基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量方法及装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量方法及装置。

背景技术

光纤应变传感器具有灵敏度高、动态范围大和抗电磁干扰等优点，在结构健康监测和形状传感等方面取得了巨大进展，并已经展现出优秀的应用前景。基于瑞利散射的光频域反射仪(OFDR)是一种高分辨率的光纤测量技术，其具有高达厘米甚至毫米级的空间分辨率和高测量精度。在基于OFDR技术的应变解调过程中，应变传感分辨率、精度和测量动态范围严重依赖于瑞利后向散射(RBS)信号的强度。通常，单模光纤中RBS的强度很弱，这使得单模光纤的信噪比一般比较低。利用后向散射增强光纤来提高OFDR系统中的RBS信号信噪比，以此来同时实现OFDR系统的高空间分辨率和大应变测量范围。

然而，无论是使用标准的单模光纤还是后向散射增强光纤，在基于OFDR技术的应变解调过程中，其涉及的数据多，计算量大，导致应变解调速度慢。因此，如何提高基于OFDR技术的应变解调速度是目前重要的研究方向。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量方法及装置，其目的在于提高基于OFDR技术的应变解调速度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量方法，包括：

获取光频域反射仪输出的时域信号，所述时域信号分为未向传感光纤施加应变得到的参考信号和所述传感光纤在实际环境中得到的测试信号，所述传感光纤为增强强度倍数为a的后向散射增强光纤；

分别基于所述参考信号和测试信号进行特征提取，得到所述传感光纤的不同窗口位置的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段；

对同一窗口位置的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段进行匹配计算，得到对应窗口位置处的参考信号和测试信号的波长偏移量；

基于不同窗口位置处的波长偏移量计算所述传感光纤的应变分布；

其中，进行特征提取的过程包括：

对所选的时域信号做傅里叶变换处理，得到光频域信号；

将所述光频域信号转换为距离域信号；

对所述距离域信号滑动窗口以截取所述传感光纤在对应窗口位置处的距离域窗口信号；

对所述距离域窗口信号做短时傅里叶变换，得到光波长域窗口信号；

对光波长域窗口信号的幅值进行归一化处理，得到光波长域归一化窗口信号；

将所述光波长域归一化窗口信号的幅值分为a等分，形成a个幅值区间；

统计后a-1个幅值区间的总分布频点数，作为数据段长度M；

以光波长域归一化窗口信号的幅值最高峰为中心，截取M个频点，形成对应的局部特征数据段。

在其中一个实施例中，以频点数表示所述窗口的长度，另窗口的长度为h，在截取长度为h的距离域信号后，通过末端补零的方式将长度为h的窗口大小扩展至N，得到最终的距离域窗口信号，其中，h的范围为200

在其中一个实施例中，定义参考局部特征数据段的长度为M

当M

对参考局部特征数据段和测试局部特征数据段做互相关处理，计算互相关的峰值对应的偏移频点数d

计算参考局部特征数据段最高峰和测试局部特征数据段最高峰之间的偏移频点数d

对波长偏移量ws

在其中一个实施例中，根据偏移频点数d计算波长偏移量ws的计算公式为：

其中，ΔF为扫频范围，N为距离域窗口信号的频点数。

在其中一个实施例中，后向散射增强光纤为具有周期性后向散射增强的单模光纤。

在其中一个实施例中，增强强度倍数a的范围为10

在其中一个实施例中，将所述光频域信号转换为距离域信号的转换关系为：

其中，z为距离，f表示拍频频率，c为光速，n为所述传感光纤的折射率，γ为所述光频域反射仪中的激光器的扫频速率。

在其中一个实施例中，基于不同窗口位置处的波长偏移量计算所述传感光纤的应变分布，包括：基于每个窗口位置处的波长偏移量计算对应窗口位置处的应变大小，根据所有窗口位置的应变大小得到所述传感光纤的应变分布，其中，

根据波长偏移量计算应变大小的计算公式为：

ε

其中，ε

按照本发明的另一方面，提供了一种基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量装置，包括数据处理系统，所述数据处理系统包括

