基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法技术

基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法。本发明专利技术提出一种分布式振动测量方法，利用光频域反射原理获取传感光纤上的瑞利散射谱的相位谱信息，在不改变光频域反射原理的分布式测量系统的基础上通过进行瑞利散射谱的相位谱分析以获得传感光纤上不同区域上的振动信息。

【技术实现步骤摘要】
基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法
本专利技术属于光纤传感
，尤其涉及一种光纤分布式振动测量方法。
技术介绍
周界安全防范、边境防范、地震监测以及海啸预警等传感报警系统在保障人民生活安定、保护人们生命财产安全方面发挥着巨大的作用，而这类系统的本质在于对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信的发展，光纤传感技术越来越多地应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国科技工作的重视。目前国内外已有多种基于光纤的分布式振动传感技术和方法，但主要是基于相位OTDR(phase-OpticalTimeDomainReflectometry)技术。相位OTDR方法实质是基于光雷达技术，通过监测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断干扰发生并定位，由于采用的输入光是1ns左右的窄光脉冲，因而该技术作为分布式振动传感方法空间分辨力较差，一般在米量级。光频域反射技术(OFDR)原理实现的分布式物理量测量是一种可以高空间分辨力实现物理量分布式测量的一种技术手段，该技术可以实现不同种类传感光纤的分布式物理量测量。其通过相干探测可以以高动态范围地测量光纤内包括瑞利散射或者光栅反射信号，通过求取携带有光纤分布式物理量信息如应变或温度的瑞利散射或者若反射光纤光栅阵列反射信号的光谱的频移量来获得分布式的被测物理量信息。相较于相位OTDR，可以实现毫米级的空间分辨力。相关的较早的文献包括：DistributedmeasurementofstaticstraininanopticalfiberwithmultipleBragggratingsatnominallyequalwavelengths[J].AppliedOptics,1998,37(10):1741-1746.High-spatial-resolutiondistributedstrainmeasurementinopticalfiberwithRayleighscatter[J].AppliedOptics,1998,37(10):1735-1740.在光频域反射原理和系统上发展的分布式振动测量方法，包括文献Long-rangevibrationsensorbasedoncorrelationanalysisofopticalfrequency-domainreflectometrysignals，Highspatialresolutiondistributedfiberstrainsensorbasedonphase-OFDR，但是类似方案或者是通过复杂的算法或者是采用了额外的探测装置，不利于分布式振动测量的实时求解与设备的成本降低。本专利技术将提出一种分布式振动测量方法，在不改变光频域反射原理的分布式测量系统的基础上获得传感光纤上不同区域上的振动信息。
技术实现思路
针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，本专利技术将提出一种分布式振动测量方法，基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法，其特征在于该方法包含以下步骤：第一步、传感光纤在不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号；第二步、所述传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，所述光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为振动态时域信号；第三步、将参考态时域信号傅里叶变换到频域，得到参考态频域信号，将振动态时域信号傅里叶变换到频域，得到振动态频域信号；第四步、频域信号的频率值和传感光纤空间位置存在一一对应的关系，选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置；以所述位置为中心选取该位置小区域，得到所述选定的振动测量位置的子集数据，也就是得到了所述选定的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据；第五步、对所述的某一位置的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据分别做逆傅里叶变换，得到所述该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据；第六步、求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差；第七步、对第六步所述的相位差做相位解卷并减去其线性拟合得到所述的该振动测量位置相位时域信号；第八步、重复第五步到第七步，对第四步所有选定的振动测量位置计算代表该位置的相位时域信号，并按照所对应的所述的传感光纤的空间位置从小到大依次排序；第九步、对所述第八步得到的所述相位时域信号做差分处理，相邻的相位时域信号相减，得到的差分相位结果对应所述传感光纤分布式振动时域信息。本专利技术与现有技术相比，具有以下主要的优点：本专利技术的振动传感是建立在光频域反射系统上的，因此具有mm级的振动传感空间分辨力；同时通过在频域上选取振动传感点位置并将其变换到时域上并经过相位分析得到传感光纤的振动信息，具有高灵敏度的特点；同时由于是在时域上分析，理论上被测振动频率可以远大于光频域反射系统测量速度；本方法算法简单易于实现，无需增加额外硬件，降低了系统的成本，该振动传感可以作为光频域反射系统的一个功能模块集成到现有的成品系统上。附图说明图1为一种典型的光频域反射系统示意图；图1中，11为可调谐激光器，12为第一光纤耦合器，13为第二光纤耦合器，4为第三光纤耦合器，14为延时光纤，15为第一法拉第旋转镜，16为第二法拉第旋转镜，17为第一光电探测器，10为第二光电探测器，5为环形器，19为采集单元，20计算机，25为测量干涉仪，30为光纤传感器，24为辅助干涉仪，7是第四光纤耦合器，29为光纤振动。图2为选取的振动测量位置示意图；图3为时域上差分相位信号展开后示意图图4为计算得到的差分相位信号随时间变化示意图；具体实施方式本专利技术所面向的研究对象是光频域反射系统，一种典型的光频域反射系统示意图如图1所示，可调谐激光器11作为系统光源输出调谐激光(如1540nm到1545nm)，该激光进入到测量干涉仪25，其参考臂上的光为本振光和配置干涉仪在测量臂上的光纤传感器30反射或散射回来的光在第四光纤耦合器7上发生干涉，干涉光信号经第二光电探测器10光电转换后被采集单元19采集，采集数据传入计算机20后进行数据分析。光纤振动29作用在光纤传感器30上。此外，系统还可以包括辅助干涉仪24，由第二光纤耦合器13，延时光纤14，第一法拉第旋转镜15，第二法拉第旋转镜16和第一光电探测器17组成，用于校正光源输出激光调谐的非线性。可调谐激光器11可以实现一定范围激光波长的连续可调谐输出，可以外腔式调谐激光器，或者分布式反馈激光器，或者其他可实现该功能的激光器。以下介绍一种基于该系统的具体的振动测量方法的步骤。设置光源扫描范围为1540nm到1560nm，调谐速度为20nm/s，也就是完成一次调谐时间为1秒，在调谐启动时，激光器同步触发采集单元19开始采集，单次采集时间为波长一次完整调谐过程。第一步、光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法，其特征在于该方法包含以下步骤：/n第一步、传感光纤在不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号；/n第二步、所述传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，所述光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为振动态时域信号；/n第三步、将参考态时域信号傅里叶变换到频域，得到参考态频域信号，将振动态时域信号傅里叶变换到频域，得到振动态频域信号；/n第四步、频域信号的频率值和传感光纤空间位置存在一一对应的关系，选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置；以所述位置为中心选取该位置小区域，得到所述选定的振动测量位置的子集数据，也就是得到了所述选定的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据；/n第五步、对所述的某一位置的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据分别做逆傅里叶变换，得到所述该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据；/n第六步、求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差；/n第七步、对第六步所述的相位差做相位解卷并减去其线性拟合得到所述的该振动测量位置相位时域信号；/n第八步、重复第五步到第七步，对第四步所有选定的振动测量位置计算代表该位置的相位时域信号，并按照所对应的所述的传感光纤的空间位置从小到大依次排序；/n第九步、对所述第八步得到的所述相位时域信号做差分处理，相邻的相位时域信号相减，得到的差分相位结果对应所述传感光纤分布式振动时域信息。/n...

