一种基于光频梳的高精度动态光纤超大应变传感装置

：本发明属于光纤传感，具体涉及到一种基于光频梳的高精度动态光纤超大应变传感装置。

背景技术

0、背景技术：

1、1981年w.eickhoff等人提出的光频域反射仪(ofdr)分布式光纤传感技术是一种基于瑞利散射的相干检测方案，其基本原理与微波领域中调频连续波(fmcw)技术类似。1998年froggatt m等人提出了ofdr应变传感理论模型，并利用互相关应变解调算法解算出待测/传感光纤上的静态应变信息。进一步地，加快信号采集和解调的速度来进行连续多次的应变测量，就能知道光纤上的动态应变变化。这种基于ofdr的动态应变传感，能够解调出光纤所受到的外部扰动，并实时监测光纤动态应变信息。

2、在光频域应变传感领域中，光纤上施加应变会导致信号的光谱发生与应变大小成正比的漂移，如若探测很大的应变值(-5000με至15000με)，则需要参考信号具有较宽的光谱范围以保证漂移后的测量信号和参考信号能够进行互相关运算，即需要宽谱扫频激光器进行至少30nm的大范围扫频，一般而言，进行大范围扫频单次测量所需的时间会长达秒量级，无法实现对高频应变的响应；而若在保证测量距离的同时增加扫频速度以获得较高的响应频率，则实时数据量会十分庞大，对探测器件和数据处理而言是一个十分严峻的挑战。

3、经过对现有技术的检索发现，为了提高光频域光纤动态应变传感系统的空间分辨率、应变量限和应变频响，研究者们提出了多种光频域光纤动态应变传感装置和方法。2021年刘兆军等人通过在二维图像的基础上通过全变分去噪算法或小波去噪算法对图像进行去噪处理，再将处理后的图像进行下一步运算，能够在提高系统空间分辨率的同时，有效去除大应变测量结果的异常值，提高测量的准确性，实现高空间分辨率下的大应变测量(一种高空间分辨率下的ofdr大应变装置，cn202110491632.2)，这种方法可以有效提升应变量限，但无法同时获得较大的应变频响；2023年，孙琪真等人在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，并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(基于后向散射增强光纤的快速ofdr应变装置及装置cn115993095a)，这种方法保障了应变精度的同时，有效提升了ofdr系统的实时性，但高应变频响和大应变量限还是无法同时满足。

4、如今现有的技术在提升单一指标如测量距离和空间分辨率、应变测量范围和应变响应频率等都具有很好的效果，但由于上述性能指标之间往往存在相互制约的关系，现有的光纤分布式动态应变测量技术均存在的应变量限与应变响应频率相互制约的桎梏。

5、对于ofdr动态应变传感而言，应变频响主要取决于光源。使用高速小范围的扫频光源可以有效减小系统整体测量时间，提高系统应变频响。但在后期信号处理过程中，使用高速小范围扫频光源获得的信号的光谱范围很小，所以当空间分辨率很高时，它们互相关结果的精度较差。而若用作互相关的测量信号的光谱范围大，应变解调精度就高。因此在一次扫频时间内，如果能够同时获得大范围的测量信息，即需要多组不同波长的扫频光同时进行探测，就可以在保证应变频响的前提下，提升信号处理过程中应变解调的精度。针对这种情况，利用光频梳技术产生并行扫频光源成为了一种高效而经济的方式，因为通过调制后，光频梳每个频率分量都能具有相同的啁啾率，从而获得波长段不同，扫频范围和扫频速率相同的并行扫频光源。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明公开了一种基于光频梳的高精度动态光纤超大应变传感装置，由多源扫频模块1、复用辅助干涉仪模块2、复用主干涉仪模块3、并行探测采集模块4、多游标数据处理模块5组成；其特征是：在同步信号的控制下，通过多源扫频模块1向复用辅助干涉仪模块2、复用主干涉仪模块3切换输出经过波长控制103的宽谱扫频光110和线性扫频光频梳111两种问询光，同时复用辅助干涉仪模块2和复用主干涉仪模块3切换对应光路结构，产生的干涉信号接入并行探测采集模块4中进行探测采集，并在多游标数据处理模块5中进行数据处理并得到应变信息，可测量振动频率为fs，施加应变范围为±ε0的待测/传感光纤的应变信息。