特征提取单元，用于基于光频域反射仪输出的时域信号进行特征提取，得到传感光纤的不同窗口位置的局部特征数据段；

波长偏移量计算单元，用于在获取到参考局部特征数据段和测试局部特征数据段后，对同一窗口位置的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段进行匹配计算，得到对应窗口位置处的参考信号和测试信号的波长偏移量，其中，所述参考局部特征数据段为所述时域信号为参考信号时通过所述特征提取单元得到的局部特征数据段，所述测试局部特征数据段为所述时域信号为测试信号时通过所述特征提取单元得到的局部特征数据段；

应变分布计算单元，用于基于不同窗口位置处的波长偏移量计算所述传感光纤的应变分布；

其中，所述特征提取单元包括：

傅里叶变换子单元，用于对所输入的时域信号做傅里叶变换处理，得到光频域信号；

距离域转换子单元，用于将所述光频域信号转换为距离域信号；

窗口截取子单元，用于对所述距离域信号滑动窗口以截取所述传感光纤在对应窗口位置处的距离域窗口信号；

短时傅里叶变换子单元，用于对所述距离域窗口信号做短时傅里叶变换，得到光波长域窗口信号；

归一化处理子单元，用于对光波长域窗口信号的幅值进行归一化处理，得到光波长域归一化窗口信号；

幅值划分子单元，用于将所述光波长域归一化窗口信号的幅值分为a等分，形成a个幅值区间；

数据段长度计算子单元，用于统计后a-1个幅值区间的总分布频点数，作为数据段长度M；

局部特征数据段输出子单元，用于以光波长域归一化窗口信号的幅值最高峰为中心，截取M个频点，形成对应的局部特征数据段。

在其中一个实施例中，还包括光频域反射仪和传感光纤，所述传感光纤为增强强度倍数为a的后向散射增强光纤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明首先将光频域反射仪中的传感光纤设置为后向散射增强光纤，后向散射增强光纤可以对部分区域的后向散射信号进行增强。发明人通过分析发现，在采用后向散射增强光纤时，应变解调主要取决于散射增强信号的这一小部分信息，而大量未增强部分的信息对于整体的计算结果用处不大。基于此，本发明通过对原始的信号进行特征提取，通过幅值划分确定数据段长度M，从截取的光波长域窗口信号中进一步截取长度为M的关键数据特征，在保证正确度的前提下减少大量计算，提高系统的应变测量速度，改善系统实时性。

附图说明

图1为一实施例的OFDR应变测量装置的结构图；

图2为一实施例的基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量方法的步骤流程图；

图3为一实施例的后向散射增强光纤的结构示意图；

图4为一实施例的提取局部特征数据段的步骤流程图；

图5(a)为一实施例的参考信号为应变0με、测试信号为应变4000με时的光波长域归一化窗口信号示意图；

图5(b)为一实施例的参考信号对应的光波长域归一化窗口信号进行幅值划分后的统计分布直方图；

图6为一实施例的局部特征数据段的示意图，其中，(a)为参考局部特征数据段的示意图，(b)为测试局部特征数据段的示意图；

图7为一实施例的传感光纤的应变测量结果示意图；

图8为一实施例的基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了便于理解本发明，首先对OFDR应变测量装置进行介绍。

如图1所示为一实施例中的OFDR应变测量装置的结构图，其包括光频域反射仪、传感光纤19和进行数据分析的上位机23。其中，光频域反射仪包括可调谐激光器1，90：10耦合器2，辅助干涉仪9和主干涉仪21，数据采集卡22，射频连接线24。其中辅助干涉仪9包括：环形器3，2*2耦合器4，延迟光纤5，法拉第旋转镜6、7，光电探测器8。主干涉仪21包括：90：10耦合器10，偏振控制器11，环形器12，偏振分束器13、14，2*2耦合器15、16，光电探测器17、18。可调谐激光器1的输出端与90：10耦合器2的输入端a相连，90：10耦合器2的输出端包括占输入端光信号10％的b端和占输入端光信号90％的c端，其中b端与辅助干涉仪9中环形器3的输入端a相连，c端与主干涉仪21中的90：10耦合器10的输入端a相连；辅助干涉仪9中的环形器3包括a端、b端、c端；其中b端与2*2耦合器4中的a端相连，c端与光电探测器8的输入端b端相连；2*2耦合器4中的c端连接延迟光纤5，再和法拉第旋转镜6相连；2*2耦合器4中的b端连接光电探测器8的输入端a端，2*2耦合器4中的d端连接法拉第旋转镜7；主干涉仪21中的90：10耦合器10包括占输入端a光信号10％的b端和占输入端光信号90％的c端；其中b端与偏振控制器11相连，c端与环形器12的输入端a端连接；偏振控制器11与偏振分束器13的输入端a端相连，偏振分束器的输出端b和c端分别对应连接两个2*2耦合器15、16的a端；其中2*2耦合器16的输出端c和d端分别对应连接光电探测器18的输入端a和b端。主干涉仪21中的环形器12中的c端通过连接偏振分束器14分成两路，分别对应连接两个2*2耦合器15、16的b端；2*2耦合器15的输出端c和d端分别对应连接光电探测器17的输入端a和b端；环形器12中的c端连接至传感光纤19；辅助干涉仪9中的光电探测器8和主干涉仪21中的光电探测器17、18均和数据采集卡22的输入端相连，最终数据采集卡22的输出端连接上位机23。射偏连接线24分别连接可调谐激光器1和数据采集卡22。

