关键词:
光频域反射技术
压缩感知
瑞利散射
振动
应变测量
摘要:
分布式光纤传感技术在过去几十年里由于其独特的性能及应用价值在世界范围内引起了广泛的关注。分布式光纤传感器以光纤作为媒介进行传输和传感,可以实现对光纤沿线温度、振动、应变等环境量的时间和空间测量。与传统的电传感器相比,分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高以及成本低等优良特性。其中,基于瑞利散射的分布式光频域反射技术(Optical frequency domain reflectometry,OFDR)由于其灵敏度高和空间分辨率高等特性,在航天航空、健康医疗、高精密仪器检测等领域具有着广阔的应用前景并受到了国内外研究学者的大量关注和研究。但目前基于OFDR的分布式光纤传感技术仍然存在着许多问题和挑战,限制了其应用领域范围。如可调谐激光器的调谐速度和振动频率响应范围之间的矛盾,光纤传感距离与空间分辨率之间的矛盾以及大应变拉伸导致参考信号和测量信号空间失配而难以实现高空间分辨率大应变测量等问题。本文针对上述问题,对OFDR分布式光纤传感系统开展了一系列的研究及实验验证工作,本文的主要研究内容如下:(1)梳理了国内外基于瑞利散射的OFDR分布式光纤传感技术在传感距离、空间分辨率、应变测量范围、振动传感、非线性误差补偿等方面的研究进展,分析了OFDR分布式光纤传感理论模型,建立了基于OFDR分布式光纤传感测量实验平台,为后续的实验研究提供理论支撑。(2)针对可调谐激光器的调谐速度和振动频率响应之间的矛盾,以时间分辨技术为基础,提出了基于压缩感知技术的高频稀疏振动信号测量的OFDR分布式光纤振动传感系统,采用时分多频采样的方式对振动信号进行亚奈奎斯特采样并结合压缩感知理论对振动信号进行重构,在40nm/s的调谐速度下实现了200Hz的振动信号测量。(3)为了防止实际振动测量应用中参考信号受环境影响而降低测量结果的准确性,提出了基于保偏光纤的单次振动测量方法,不再需要对参考信号进行采集,只需要采集测量信号并通过自相关分析自相关结果产生的边锋位移情况即可获取光纤沿线的振动信号信息。同时,提出了基于滑动时间选通的振动信号测量技术,通过降低采样点之间的采样时间而提升采样系统的有效采样率,从而达到提升最大频率响应范围的目的,相比于传统的时间分辨技术,采用滑动时间选通技术可将单次测量的最大频率响应范围提升4倍。(4)针对光纤传感距离与空间分辨率之间的矛盾问题,提出了基于图像处理技术的OFDR分布式光纤传感技术,将互相关处理得到的信息以传感距离和频谱偏移信息为轴构造二维图像或二维矩阵信息,并对构造的图像信息采用二维图像处理技术进行处理。之后获得的光纤沿线应变梯度信息。通过采用二维图像处理技术,可以将由随机噪声等因素产生的异常信息消除,提升OFDR传感系统测量的准确度。实验研究表面,与传统的处理方法相比,采用图像处理技术可以在52m的传感光纤上实现1.3mm空间分辨率的分布式应变测量。(5)针对大应变拉伸导致参考信号和测量信号空间失配而难以实现高空间分辨率大应变测量问题,本论文首先采用二维图像处理技术平滑由空间失配导致的互相关结果产生的异常点,可以有效的实现对大应变梯度信息的识别和分析,采用图像处理技术,可以实现4mm空间分辨率7000με的分布式应变测量。为了进一步提升系统的空间分辨率和应变测量范围,本论文再次提出了距离域补偿的方法,将互相关结果产生的谱偏移信息转换到距离域长度,并对参考信号进行补偿,从而提升参考信号和测量信号的相似度。与传统的处理方法相比,采用距离域补偿方法可以实现2mm空间分辨率10000με的分布式应变测量,极大的提升了 OFDR系统的性能参数,拓宽了 OFDR系统的应用范围。综上所述,本文主要研究基于瑞利散射的OFDR分布式光纤传感系统性能的提升,通过分析关键参数的主要限制因素,找寻可提升系统性能的方法,为高性能的OFDR分布式光纤传感系统研究提供了新思路。