[go: up one dir, main page]

CN108896274B - 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法 - Google Patents

一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108896274B
CN108896274B CN201810610348.0A CN201810610348A CN108896274B CN 108896274 B CN108896274 B CN 108896274B CN 201810610348 A CN201810610348 A CN 201810610348A CN 108896274 B CN108896274 B CN 108896274B
Authority
CN
China
Prior art keywords
subset
rayleigh scattering
subsets
scattering spectrum
subset window
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810610348.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108896274A (zh
Inventor
武湛君
锁刘佳
赵士元
马书义
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201810610348.0A priority Critical patent/CN108896274B/zh
Publication of CN108896274A publication Critical patent/CN108896274A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108896274B publication Critical patent/CN108896274B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/3109—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR
    • G01M11/3136—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR for testing of multiple fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法，该方法可以通过噪声方差及瑞利散射谱品质因素两个参数有效地指导用户对子集窗的大小进行最优选取，主要采用互相关分析计算参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱之间的偏移量，从而得到被测光纤中的应变信息，其中用于互相关计算的两组瑞利散射谱子集的长度通常是由用户基于经验定义的子集窗，而该子集窗对互相关计算的可靠性及应变测量的精度有着关键性影响，合理地优化子集窗对提高互相关可靠性及应变计算精度可以起到重要的作用。