利用上述OFDR应变测量装置，可以测得传感光纤19的应变分布。在工作时，可调谐激光器1提供波长可调谐的光，经由90：10耦合器2的a端进入，其中10％的光经b端进入到辅助干涉仪9中的环形器3a端，光从环形器3的b端经2*2耦合器4分别进入到两臂中，分别经法拉第旋转镜67将光反射回2*2耦合器4的c和d端，并在2*2耦合器4中进行拍频干涉；干涉的光信号其中一路经a端返回到环形器3中的c端，再进入光电探测器8，另一路直接送到光电探测器8中，并经数据采集卡22进行数模转换后传到上位机23中。此外，可调谐激光器1的光经由90：10的耦合器2a端进入，其中90％的光经c端进入到主干涉仪21中的90：10耦合器2的a端，从b端出射的10％光作为参考光，经偏振控制器11调整后进入到偏振分束器13中，分为两路光p光和s光；从c端出射的90％光进入到环形器12的a端，并经b端送入到传感光纤19中，经传感光纤19反射回的传感光从环形器12的c端发出进入到偏振分束器14中，也分为两路光p光和s光；两个偏振分束器13、14中的p光和s光分别进入到两个2*2耦合器15、16中进行拍频干涉，最后的干涉光被光电探测器17、18探测并经数据采集卡22进行数模转换后输出时域信号并传到上位机23中，分析传感光纤19的应变情况。最后，射偏连接线24是为了将工作时可调谐激光器1的发出的电信号作为触发信号，触发数据采集卡22的采集工作。需要说明的是，当对本发明进行验证时，可以通过位移台20控制传感光纤19的形变，从而向传感光纤的特定位置施加特定大小的应变力。

由于传统技术中在上位机进行数据处理时的数据多、计算量大，应变分析速度较慢、从而影响应变解调的速度。基于此，本发明提出以下技术方案。

如图2所示为本发明一实施例中的基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量方法的步骤流程图，其主要包括步骤S100～步骤S400，以下，对各步骤进行说明。

步骤S100：获取光频域反射仪输出的时域信号，时域信号分为未向传感光纤施加应变得到的参考信号和传感光纤在实际环境中得到的测试信号，传感光纤为增强强度倍数为a的后向散射增强光纤。

其中，选用的传感光纤为后向散射增强光纤，具体可以利用紫外曝光的方式对标准单模光纤进行连续曝光处理，得到后向散射增强光纤，使得光纤的后向瑞利散射信号大大增强，提高了系统的信噪比和测量灵敏度。相对于处理前的标准单模光纤，处理后得到的后向散射增强光纤的散射增强的强度为处理前的标准单模光纤的a倍，a的取值可在制作后向散射增强光纤时根据具体需求调整。相比于标准单模光纤，后向散射增强光纤的反射率更高，因此导致RBS信号的强度更高，从而具有更好的信噪比、灵敏度。在一具体的实施例中，传感光纤可以为周期性后向散射增强的单模光纤，即，后向散射呈现周期性增强。如图3所示为后向散射增强光纤的结构示意图，大圆圈表示的后向散射增强光纤的散射点，小圆圈表示的标准单模光纤的散射点。后向散射增强光纤的反射率远高于标准单模光纤的反射率，在设计后向散射增强光纤时，增强强度倍数a的范围为10