【技术特征摘要】
1.基于时域相位计算的光纤分布式振动传感方法，其特征在于该方法包含以下步骤：
第一步、传感光纤在不存在外界振动或扰动的状态下，光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为参考态时域信号；
第二步、所述传感光纤在存在外界振动或扰动的状态下，所述光频域反射系统采集原始测量光路干涉信号，记录为振动态时域信号；
第三步、将参考态时域信号傅里叶变换到频域，得到参考态频域信号，将振动态时域信号傅里叶变换到频域，得到振动态频域信号；
第四步、频域信号的频率值和传感光纤空间位置存在一一对应的关系，选取频域上若干具有一定间隔的位置作为选定的振动测量位置；以所述位置为中心选取该位置小区域，得到所述选定的振动测量位置的子集数据，也就是得到了所述选定的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据；
第五步、对所述的某一位置的振动测量位置的参考态子集数据和振动态子集数据分别做逆傅里叶变换，得到所述该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据；
第六步、求解所述的该振动测量位置的参考态时域子集数据和振动态时域子集数据的相位差；
第七步、对第六步所述的相位差做相位解卷并减去其线性拟合得到所述的该振动测量位置相位时域信号；
第八步、重复第五步到第七步，对第四步所有选定的振动测量位置计算代表该位置的相位时域信号，并按照所对应的所述的传感光纤的空间位置从小到大依次排序；
第九步、对所述第八步得到的所述相位时域信号做差分处理，相邻的相位时域信号相减，得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵士元，崔继文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23