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CN110375780B - Ofdr断纤续接测量的方法 - Google Patents

Ofdr断纤续接测量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种OFDR断纤续接测量的方法，包括步骤：在光纤传感区间首尾两端分别刻写第一光栅、第二光栅作为标识；光纤断裂前，采集该光纤OFDR曲线数据作为参考数据；断纤续接后，采集该光纤OFDR曲线数据作为待比对数据；根据光纤断裂位置，选取第一或第二光栅作为参考标识，从断裂附近位置开始，以光栅等长度窗口划分待比对数据，将参考光栅数据与各窗口数据进行离散互相关运算，相关函数值最大的窗口为偏移后光栅的大致位置；小范围移动上述窗口与参考光栅作互相关运算，相关系数大于设定值处为偏移后光栅的准确位置；根据参考光纤的相对位移，对原始传感区间数据进行补点，消除断纤续接造成的各传感点位置的偏移。

Description

OFDR断纤续接测量的方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体而言，涉及一种OFDR断纤续接测量的方法。
背景技术
伴随着光通信技术的发展，光纤传感技术逐渐形成并逐步取代传统的传感技术。光纤传感技术以光纤作为基本的传感元件，其传感灵敏度及测量精度在很大程度上取决于光信号分析技术。作为一种原理先进的光分析技术，OFDR(光频域反射)技术有效解决了OTDR技术空间分辨率与动态范围之间的矛盾，具有更高的测量空间分辨率和灵敏度，能广泛应用于土木工程、医学、航空航天、电力等领域的温度与应变传感。
应变测量是OFDR技术的主要传感功能之一。为保证测量结果的精准性，传感光纤应与待测结构紧密贴合，且尽可能减少中间介质，以提高应变传递效率，因此在大多数应变测试场景中，光纤是在没有其他材料保护的情况下进行传感的。由于施工环境的复杂，使用环境的恶劣，在埋设或服役的过程中，传感光纤极易出现断裂。熔接修复虽然能使光路恢复畅通，但是引起的光纤长度变化造成传感区间位置发生偏移。由于OFDR传感原理是将传感区间划分为多个窗口，每个窗口包含若干个位置的瑞丽信号点，由参考信号窗口和测量信号窗口互相关运算得到的瑞利散射光谱移动获取应变/温度变化值，这就要求两段信号窗口对应的物理位置完全一致。而每个瑞丽信号点对应的位置都是微米量级，微量的长度变化就会引起多个信号点位置的偏移，造成原有的参考不再适用，传感测量无法进行，尤其是在一些高空间分辨率(如1mm)传感测量中，这种影响更加明显。在连续多阶段监测中，光纤的断裂带来的测量终止，意味着整个监测过程的失败，浪费了大量的人力物力。
依据上述分析，想要在原有参考下继续传感测量，必须对恢复后的光纤作长度补偿。但光纤长度易受外界温度、应变等影响，以光纤尾端作为标识判断光纤长度变化并不具有准确性，亟待一种精准的长度补偿方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种OFDR断纤续接测量的方法，精准补偿OFDR传感测量光纤断裂续接后造成的长度偏差，以解决测量无法继续进行的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种OFDR断纤续接测量的方法，该方法包括以下步骤：
a.在光纤传感区间首尾两端分别刻写第一光栅、第二光栅作为标识；
b.光纤断裂前，配合OFDR装置，采集该光纤OFDR曲线数据作为参考数据；
c.断纤续接后，配合OFDR装置，采集该光纤OFDR曲线数据作为待比对数据；
d.根据光纤断裂位置，选取第一或第二光栅作为参考标识，从断裂附近位置开始，以光栅等长度窗口划分待比对数据，将OFDR装置采集到的参考光栅数据与各窗口数据进行离散互相关运算，相关函数值最大的窗口为偏移后光栅的大致位置；
e.小范围移动上述窗口与参考光栅作互相关运算，相关系数大于设定值处为偏移后光栅的准确位置；
f.根据参考光纤的相对位移，对原始传感区间数据进行补点，消除断纤续接造成的各传感点位置的偏移。
接上述技术方案，相关系数大于0.8处为偏移后光栅的准确位置。
接上述技术方案，所述第一、第二光栅为非互易弱反射光栅，几何形状非左右对称，两光栅形状不一致。
接上述技术方案，所述第一、第二光栅，反射率小于1％，其波长覆盖OFDR系统扫描波段。
接上述技术方案，光栅标识的选取由光纤断裂的位置决定，断裂处在第一光栅之前，选取第一光栅为标识光栅；断裂处在第一、第二光栅之间，选取第二光栅为标识光栅。
接上述技术方案，所述离散互相关运算的窗口长度与所述光栅长度相同。
接上述技术方案，窗口的小范围移动间隔由OFDR空间分辨率决定，量级为微米级别。
接上述技术方案，标识光栅的相对位移为各传感点位置的偏移。