利用光频域反射仪测量所选传感光纤下输出的时域信号，本发明除需要测量实际环境中传感光纤实际输出的测试信号外，还需要测定一组参考信号，即以无应变的传感光纤下对应的时域信号作为参考信号。后面基于参考信号和测试信号的数据处理得到待测传感光纤的应变。需要说明的是，获取参考信号和测试信号所用的传感光纤为同一种结构的光纤，只是其应变力不同。

步骤S200：分别基于参考信号和测试信号进行特征提取，得到传感光纤的不同窗口位置的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段。

其中，时域信号为参考信号时获取参考局部特征数据段和时域信号为测试信号时获取测试局部特征数据段的过程相同，如图4所示，均包含以下子步骤：

步骤S210：对时域信号做傅里叶变换处理，得到光频域信号。

步骤S220：将光频域信号转换为距离域信号。

其中，距离域信号是随距离变化的信号，该距离指的是传感光纤上某一点的位置距离传感光纤起始端点的距离。距离域信号和光频域信号之间的转换关系为：

其中，z为距离，f表示拍频频率，c为光速，n为折射率，γ为激光器的扫频速率。

步骤S230：对距离域信号滑动窗口以截取传感光纤在对应窗口位置处的距离域窗口信号。

设定滑动窗口的长度为h，频点数量与距离是相应的，可以以频点数表示距离，因此可以以频点数表示窗口长度。在一实施例中，可以直接从距离域信号截取长度为h的信号作为距离域窗口信号。在另一实施例中，也可以先从距离域信号截取长度为h的信号后再通过末端补零的方式将长度为h的窗口大小扩展至N，得到最终的距离域窗口信号，其中，h的范围为200

步骤S240：对距离域窗口信号做短时傅里叶变换，得到光波长域窗口信号。

对每一段距离域窗口信号做短时傅里叶变换，得到相应的光波长域窗口信号，此时局部的距离域窗口信号和局部的光波长域信号段的宽度都为N。

步骤S250：对光波长域窗口信号的幅值进行归一化处理，得到光波长域归一化窗口信号。

其中，归一化后，信号的幅值信息均转换到区间[0,1]内。

如图5(a)图所示，参考信号为应变0με、测试信号为应变4000με时的波长域信息结果，其中数据段的长度N＝5000。此时的参考信号和测试信号均做了归一化处理，最高峰值点转换为1。

步骤S260：将光波长域归一化窗口信号的幅值分为a等分，形成a个幅值区间。

可以理解的，此处的a为整数。

将光波长域归一化窗口信号的幅值分为a等分，形成a个幅值区间，分别为[0，1/a),[1/a，2/a)，……(1-1/a，1]，可以统计每个幅值区间内对应的频点数，做成幅值分布统计直方图，如图5(b)所示，其中，纵轴表示各个区间中数据的分布频数。以a＝20为例，将数据分成了20份等区间。可以看出[0，1/a)幅值区间内的频点数高达4500以上，而其中(1/a，1)部分的19份区间(虚线框中的条形柱)的频点数极少，对(1/a，1)部分的19份区间进行放大，可以看到大部分数据的频点数均小于50。具体的，针对参考数据，其每个区间的频数可以分别记为N

步骤S270：统计后a-1个幅值区间的总分布频点数，作为数据段长度M。

通过分析发现，通过上述方式划分幅值区间后，第一个幅值区间[0，1/a)中频点数比重很大但是其特征信息对应变分析影响不大，因此会造成大量冗余计算，因此，设置该幅值区间内的频点，只统计后a-1个幅值区间的总分布频点数作为数据段长度M。以a＝20为例，将数据分成了20份等区间，只统计(1/a，1)部分的19份区间的总频点数，作为数据段长度M。针对参考信号，记得到的数据段长度为M

步骤S280：以光波长域归一化窗口信号的幅值最高峰为中心，截取M个频点，形成对应的局部特征数据段。

在确定有效数据段长度后，再从光波长域归一化窗口信号中取长度为M的信号片段作为后续分析偏移量的数据。具体的，以光波长域归一化窗口信号的最高峰对应的频点为中心，左右各取相同数量的频点，形成长度为M的局部特征数据段。需要说明的是，当M为奇数时，可以以第(M+1)/2个频点为中心，两边各取(M-1)/2个频点；当M为偶数时，可以以第M/2个频点作为中心，左边取M/2个频点，右边取M/2-1个频点，或者，以第M/2-1个频点作为中心，左边取M/2-1个频点，右边取M/2个频点。如图6所示，以M