2、所述的多源扫频模块1，其特征是：宽谱扫频光源101和线性扫频光频梳源102之间通过波长控制103，分别输出宽谱扫频光110和线性扫频光频梳111，第一光开关106为2×1光开关，第一光开关106的第一输入口104、第二输入口105分别与宽谱扫频光源101、线性扫频光频梳源102相连，第一光开关106输出口与第一耦合器107相连，第一耦合器107为1×2耦合器，第一耦合器107第一输出端108接入复用辅助干涉仪模块2，第一耦合器107第二输出端109接入复用主干涉仪模块3。

3、所述的宽谱扫频光110，其特征是：宽谱扫频光110扫频起始波长为λs，扫频终止波长为λe，扫频范围z1＝λe-λs。

4、所述的线性扫频光频梳111，其特征是：线性扫频光频梳111中心波长为λc，起始频率为ω0，重复频率为δω，可用频率通道为m，则第n个(1≤n≤m)频率通道的频率表示为ωn＝ω0+nδω，各频率通道均同时产生扫频信号扫频速率相等均为γ，扫频范围相等均为z2，满足z2≤δω且γ/z2≥fs。

5、所述的波长控制103，其特征是：对宽谱扫频光源101和线性扫频光频梳源102进行波长控制，使他们输出的宽谱扫频光110和线性扫频光频梳111之间的波长满足λs≤λn且λc≥λn，并且满足λe-λs≥0.78λcε0。

6、所述的复用辅助干涉仪模块2，其特征是：第二耦合器201为2×1耦合器，第三耦合器205为2×2耦合器，两个耦合器分光比均为50∶50，第二耦合器201连接第一耦合器107第一输出端110，第二耦合器201第二输出端202与延迟光纤204相连后，与第二耦合器201第一输出端203合束于第三耦合器205，第二光开关206为2×4光开关，第三耦合器205的两个输出端与第二光开关206两个输入端相连，第二光开关206的第一输出端207、第二输出端209分别与第一波分复用器208、第二波分复用器210相连后接入并行探测采集模块4中，第二光开关206的第三输出端211、第四输出端212分别与并行探测采集模块4相连。

7、所述的复用主干涉仪模块3，其特征是：第四耦合器301为2×1耦合器，第五耦合器308为2×2耦合器，两个耦合器分光比均为50∶50，第四耦合器301连接第一耦合器107第二输出端109，第四耦合器301第二输出端302与环形器304第一端口相连，环形器304第二端口与待测/传感光纤306相连，应变发生装置307嵌套于待测/传感光纤306的末端，工作时对待测/传感光纤306施加频率为fstrain，大小为ε0的应变，待测/传感光纤306产生的瑞利散射信号305由环形器304第二端口接入，从环形器304第三端口输出，并与第四耦合器301第一输出端303合束于第五耦合器308中，第三光开关309为2×4光开关，第五耦合器308的两个输出端与第三光开关309两个输入端相连，第三光开关309的第一输出端310、第二输出端312分别与第一波分复用器311、第二波分复用器313相连后接入并行探测采集模块4中，第三光开关309的第三输出端314、第四输出端315分别与并行探测采集模块4相连。

8、所述的并行探测采集模块4，其特征是：由复用辅助干涉仪模块2和复用主干涉仪模块3输入的光由平衡探测器阵列401探测，然后由采集卡进行402采集，最后进入信号处理器406进行信号处理，平衡探测器阵列光纤接口数为h，通道数为2h；采集卡402通道数为p，满足p≥6+2k且p≥2h，采集卡402带有第一触发口403、第二触发口404、第三触发口405三个触发口，第一触发口403、第二触发口404、第三触发口405分别与第一光开关106、第二光开关206、第三光开关309相连，并同步输出控制信号。

9、所述的多游标数据处理模块6，其特征是：控制与信号处理器501与采集卡402相连，控制采集卡402的第一触发口403、第二触发口404、第三触发口405三个触发口输出同步触发信号并接收信号，控制和信号处理流程如下步骤所示：

10、1)步骤一：装置进入校准过程502，此时应变发生装置307不工作，控制与信号处理器601控制采集卡402输出同步触发信号，使第一光开关106输出第一输出口104的光，第二光开关206输出第三输出口211、第四输出口212的光，第三光开关309输出第三输出口314、第四输出口315的光，在采集卡402采集到参考信号r，然后控制与信号处理器501控制采集卡402输出同步触发信号，使第一光开关106输出第二输出口105的光，第二光开关206输出第一输出口207、第二输出口209的光，第三光开关309输出第一输出口310、第二输出口312的光，在采集卡402采集到m组测量信号此时a值置为0(a＝0)，经由位置锁定后得到一组测量信号sa，然后经过光谱解调运算得到参考信号r和测量信号sa在光谱上的相对位置fref；

11、2)步骤二：装置进入传感过程503，保持采集卡402三个触发口的触发状态不变，开启应变发生装置307，并在采集卡402采集到m组测量信号此时a值数值加1，经由位置锁定后得到一组测量信号sa，经过光谱解调运算得到参考信号r和测量信号sa在光谱上的相对位置fsen；

12、3)步骤三：装置进入动态应变解调过程504，由步骤一得到的相对位置fref和步骤二得到的相对位置fsen解算得到待测/传感光纤306置于传感状态时测量信号的频率偏移量δf＝fref-fsen，进一步得到待测/传感光纤306的应变信息506；

13、4)步骤四：装置进入定时重新校准过程505，对a的数值进行监测，并重复步骤二至步骤四，直到测试停止或当a值等于b(b为传感次数)，当a＝b时，重复步骤一至步骤四。

14、所述的光谱解调运算，其特征是：光谱解调运算包括预处理、相位噪声补偿、位置偏差校正、傅里叶变换、散射信息滑动截取、逆傅里叶变换、光谱位置锁定和互相关等解调算法。

15、本发明提供了一种基于光频梳的高精度动态光纤超大应变传感装置。本发明利用宽谱扫频激光器保证了参考信号的光谱范围，再利用线性扫频光频梳作为大规模并行高速扫频光源以获取频率段不同的多组测量信号，大幅增加了测量信号的光谱范围，有效提升了互相关运算准确度。本装置可消除光频域光纤传感的速度和量程限制，在保证传感的高响应频率上限和大量程范围下，极大提升传感的精度。

16、ofdr应变测量原理基于光纤中的瑞利背向散射，瑞利背向散射的强度不仅取决于光纤的不均匀性，还取决于问询光束的波长。瑞利背向散射强度随问询光束的波长的变化可以用瑞利背向散射光谱表示，当光纤受到应变时，光纤的瑞利背向散射光谱将发生线性偏移，应变大小ε与偏移量δf相关：

17、

18、其中，f0代表问询光的中心频率。在传统的ofdr中，应变测量范围取决于可调谐光源的扫描范围，而频率响应则取决于可调谐光源的扫描重复频率。目前单一可调谐光源都无法兼顾宽扫描范围和高重复频率，而且宽扫描范围和高重复频率意味着扫描速率极高，这会大大增加信号采集的难度。

19、在传统的ofdr应变解调过程中，由于光纤的瑞利背向散射光谱具有随机性，需要先通过一次应变测量获得参考信号，在加载应变后，再进行一次应变测量，获得测量信号，频率偏移δf可由参考信号和测量信号进行互相关运算后获得。传统方法每次应变测量都需要扫描很宽的光谱范围，这也是限制频率响应的原因。

20、实际上，参考信号的瑞利背向散射光谱已经足够宽，可以实现大范围的应变解调。在本发明中，参考信号光谱范围等于宽谱扫频光的扫频范围：

21、z＝λe-λs            (2)

22、其中λs，λe为宽谱扫频光110的扫频起始波长和扫频终止波长。

23、则系统可测量的最大应变值ε0可表示为：

24、

25、其中λc为线性扫频光频梳111的中心波长。由式(3)可知，系统可测量的最大应变值与测量信号光谱范围无关。测量应变时所用光源的扫频宽度决定系统空间分辨率。由于光频梳具有梳齿间距严格等间距的特点，每个扫频梳齿在光谱上位置相对固定。本发明利用光频梳的这一特性，在解调待测器件应变信息时将多个频率通道经过信号处理后的光谱信息进行拼接，继而再与宽光谱范围的参考信号进行互相关运算，使系统等效空间分辨率大大提升，系统空间分辨率δs可表示为：

26、

27、其中z2为线性扫频光频梳111每个频率通道的扫频范围，c为光纤中的光速，m为线性扫频光频梳111可用频率通道数量。由式(3)可知，系统空间分辨率与线性扫频光频梳111的扫频范围和可用通道数有关，相比于单个快速调谐光源，使用线性扫频光频梳的系统空间分辨率能成倍提升。

28、本发明首先通过校准过程502确认测量信号相对于参考信号的光谱位置，即先对待测/传感光纤进行一次应变测试，通过得到的参考信号和拼接后的测量信号进行互相关运算得到光谱偏移量，进一步得到拼接后的测量信号的光谱位置fref，同理，通过传感过程503可以得到对待测/传感光纤施加应变后的测量信号光谱位置fsen，则实际对光纤施加应变后，测量信号的频率偏移量δf可以由两次过程得到的光谱位置计算得出：

29、δf＝fref-fsen          (5)

30、由式(1)和式(5)可得施加在待测/传感光纤的应变值εs：

31、

32、理想情况下，在测量过程中，只需要进行一次校准过程502，即可重复进行多次传感过程503。但是在实际操作过程中，由于光源处于长时间工作状态，多次传感过程中输出光的中心波长会产生偏移，这种偏移会直接影响应变测量准确性。因此，装置在连续测量的状态下，一方面需要对光源进行精准的波长控制103，另一方面需要进行定时重新校准过程505，以保证应变测量的准确性。

33、与现有技术相比，本发明的优点在于：

34、(1)本装置是一种兼顾高速、高精度、宽量限的分布式动态应变测量装置。本装置在保证了测量应变大量程范围的前提下，拥有高应变测量的精度、空间分辨率和应变响应频率。本装置利用多源扫频模块进行光纤应变测量。其中多源扫频模块包括一个宽谱激光器和线性扫频光频梳源作为大规模并行高速扫频光源，进而获得宽光谱的参考信号和多组测量信号，极大的增加了应变解调的信息量，提升了系统的整体应变精度；并且由于测量光源扫速很快，扫频时间很短，相比单宽谱扫频光源ofdr系统，应变响应频率很高。

35、(2)本装置同时兼顾了空间分辨率高与测量距离长的优点，具有超大的传感容量。本装置使用的测量问询光源利用光频梳和波分复用系统实现了不同频段的同时扫描，等效拓宽了光源的扫频范围，保证了系统较高的空间分辨率。并且使用的测量光源具有十分窄的线宽，即具有很长的相干长度，使系统具有很长的测量距离。

36、(3)本装置极大的降低了采集与探测的硬件成本。本装置灵活利用光频梳技术和波分复用系统，在保证系统等效扫频范围较大的前提下，有效降低了每个信道的信号带宽，极大的降低了采集与探测的硬件性能需求。

37、(4)本装置具有很高的灵活性。本系统使用的线性扫频光频梳源有效频率通道、重复频率、频率调制速度和频率调制范围等参数均可调节，适用于多种光纤动态应变测量的应用场景。