[发明专利]一种基于自适应时延估计的光频域反射应变解调方法

说明书

发明提出了一种基于自适应时延估计的光频域反射应变解调方法，应用于基于光频域反射的应变解调。通过将距离域信号分段处理得到局部瑞利散射光谱，再利用自适应时延估计算法取代传统的互相关来估计参考信号和测试信号间由应变引起的光谱偏移量，从而获取光纤连续分布式的应变分布状况。经测试，本发明最小能够解调出200m测试光纤上1με大小的微应变，其空间分辨率10cm。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，主要介绍了一种基于自适应时延估计的光频域反射应变解调方法，应用于光频域反射。

背景技术

应变作为反应系统结构状态信息的重要参量，它对于结构强度测试，智能信息采集等具有重要意义。分布式光纤传感技术是一种集传输和传感于一体的，能够对整条链路上的物理量进行连续测量的传感技术，它凭借着其抗电磁干扰能力强、灵敏度高、体积小、空间分辨率高、测量范围广等一系列优点，被广泛运用于航天智能结构、材料加工、生物医学、油气管道泄漏检测等传感和检测领域。按照传感过程中定位方式的不同可以分为基于光学时域反射(OTDR)和基于光频域反射(OFDR)的光纤传感技术，目前，基于光学时域反射技术中的布里渊光时域反射仪(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)，可以实现亚米级空间分辨率，数十公里感应范围和静态/动态应变测量。而光纤干涉仪传感器，如MZI型和Sagnac环型，具有高灵敏度但低空间分辨率(通常为几十米)。然而，以上的分布式光纤应变传感器最小可测量应变通常限制在10με以上，因此这不能满足某些应用的高灵敏度要求。

光频域反射技术(OpticalFrequencyDomainReflectometry,OFDR)，作为分布式光纤传感的一种，OFDR技术将光纤中的瑞利散射看作一种随机的空间周期弱布拉格光栅，可用于分布式应力、温度传感。在解调算法方面，通过互相关来计算测量瑞利后向散射谱位移的方法在OFDR传感器系统中得到了广泛的应用，这种方法被称为瑞利散射光谱互相关法，然而，该算法在长距离的测试链路上，该算法的具有一定的局限性，在此基础上，本发明提出了一种新的应变解调方法，能够实现200m测试光纤上1με大小的应变测量，其空间分辨率10cm。

发明内容

本发明提出了一种基于自适应时延估计的光频域反射应变解调方法。其具体的实施步骤见下文描述：

第一步，利用OFDR系统进行两次传感测量，得到两组数据大小相同的拍频信号，一次在未施加应变时进行，作为参考组，一次在施加应力后进行，作为测量组。两组数据分别同时进行步骤2到4所述的数据处理过程。

第二步，对采集到的拍频信号进行快速傅里叶变换，将数据由光频域转换到距离域，即得到测试光纤中瑞利散射光强随距离变化的信号。

第三步，用一个固定长度的数据窗对得到的瑞利散射信号进行分段截取，由于截取后得到的信号正是该位置处的瑞利散射信号，所以数据窗的大小直接决定了系统的空间分辨率。

第四步，为了提高系统的应变分辨率，在得到的局部瑞利散射信号的末端补零，补零数的大小根据具体的测量系统来决定，之后进行快速傅里叶逆变换，得到该位置对应的局部瑞利散射光谱。

第四步，为了消除直流分量的影响，将得到的局部瑞利散射光谱减去其平均值，得到一个零均值的局部瑞利散射光谱。

第五步，经过以上四步，可以得到两组各个位置处的局部瑞利散射光谱，我们取参考组和测量组中对应位置处的瑞利散射信号，利用LMSTDE自适应时延估计算法对该位置处由应变引起的光谱偏移量进行估计：

该算法实际上是用一个抽头系数不断更新的横向滤波器来拟合两路信号的时延值，因此首先设置滤波器阶数P，权系数向量初值设置为w₀＝0，将测量信号作为滤波器的输入，参考信号作为滤波器的输出，并用公式(1)计算二者的误差系数：