步骤S300：对同一窗口位置的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段进行匹配计算，得到对应窗口位置处的参考信号和测试信号的波长偏移量。

在步骤S200中，先通过滑动窗口确定传感光纤上某一段位置处的距离域窗口信号，然后经过数据处理得到对应的光波长域归一化窗口信号，随之再截取其中长度为M的有效数据，得到局部特征数据段，因此，基于同一滑动窗口(即同一段位置处)的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段进行分析得到的波长偏移量，为传感光纤再对应该滑动窗口位置处的波长偏移量。

在一实施例中，计算同一窗口位置处的参考信号和测试信号的波长偏移量的过程包括：

步骤S310：当M

比较参考局部特征数据段M

步骤S320：对参考局部特征数据段和测试局部特征数据段做互相关处理，计算互相关的峰值对应的偏移频点数d

对新的参考数据和测试数据段M'

步骤S330：计算参考局部特征数据段最高峰和测试局部特征数据段最高峰之间的偏移频点数d

匹配计算两组数据的最高峰P

步骤S340：对波长偏移量ws

计算参考数据和测试数据之间的最终匹配计算的波长偏移量为：wavelength_shift＝ws

具体的，波长偏移量wavelength_shift与扫频范围ΔF、偏移点数d

此外，当前每一个位置处解调应变时，计算数据量为2*M

步骤S400：基于不同窗口位置处的波长偏移量计算传感光纤的应变分布.

通过滑动窗口并重复上述步骤，得到传感光纤上每一处位置的波长偏移量，根据偏移量计算得到传感光纤上的分布式应变变化。其中，应变大小ε

ε

如图7表示的是传感光纤上的应变测量结果。经过局部特征自适应提取和匹配计算后，正确解调了4000με的应变，与施加在光纤上的应变大小一致，且该应变测量具有高空间分辨率、大应变测量和高应变精度的优点。

相应的，本发明还涉及一种基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量装置，其包括数据处理系统，如图8所示，数据处理系统包括特征提取单元、波长偏移量计算单元和应变分布计算单元。其中，特征提取单元用于基于光频域反射仪输出的时域信号进行特征提取，得到传感光纤的不同窗口位置的局部特征数据段。波长偏移量计算单元用于在获取到参考局部特征数据段和测试局部特征数据段后，对同一窗口位置的参考局部特征数据段和测试局部特征数据段进行匹配计算，得到对应窗口位置处的参考信号和测试信号的波长偏移量，其中，参考局部特征数据段为时域信号为参考信号时通过特征提取单元得到的局部特征数据段，测试局部特征数据段为时域信号为测试信号时通过特征提取单元得到的局部特征数据段。应变分布计算单元用于基于不同窗口位置处的波长偏移量计算传感光纤的应变分布。当进行OFDR应变测量时，将光频域反射仪输出的参考信号和测试信号分别输入特征提取单元，分别得到参考局部特征数据段和测试局部特征数据段，然后再通过波长偏移量计算单元计算每处窗口位置处的参考信号和测试信号的波长偏移量，最后再通过应变分布计算单元基于不同窗口位置处的波长偏移量计算传感光纤的应变分布。

其中，特征提取单元包括：

傅里叶变换子单元，用于对所输入的时域信号做傅里叶变换处理，得到光频域信号；

距离域转换子单元，用于将光频域信号转换为距离域信号；

窗口截取子单元，用于对距离域信号滑动窗口以截取传感光纤在对应窗口位置处的距离域窗口信号；

短时傅里叶变换子单元，用于对距离域窗口信号做短时傅里叶变换，得到光波长域窗口信号；

归一化处理子单元，用于对光波长域窗口信号的幅值进行归一化处理，得到光波长域归一化窗口信号；

幅值划分子单元，用于将光波长域归一化窗口信号的幅值分为a等分，形成a个幅值区间；

数据段长度计算子单元，用于统计后a-1个幅值区间的总分布频点数，作为数据段长度M；

局部特征数据段输出子单元，用于以光波长域归一化窗口信号的幅值最高峰为中心，截取M个频点，形成对应的局部特征数据段。

具体的，上述数据处理系统可以位于上位机内，该基于后向散射增强光纤的快速OFDR应变测量装置还包括光频域反射仪和传感光纤，所述传感光纤为增强强度倍数为a的后向散射增强光纤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。