Description

一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域,尤其涉及一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法。
背景技术
光频域反射技术(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)是分布式光纤测量与传感技术中新兴的发展方向。较传统光时域反射方法(Optical Time DomainReflectometry,OTDR)，OFDR具有信噪比高，空间分辨率高，灵敏度高等特点。基于OFDR的分布式应变测量主要是通过互相关分析计算被测光纤中应变发生前后的瑞利散射谱偏移量，从而得到相应的应变信息。
在实际测量过程中，应变测量的精度受很多因素的影响，如信噪比的大小，子集窗的长度，插值函数的选择等。其中对于噪声的处理、插值函数的选择可以根据测量需求调整解调算法软件以满足用户对测量精度的需求。而对于子集窗长度的定义，通常由用户基于已有测量经验粗略地给出，而子集窗的长度对互相关计算的可靠性及应变测量的精度有着关键性影响。
一般来说，子集窗的长度越长，测量子集内包含的区别与其他子集的特征信息就越多，这样得到的互相关分析结果就越可靠。但是子集窗的长度越长，反应结构局部潜在应变信息的能力就越差，也就是应变测量准确性的下降。因此，基于以上两点的考虑，子集窗的长度选择应该在满足互相关计算可靠性的基础上越小越好。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法具体包括以下步骤：
S1：采用光频域反射计方式采集被测光纤中的瑞利散射谱信息，其中瑞利散射谱信息包括参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱；
S2：采用子集窗长度优化算法计算该组瑞利散射谱的子集窗长度；
S3：根据S2中得到的子集窗长度在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱进行截断，得到若干个距离域上的测量子集和参考子集；
S4：将S3得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换，此时测量子集和参考子集变换到谱域，谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析得到每组子集的频谱偏移量ΔF；
S5：将每组子集的频谱偏移量ΔF转换为被测光纤中的应变信息ε。
进一步的，所述参考瑞利散射谱的子集窗长度采用如下方式获取：
S21：计算当前瑞利散射谱中的噪声方差D(η)；
S22：根据所需的应变计算精度σ，通过品质因素Q的阈值计算公式计算Q的阈值；
S23：设置应变测量的空间分辨率为M，计算该光纤的子集数量子集窗长度初始值W＝M，子集窗扩展步长S＝1；
S24：对谱域上的瑞利散射谱数据进行傅里叶变换，用长度为W的子集窗在变换得到的距离域数据上截取K个子集；
S25：将每个子集进行补零至I个点的傅里叶逆变换，计算子集的信号强度梯度平方和和瑞利散射谱品质因素Q，其中其中δn＝gn+1-gn；
S26：判断当前子集窗长度下的品质因素Q是否超过设定阈值，如果超过阈值，则子集窗长度即为M；
如果未超过阈值，则子集窗长度为M+S，S＝S+1，重复进行S24、S25、S26直到品质因素Q超过设定阈值。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法，该方法可以通过噪声方差及瑞利散射谱品质因素两个参数有效地指导用户对子集窗的大小进行最优选取，主要采用互相关分析计算参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱之间的偏移量，从而得到被测光纤中的应变信息，其中用于互相关计算的两组瑞利散射谱子集的长度通常是由用户基于经验定义的子集窗，而该子集窗对互相关计算的可靠性及应变测量的精度有着关键性影响，合理地对子集窗长度进行优化选取对提高互相关可靠性及应变计算精度可以起到重要的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的原理图；
图2为本发明中光纤长度上子集窗扩展流程示意图；
图3为本发明中子集窗计算流程图；
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图3所示的一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法，具体包括以下步骤：
S1：采用光频域反射计方式采集被测光纤中的瑞利散射谱信息。瑞利散射谱数据包括参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱。参考瑞利散射谱是被测光纤在初始状态或无应力状态下采集的一组瑞利散射谱数据。测量瑞利散射谱是被测光纤在受应力状态下采集的一组瑞利散射谱数据。
S2：采用子集窗长度优化算法计算上述参考瑞利散射谱的最优子集窗长度。具体包括以下步骤：
子集窗长度的优化算法主要通过当前瑞利散射谱中的噪声方差D(η)及定义一个所需的应变计算精度σ，通过公式求得所需的瑞利散射谱品质因素Q的阈值，进而通过品质因素Q的计算公式得到最优子集窗长度N，具体计算流程如下：
(1)计算噪声方差D(η)；
(2)根据所需的应变计算精度σ，通过品质因素Q的阈值计算公式计算Q的阈值；
(3)设置测量的空间分辨率为M，计算该光纤的子集数量子集窗长度初始值W＝M，子集窗扩展步长S＝1；
(4)对谱域上的瑞利散射谱数据进行傅里叶变换，用长度为W的子集窗在变换得到的距离域数据上截取K个子集；
(5)将每个子集进行补零至I个点的傅里叶逆变换，计算子集的信号强度梯度平方和及其中δn＝gn+1-gn，Q为定义为瑞利散射谱品质因素；
(6)判断当前子集窗长度下的品质因素Q是否超过阈值。如果超过阈值，子集窗长度即为M；未超过阈值，子集窗长度为M+S，S＝S+1，重复进行步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)的计算直到品质因素Q超过设定阈值。
S3：根据S2中得到的子集窗长度在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱进行截断，得到若干个距离域上的测量子集和参考子集；
S4：将S3得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换，此时测量子集和参考子集变换到谱域，谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析得到每组子集的频谱偏移量ΔF；
S5：将S4中每组子集的频谱偏移量ΔF通过公式ε＝ΔF/K，转换为最终的各子集的应变信息，其中K为光纤应变灵敏度系数。
实施例：
第一步，采用图1示的光频域反射计OFDR采集一组被测光纤长度为22米的参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱，光源扫描波长范围10nm，扫描速率20nm/s，数据长度为3000000。
第二步，计算该组瑞利散射谱的最优子集窗长度。
S21：计算得到该组瑞利散射谱信号的噪声方差D(η)＝4；
S22：设定所需的应变计算精度σ＝0.05，通过理论模型公式计算品质因素Q＝1.2×106，并设置为阈值；
S23：设置空间分辨率M＝300，被测光纤共包含K＝1350个子集。设置子集窗长度初始值W＝300，扩展步长S＝20，截止子集窗长度W＝500；
S24：对瑞利散射谱数据进行傅里叶变换(FFT)，数据从谱域转换到距离域，按子集窗长度W＝300截取K＝1350个子集；
S25：将各子集数据进行傅里叶逆变换(IFFT)并补零至1000个点，计算当前子集窗长度下的品质因素Q＝7.89×104；
S26：判断当前子集窗长度W＝300下的品质因素Q未超过阈值，子集窗长度为W＝320，重复进行S24、S25和S26，最终确定子集窗长度为340。
步骤三，依据步骤二中得到的子集窗长度340在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱进行截断。
步骤四，将步骤三中得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换，此时测量子集和参考子集变换到谱域。谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析，得到每组子集的频谱偏移量ΔF。
步骤五，步骤四中每组子集的频谱偏移量ΔF通过公式ε＝ΔF/K，K为光纤应变灵敏度系数，转换为最终的各子集的应变信息ε。
表1给出了实施例过程中用公式计算得到的瑞利散射谱数据在不同子集窗长度下计算得到品质因素Q。表2给出了在不同应变计算精度要求下用公式计算得到的品质因素Q的阈值，以及对应的所需子集窗长度。
表1实验中瑞利散射谱信号在不同子集窗长度下计算所得的品质因素Q
表2在不同应变计算精度下品质因素Q阈值及对应的子集窗长度
计算精度δ Q阈值 子集窗长度
0.01 3e6 /
0.02 7.5e5 /
0.03 3.33e5 500
0.04 1.87e5 420
0.05 1.2e5 340
0.06 8.3e4 320
0.07 6.1e4 300
0.08 4.7e4 300
0.09 3.7e4 300
0.1 3e4 300
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采用光频域反射计方法采集被测光纤中的瑞利散射谱信息，其中瑞利散射谱信息包括参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱；
S2：采用子集窗长度优化算法计算该组瑞利散射谱的子集窗长度；
S3：根据S2中得到的子集窗长度在距离域上对测量瑞利散射谱和参考瑞利散射谱进行截断，得到若干个距离域上的测量子集和参考子集；
S4：将S3得到的距离域上的测量子集和参考子集进行逆傅立叶变换，此时测量子集和参考子集变换到谱域，对谱域上的各组测量子集和参考子集进行互相关分析得到每组子集的频谱偏移量ΔF；
S5：将每组子集的频谱偏移量ΔF转换为被测光纤中的应变信息ε；
所述参考瑞利散射谱的子集窗长度采用如下方式获取：
S21：计算当前瑞利散射谱中的噪声方差D(η)；
S22：根据所需的应变计算精度σ(ε)，通过公式计算瑞利散射谱品质因子阈值Qt；
S23：设置应变测量的空间分辨率为M，计算该光纤的子集数量子集窗长度初始值W＝M，子集窗扩展步长S＝1；
S24：对谱域上的瑞利散射谱数据进行傅里叶变换，用长度为W的子集窗在变换得到的距离域数据上截取K个子集；
S25：将每个子集进行补零至I个点的傅里叶逆变换，计算子集的信号强度梯度平方和和瑞利散射谱品质因素Q，其中其中δn＝gn+1-gn；
S26：判断当前子集窗长度下的品质因子Q是否超过阈值Qt，如果超过阈值Qt，则子集窗长度即为M；
如果未超过阈值Qt，则子集窗长度为W＝M+S，并令S＝S+1，重复进行步骤S24、S25、S26直到品质因子Q超过阈值。
CN201810610348.0A 2018-06-14 2018-06-14 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法 Active CN108896274B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810610348.0A CN108896274B (zh) 2018-06-14 2018-06-14 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810610348.0A CN108896274B (zh) 2018-06-14 2018-06-14 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108896274A CN108896274A (zh) 2018-11-27
CN108896274B true CN108896274B (zh) 2019-12-27

