一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法。
技术介绍
高精度、高空间分辨率的分布式传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式应变传感。该方法采用普通单模通讯光纤为传感光纤，通过对距离域信号取窗，整合空间分辨率，再经过对窗内信息比对，计算应变信息。但该方法采用普通取窗计算得方法，应变传感灵敏度不高，需要牺牲空间分辨率来提高可测量的更小应变或温度值的效果。
技术实现思路
本专利技术提供了一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，本专利技术实现了在同样空间分辨率的条件下，即可测量更小应变或温度值的效果，详见下文描述：一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。其中，所述在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量的步骤具体为：利用光频域反射系统采集两组在传感光纤中经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，一组为未施加应变或温度信号，另一组为施加应变或温度信号，并对两组拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应光纤中各个位置的距离域信息。其中，所述利用补零扩充本地距离域数据段长度的步骤具体为：对每个本地距离域数据段实施末尾补零操作，通过补零将本地距离域数据段长度扩充为现有移动窗长度的十倍。其中，所述本地距离域数据段具体为：通过一定长度的移动窗将选取两组距离域信息的各个位置，形成对应各个位置的本地距离域数据段，每个本地距离域数据段包含若干个数据点。其中，所述光纤传感分辨率方法还包括：通过标定可以得到互相关峰频移量与施加应变或温度定量对应关系，进而实现分布式光纤应变或温度传感。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：本专利技术采用在光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度，对其进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据。上述补零使得本地光频域数据得到了频谱细化，在进行两组本地光频域数据段互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。本专利技术实现了在同样空间分辨率的条件下，无须牺牲空间分辨率，即可测量更小应变或温度值的效果。附图说明图1是一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法的流程图；图2是一种光频域反射分布式光纤应变传感装置示意图；图3a是未补零操作后，互相关点数的示意图；图3b是补零操作后，互相关点数的示意图；图4是本方法给予补零数后，应变与波长漂移量的关系图；表1是不同补零数与应变分辨率的对应关系数据结果。附图2中，各标号所代表的部件列表如下：1：可调谐激光器；4：1:99光分束器；11：计算机；21：调谐信号控制模块；24：基于辅助干涉仪的时钟触发系统；25：主干涉仪；2：探测器；5：第一50:50耦合器；6：时钟整形电路模块；7：延迟光纤；8：第一法拉第转镜；9：第二法拉第转镜；10：隔离器；3：50:50分束器；12：偏振控制器；13：环形器；14：第二50:50耦合器；15：光纤；16：第一偏振分束器；17：第二偏振分束器；18：第一平衡探测器；19：第二平衡探测器；20：采集装置；21：GPIB控制模块；22：参考臂；23：测试臂。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，是采用距离域取窗进行数据处理，假设Nw是本地距离域数据段的数据点数，其值等于移动窗的宽度，Δx是空间分辨率或定位精度，Δx可以表示为：Δx＝NwΔz其中，Δz是每个数据点的空间分辨率。对无应变与存在应变的两路窗内信息进行互相关，通过互相关运算，计算结果形成单峰，通过互相关峰移点数与波长调谐范围即可判断，应变造成的波长漂移量。设窗内数据点数Ntotal，光频调谐范围Δv与传感(应变或温度)分辨率Δε存在对应关系，Δε可以表示为：Δε～Δv/N在补零算法中，本地数据段点数N＝Nw+N0，N0为补零数量，由于N与空间分辨率相关，N越小，空间分辨率越高，而本地数据段点数N越大，传感分辨率越高，故空间与传感分辨率存在矛盾，通过补零算法既可满足足够小的N维持细致的空间分辨率，又可满足有足够数量的N以提升应变分辨率，保证了空间分辨率与传感分辨率均在较高的水平，解决了空间与应变分辨率存在的矛盾。实施例1一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，参见图1和图2，该光纤传感分辨率方法包括以下步骤：101：利用光频域反射分布式光纤应变传感装置中的主干涉仪25采集两组在光纤15中经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，一组为未施加应变信号，另一组为施加应变信号，并对两组拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应光纤15中各个位置的距离域信息；102：通过一定长度的移动窗将选取两组各个位置的距离域信息，形成对应各个位置的本地距离域数据段，每个本地距离域数据段包含若干个数据点；103：对两组本地距离域数据段实施末尾补零操作，通过补零将本地距离域数据段长度扩充为现有移动窗长度的十倍；例如，原移动窗内数据点为500个，通过补零后扩充5000个。补零数量可根据光频移测量误差选择，本专利技术实施例对此不做限制。104：对补零后的每个本地距离域数据段进行快速傅里叶逆变换，得到光纤15上各个位置的本地光频域数据段，并依次对各个位置的本地光频域数据段进行互相关运算，运算所得各个位置的互相关峰频移量；105：通过标定可以得到互相关峰频移量与施加应变定量的对应关系，进而实现分布式光纤应变或温度传感。其中，本专利技术实施例中应用到的光频域反射分布式光纤应变传感装置，如图2所示。该应变传感装置包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发系统24、主干涉仪25。基于辅助干涉仪的时钟触发系统24包括：探测器2、第一50:50耦合器5、时钟倍频电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪的时钟触发系统24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50:50耦合器14、细径光纤15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。GPIB控制模块21输入端与计算机11相连；GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。

【技术特征摘要】
1.一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述光纤传感分辨率方法包括以下步骤：在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量，利用补零扩充本地距离域数据段长度；对扩充后本地距离域进行快速傅里叶逆变换得到本地光频域数据，补零使得本地光频域数据得到了频谱细化；两组本地光频域数据段进行互相关运算后，互相关的光频分辨率提高，进而使应变或温度传感分辨率提高。2.根据权利要求1所述的一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法，其特征在于，所述在光频域反射中，单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变或温度测量的步骤具体为：利用光频域反射系统采集两组在传感光纤中经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，一组为未施加应变或温度信号，另一组为施加应变或温度信号，并对两组拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁振扬，杨迪，刘铁根，刘琨，江俊峰，赵士元，崔继文，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12