本发明产生的有益效果是：本发明的OFDR断纤续接测量的方法将光栅作为标识，通过断纤前后光纤OFDR曲线的离散互相关运算，得到光栅位置的偏移。根据该偏移量在传感区间上补点，确保在参考不变的情况下，OFDR传感测量能继续准确进行。该方法有效避免了传感光纤断裂造成的测量中止，长度补偿精准度达微米级别，不影响测量精度，不受光纤长度变化的影响，完全满足恶劣工程环境中高精度测量的需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例OFDR断纤续接测量的方法的流程图；
图2是本发明实施例断裂在第一光栅之前，断裂前及断纤续接后，采集到的光纤OFDR曲线；
图3是本发明实施例第一光栅的OFDR曲线；
图4是本发明实施例第二光栅的OFDR曲线；
图5是本发明实施例断裂在第一、第二光栅之间，断裂前及断纤续接后，采集到的光纤OFDR曲线；
图6是本发明实施例判断光栅位置偏移过程中，离散互相关运算的结果。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的原理如下：
OFDR(光频域反射计)传感是以无应变温度影响下光纤中瑞利散射信号作为参考，通过测量信号相对于参考信号光谱的移动来获取应变或温度。分别采集参考状态下及测量状态下光纤的OFDR曲线，以选定传感区间起始点开始，将多个点组成的区域作为一个窗口划分整个传感区间，对参考信号及测量信号的对应窗口转换到波长域后做互相关运算，相关峰位置的移动代表了光谱的漂移。当光纤长度发生变化时，每个点的位置发生了偏移，测量信号中以相同起始点开始选取的窗口中的每一个点不再与参考信号对应，互相关运算失效。
光纤光栅对于特定波长的光具有反射特性，其OFDR曲线为明显且稳定的反射峰。以光栅作为标识，通过互相关运算得到续接后光栅位置的偏移为ΔL，则需要在传感区间段补点个数为：
Figure BDA0002147043140000041
其中，Δx为OFDR空间分辨率。补点后，断纤前后两传感区间首尾对齐，各窗口一一对应，传感继续进行，测量精度不受影响。
考虑到OFDR系统在测量中可能出现的一些问题，需要对标识光栅做一些限定。为避免光栅反射率过大造成的OFDR系统接收饱和，选用反射率小于1％的弱反射光栅；OFDR测量中会有一些信号的随机抖动，可将相关系数大于0.8作为判断续接前后光栅位置是否对齐的标准；考虑到断纤位置存在特殊性的可能，避免出现误判，保证离散互相关运算结果的唯一性，精准性，标识光栅选用非互易光栅，具有方向性，且前后两个光栅形状不一致。
本发明实施例OFDR断纤续接测量的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
a.在光纤传感区间首尾两端分别刻写第一光栅、第二光栅作为标识；
b.光纤断裂前，配合OFDR装置，采集该光纤OFDR曲线数据作为参考数据；
c.断纤续接后，配合OFDR装置，采集该光纤OFDR曲线数据作为待比对数据；
d.根据光纤断裂位置，选取第一或第二光栅作为参考标识，从断裂附近位置开始，以光栅等长度窗口划分待比对数据，将OFDR装置采集到的参考光栅数据与各窗口数据进行离散互相关运算，相关函数值最大的窗口为偏移后光栅的大致位置；
e.小范围移动上述窗口与参考光栅作互相关运算，相关系数大于设定值处为偏移后光栅的准确位置；
f.根据参考光纤的相对位移，对原始传感区间数据进行补点，消除断纤续接造成的各传感点位置的偏移。
进一步地，相关系数大于0.8处为偏移后光栅的准确位置。
进一步地，所述第一、第二光栅为非互易弱反射光栅，几何形状非左右对称，两光栅形状不一致。
进一步地，所述第一、第二光栅，反射率小于1％，其波长覆盖OFDR系统扫描波段。
进一步地，光栅标识的选取由光纤断裂的位置决定，断裂处在第一光栅之前，选取第一光栅为标识光栅；断裂处在第一、第二光栅之间，选取第二光栅为标识光栅。
进一步地，所述离散互相关运算的窗口长度与所述光栅长度相同。
进一步地，窗口的小范围移动间隔由OFDR空间分辨率决定，量级为微米级别。
进一步地，标识光栅的相对位移为各传感点位置的偏移。
本发明的一个实施例中，在传感区间首尾两端分别刻写第一光栅A、第二光栅B作为标识，两光栅中心波长均为1550nm，反射率约为10-4％，左右两段占比为3:2，OFDR采集系统空间分辨为20微米。两光栅OFDR曲线如图3及图4所示。第一及第二光栅分别位于传感光纤首尾0.58-0.59m及1.345-1.355m处。
光纤断裂前及断纤续接后，配合OFDR装置，采集光纤OFDR曲线数据，如图2所示，横坐标为距离，纵坐标为反射强度，光纤中间0.8-1.2m为选取的传感区间。
光纤断裂处在第一光栅之前，整段光纤向前平移。选取第一光栅作为标识。根据光栅长度为1cm，由断裂位置开始，以1cm长度为窗口，将断裂位置之后的反射数据划分为多个窗口，以光栅反射强度为参考与多个窗口数据做互相关运算。找到互相关函数最大值的窗口为偏移后光栅的初步位置，以20微米间距小范围移动光栅位置，直至光栅与该窗口反射强度互相关系数为0.88，得到光栅位置偏移0.204m。