Family

ID=64344828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810610348.0A Active CN108896274B (zh) 2018-06-14 2018-06-14 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108896274B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111579048B (zh) * 2020-05-12 2021-07-16 山东大学 一种基于滑动时间选通的ofdr系统振动检测方法
WO2022044174A1 (ja) * 2020-08-26 2022-03-03 日本電信電話株式会社 振動分布測定装置及びその方法
CN113218320B (zh) * 2021-05-06 2022-01-28 山东大学 一种基于距离域补偿的ofdr大应变测量方法
CN114838745B (zh) * 2022-05-19 2023-02-28 大连理工大学 一种单数据通道多光路并行传感方法及系统
CN115950372B (zh) * 2023-03-13 2023-06-30 山东省科学院激光研究所 一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法
CN117168337B (zh) * 2023-07-04 2024-06-04 哈尔滨工业大学 Ofdr应变边缘优化方法及测量方法
CN116952150B (zh) * 2023-07-04 2025-02-25 哈尔滨工业大学 应变值测量方法、ofdr应变测量方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105021275A (zh) * 2015-07-15 2015-11-04 吉林大学 基于时域动态特性分析的车内声品质预测方法
CN105466349A (zh) * 2016-01-18 2016-04-06 天津大学 一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法
CN105783999A (zh) * 2016-04-27 2016-07-20 天津大学 一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法
WO2017077257A1 (fr) * 2015-11-06 2017-05-11 Febus Optics Dispositif optoelectronique de mesure repartie par diffusion brillouin
CN106895790A (zh) * 2017-03-28 2017-06-27 天津大学 一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法
CN107101658A (zh) * 2017-05-24 2017-08-29 上海大学 相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统快速定位方法
CN107328429A (zh) * 2017-08-09 2017-11-07 武汉隽龙科技股份有限公司 光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置及方法
CN107356275A (zh) * 2017-06-12 2017-11-17 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法
CN107515017A (zh) * 2017-07-20 2017-12-26 北京航天控制仪器研究所 一种光波移频调制的光频域反射计
CN107782530A (zh) * 2017-09-11 2018-03-09 北京航天控制仪器研究所 分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法、装置及介质

