一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与测量精度的方法技术方案

一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与物理量测量精度的方法，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统为光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；少模光纤中传输的每一模式信号均可像基于单模光纤的光纤传感技术一样提取有用的待测信息，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均和差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统物理量测量精度和空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与测量精度的方法
本专利技术涉及一种通过对少模光纤中所传输的信号进行模式复用实现光纤传感的方法及系统，尤其涉及一种提高空间分辨率和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的光纤传感方法及系统，属光纤传感领域。
技术介绍
光纤传感系统尤其是分布式光纤传感系统既以光纤作为敏感元件，又以光纤作为信号传输介质，可根据光纤中所传输光信号产生的散射进行外界物理信息的感知，相比于其它传感技术，因其可实现长距离连续监测、高灵敏度、检测范围广、抗电磁干扰等诸多优势被广泛应用于大型建筑物健康监测、管道监测、周界安防以及地质检测等领域。随着技术的不断发展以及对于传感器要求的提升，高精度测量成为分布式光纤传感系统的重要研究方向之一。为实现高精度测量，空间分辨率和振动、应变、温度、湿度、损耗等物理量测量精度的提升都是研究的关键。空间分辨率是系统能区分开传感光纤上相邻最近两个事件点的能力。振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度是指待测物理量观测值与真实值之间的一致程度。通过这两项参数指标的提升可以实现系统的高精度测量。目前，科学家们主要通过诸如先进的新型光纤、高性能探测器、高精度信号检测处理技术等不同的技术路线来实现高精度分布式光纤传感。近几年，国内外研究者通过不同方式不断提升系统的测量精度和空间分辨率。如，2010年，潘政清课题组提出一种光纤光栅分布式应变传感器，通过光纤光栅进行定位，并在光纤衰荡腔中加入掺铒光纤放大器构建有源衰荡腔，获得光脉冲衰荡序列，以实现空间分辨率提升。2013年，南安普顿大学AliMasoudi等人利用马赫-曾德干涉仪结构与布里渊光时域反射系统(BOTDR)结合，通过微分交叉相乘法解调，提高应变分辨率和空间分辨率。2015年，缪文韬等人提出专利“一种光纤传感器及其制作方法”，公开了一种提高空间分辨率和定位精度的光纤传感器，通过增大缠绕于缆芯上的光纤单元长度实现。2016年，华南理工甘久林等人提出基于脉冲对二次频谱差技术，通过注入脉宽略有差异的光脉冲对，对得到的布里渊散射信号进行二次频谱差运算实现空间分辨率提升和高精度温度应变测量。2018年，徐团伟、冯圣文等人提出一种双波长分布式光纤声传感系统，在OTDR中引入了双M-Z干涉仪结构，结合差分和自适应二维双边滤波算法，对利用波分复用的方式获得两个空间分辨率不同但相近的相位解调结果相减，获得高空间分辨率等。少模光纤(FewModeFiber,FMF)是一种纤芯面积足够大、足以利用几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。本专利技术提供了一种基于模式复用技术提高传感系统的空间分辨率和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的方法，利用FMF作为系统的信号传输介质和敏感元件，通过分离FMF中传输的多个模式信号，将各个模式信号分别预处理后，结合改进的数据处理方法，再进行模式复用。实现高精度测量，该专利技术系统结构简单、便于工程应用。
技术实现思路
本专利技术目的是，提供一种基于模式复用技术提高空间分辨率和物理量(包括应变、振动、温度、湿度或损耗等)测量精度的光纤传感方法和系统。模式复用提高空间分辨率和物理量(包括应变、振动、温度、湿度或损耗等)测量精度的原理可描述为：基于单模光纤(SingleModeFiber,SMF)的分布式光纤传感技术，根据基模信号传输的速度和外部扰动信息的时间值，可以实现待测物理量信息的精确定位。FMF内传输的每个模式均像SMF一样分别获得待测物理量信息，且FMF内传输的各个传导模式存在有效模式传播速度速度差异；由于FMF中传输的各个模式间存在的时延，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，可获得更高的定位测量精度和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度。本专利技术的技术方案是，一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与测量精度的方法，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统可以为(点式)光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；对于获取的每一模式的信号如同基于单模光纤的分布式光纤传感技术，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，由于不同模式间在光纤中传输时具有时延，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均或差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度和提高空间分辨率。具体包括以下步骤：步骤1、所述光纤传感系统中的探测信号输出单元输出探测光信号，探测光信号经光开关、模式分离器注入少模光纤，或探测信号经环形器进入少模光纤；步骤2、少模光纤所产生的不同模式的背向散射光信号经模式分离器分离，再经光开关切换后依次、分别被光电探测器接收；或经环形器进入模式分离器、再经光开关后依次、分别被光电探测器接收；步骤3、对光电探测器所接收的信号进行处理,分别提取出各模式信号携带的事件信息；步骤4、综合多个模式的测量结果，对群速度做归一化，修正群速度差异，对修正后的多个模式信号进行综合分析与处理。系统所使用的少模光纤可容纳两个及以上模式光信号的传输，所述少模光纤的各个模式信号均可用于实现振动、应变、温度、湿度或损耗的测量，对少模光纤中传输的多个模式信号加以复用；少模光纤中传输的各个模式间所存在的时延，会使得各模式信号观测同一扰动事件时获得的定位点出现时间上的差异，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，获得更高的定位测量精度和提升振动、应变、温度、湿度或损耗的测量精度；某些模式中存在的因相干衰落噪声被部分淹没的有用信号，通过其余模式中的信息补偿获得；即通过综合分析LP01、LP11……LPmn等多个模式的信号，可避免误判，提高待测物理量(振动、应变、温度、湿度或损耗)信息获取的全面性与准确性；对所述系统获得的多个模式的测量结果，做归一化处理，以修正模式群速度差异，对修正后的多个模式信号进行平均处理和综合分析，以降低噪声进而提高被测物理量(振动、应变、温度、湿度或损耗)的测量精度；综合利用多个模式的测量结果，对归一化后的各模式测量信号进行差分运算，提取差分结果中的事件信息，以补偿其它模式中被相干衰落噪声淹没的信号。综合利用多个模式的测量结果，对归一化前的各模式测量信号直接进行差分运算，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差进行计算处理，以提高空间分辨率；对所述结构采集到的多个模式的光信号进行归一化处理，修正群速度差异，并对修正后的多个模式信号进行平均处理，实现振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的提升；以LP01模为基准，结合所述的差分结果和归一化结果，可将分布式光纤传感系统的空间分辨率从m量级提升到cm量级，当综合分析较多模式的结果时，可进一步提升空间分辨率的精度至mm量级甚至更高的精度；以LP01模为探测信号输入模式，系统获得的除LP01模之外的其它模式散射信号不存在测量死区，解决了传统基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与物理量测量精度的方法，其特征是，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统为光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；少模光纤中传输的每一模式信号均可像基于单模光纤的光纤传感技术一样提取有用的待测信息，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，由于模式在光纤中传输具有时延，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均和差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统物理量测量精度和空间分辨率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与物理量测量精度的方法，其特征是，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统为光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；少模光纤中传输的每一模式信号均可像基于单模光纤的光纤传感技术一样提取有用的待测信息，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，由于模式在光纤中传输具有时延，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均和差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统物理量测量精度和空间分辨率。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，具体包括以下步骤：
步骤1、所述光纤传感系统中的探测信号输出单元输出探测光信号，探测光信号经光开关、模式分离器注入少模光纤，或探测信号经环形器进入少模光纤；
步骤2、少模光纤所产生的不同模式的背向散射光信号经模式分离器分离，再经光开关切换后依次、分别被光电探测器接收；或经环形器进入模式分离器、再经光开关后依次、分别被光电探测器接收；
步骤3、对光电探测器所接收的信号进行处理,分别提取出各模式信号携带的事件信息；
步骤4、综合多个模式的测量结果，对群速度做归一化，修正群速度差异，对修正后的多个模式信号进行综合分析与处理；
系统所使用的少模光纤可容纳两个及以上模式光信号的传输，所述少模光纤的各个模式信号均能用于实现物理量的测量，对少模光纤中传输的多个模式信号加以复用；少模光纤中传输的各个模式间存在的时延，这会使得各模式信号观测同一扰动事件时获得的定位点出现时间上的差异，通过综合分析多个模式信号获得的扰动信息，获得更高的定位测量精度和提升物理量测量精度；
少模光纤中所传输的某些模式信号中存在的因相干衰落噪声被部分淹没的有用信号，通过其余模式中的信息补偿获得；即通过综合分析LP01、LP11……LPmn等多个模式的信号，能避免误判，提高待测物理量信息获取的全面性与准确性；
对所述系统获得的多个模式的测量结果，做归一化处理，以修正模式群速度差异，对修正后的多个模式信号进行平均处理和综合分析，以降低噪声进而提高被测物理量的测量精度；
综合利用多个模式的测量结果，对归一化后的各模式测量信号进行差分运算，提取差分结果中的事件信息，以补偿其它模式中被相干衰落噪声淹没的信号。


3.根据权利要求1、2所述的方法，其特征是，综合利用多个模式的测量结果，对归一化前的各模式测量信号直接进行差分运算，以差分结果中事件所基于的光模式结合有效模式传播速度差进行计算处理，以提高空间分辨率。


4.根据权利要求1、2所述的方法，其特征是，以LP01模为探测信...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勐勐，张益昕，刘静霄，张旭苹，
申请(专利权)人：南京晓庄学院，南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32