OFDR装置的空间分辨率为20微米，根据光栅偏移值，由传感区间起始位置之前向前补10200个点，断纤前后两传感区间首尾完全对齐。
本发明的另一个实施例为断裂发生在第一、第二标识光栅之间，光纤断裂前及续接后OFDR装置采集到的曲线如图5所示。选取第二光栅为标识，断裂后续接使得光栅向前平移。根据光栅长度为1cm，由断裂位置开始，以1cm长度为窗口，将断裂位置之后的反射数据划分为多个窗口，以光栅反射强度为参考与多个窗口数据做互相关运算。找到相关函数最大值窗口为偏移后光栅的初步位置，以20微米间距小范围移动光栅位置，直至光栅与该窗口反射强度互相关系数为0.91，得到光栅位置偏移0.1988m。
OFDR装置的空间分辨率为20微米，根据光栅偏移值，由断裂位置向后补9994个点，断纤前后两传感区间首尾完全对齐。
综上，本发明的OFDR断纤续接测量的方法将光栅作为标识，通过断纤前后光纤OFDR曲线的离散互相关运算，得到光栅位置的偏移。根据该偏移量在传感区间上补点，确保在参考不变的情况下，OFDR传感测量能继续准确进行。该方法有效避免了传感光纤断裂造成的测量中止，长度补偿精准度达微米级别，不影响测量精度，不受光纤长度变化的影响，完全满足恶劣工程环境中高精度测量的需求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.在光纤传感区间首尾两端分别刻写第一光栅、第二光栅作为标识；
b.光纤断裂前，配合OFDR装置，采集光纤OFDR曲线数据作为参考数据；
c.断纤续接后，配合OFDR装置，采集光纤OFDR曲线数据作为待比对数据；
d.根据光纤断裂位置，选取第一或第二光栅作为参考标识光栅，从断裂附近位置开始，以光栅等长度窗口划分待比对数据，将OFDR装置采集到的参考标识光栅数据与各窗口数据进行离散互相关运算，相关函数值最大的窗口为偏移后光栅的大致位置；
e.移动各窗口与参考标识光栅作互相关运算，相关系数大于设定值处为偏移后光栅的准确位置；
f.根据参考光纤的相对位移，对原始传感区间数据进行补点，消除断纤续接造成的各传感点位置的偏移。
2.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，相关系数大于0.8处为偏移后光栅的准确位置。
3.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，所述第一、第二光栅为非互易弱反射光栅，几何形状非左右对称，两光栅形状不一致。
4.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，所述第一、第二光栅，反射率小于1%，其波长覆盖OFDR系统扫描波段。
5.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，光栅标识的选取由光纤断裂的位置决定，断裂处在第一光栅之前，选取第一光栅为参考标识光栅；断裂处在第一、第二光栅之间，选取第二光栅为参考标识光栅。
6.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，所述离散互相关运算的窗口长度与参考标识光栅长度相同。
7.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，窗口的小范围移动间隔由OFDR空间分辨率决定，量级为微米级别。
8.根据权利要求1所述的OFDR断纤续接测量的方法，其特征在于，标识光栅的相对位移为各传感点位置的偏移。
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Address after: 430074 room 02, 9 / F, building 1, SBI Chuangye street, Dongxin Road, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province

Applicant after: Wuhan Haoheng Technology Co.,Ltd.

Address before: No. 999, Gaoxin Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430074

Applicant before: WUHAN JUNNO TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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