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100200743A1 (en) * 2009-02-09 2010-08-12 Larry Dale Forster Well collision avoidance using distributed acoustic sensing

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105021275A (zh) * 2015-07-15 2015-11-04 吉林大学 基于时域动态特性分析的车内声品质预测方法
WO2017077257A1 (fr) * 2015-11-06 2017-05-11 Febus Optics Dispositif optoelectronique de mesure repartie par diffusion brillouin
CN105466349A (zh) * 2016-01-18 2016-04-06 天津大学 一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法
CN105783999A (zh) * 2016-04-27 2016-07-20 天津大学 一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法
CN106895790A (zh) * 2017-03-28 2017-06-27 天津大学 一种光频域反射中提升分布式光纤传感分辨率方法
CN107101658A (zh) * 2017-05-24 2017-08-29 上海大学 相位敏感光时域反射分布式光纤传感系统快速定位方法
CN107356275A (zh) * 2017-06-12 2017-11-17 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法
CN107515017A (zh) * 2017-07-20 2017-12-26 北京航天控制仪器研究所 一种光波移频调制的光频域反射计
CN107328429A (zh) * 2017-08-09 2017-11-07 武汉隽龙科技股份有限公司 光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置及方法
CN107782530A (zh) * 2017-09-11 2018-03-09 北京航天控制仪器研究所 分布式光纤传感系统光纤断裂监测定位方法、装置及介质

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于光频域反射技术的光纤连续分布式定位应变传感;刘琨等;《中国激光》;20150531;第42卷(第5期);第0505006-1-7页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108896274A (zh) 2018-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108896274B (zh) 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法
CN106197970B (zh) 一种基于优化张紧弦模型的桥索监测方法及系统
CN103487074B (zh) 利用三点寻峰算法处理fbg传感信号的方法
CN107490397B (zh) 高精度自适应滤波fbg光谱快速寻峰方法
CN101586997A (zh) 一种拉索振动基频的计算方法
CN105841723B (zh) 基于小波奇异性检测的fbg传感解调寻峰方法
CN105181152B (zh) 分布式布里渊散射光谱频移的计算方法
CN110596247B (zh) 一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法
CN104502071A (zh) 一种宽谱光源光谱分布函数和自相关函数的测量与构造方法
CN102927925A (zh) 基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法
CN110702042B (zh) 一种超声脉冲回波测厚中信号混叠条件下的厚度估算方法
CN105865371B (zh) 一种基于互相关计算的白光干涉显微轮廓复原方法
CN114034327B (zh) 基于稀疏采样和人工神经网络的布里渊散射信号测量方法
CN108917636B (zh) 一种基于子集窗自适应算法的分布式光纤应变解调方法
CN105004278B (zh) 基于分布传感和小波解析技术的实时基线及去噪处理方法
JP7464133B2 (ja) 振動分布測定装置及びその方法
CN103217385B (zh) 椭偏仪测量系统的随机误差评估方法
CN103669183B (zh) 路面平整度的时间序列模型
JP2015105909A (ja) 群遅延演算を用いたｏｆｄｒ方式光ファイバ計測方法及びそれを実施する装置
CN107104699B (zh) 一种分数域中低运算复杂度的最优阶数搜索的装置和方法
CN115876413A (zh) 基于加速度的移动车辆作用下桥梁位移估计方法
CN112992182B (zh) 车辆风噪水平测试系统及其测试方法
KR20190130103A (ko) 광학적 주파수 도메인 반사 측정기의 데이터 분산 처리 방법 및 이를 채용한 광학적 주파수 도메인 반사 측정기
CN110146276B (zh) 一种基于无线传感器的索力与抗弯刚度监测方法及系统
CN112268608A (zh) 一种强干扰dvs的高精度解调算法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant