[發明專利]基于光頻域反射高速分布式應變測量系統和方法

有效

• 申請號: 202110907914.6
• 申請日: 2021-08-09
• 公開（公告）號: CN113465528B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 丁振揚;潘銘;劉鐵根;劉琨;王晨歡;郭浩晗
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01L1/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種基于光頻域反射高速分布式應變測量方法，所采用的測量系統包括：可調諧激光器（1）、90：10保偏光分束器（4）、計算機（19）、USB控制線（20）、模數采集裝置（15）、基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置（22）和主干涉儀（21），其中，

基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置（22）包括：第一平衡探測器（2）、50：50耦合器（5）、延遲光纖（6）、第一法拉第轉鏡（7）、第二法拉第轉鏡（8）和第一環形器（9）；基于輔助干涉儀的時鐘觸發裝置（22）用于實現等光頻間距采樣，其目的是抑制光源的非線性掃描；

主干涉儀（21）包括：80：20保偏耦合器（3）、第二環形器（10）、光混合器（13）、第二平衡探測器（16）、第三平衡探測器（17）、參考臂（11）、測試臂（12）、拉伸位移臺（14）和傳感光纖（18）；

USB控制線（20）的輸出端與可調諧激光器（1）的輸入端相連；USB控制線（20）的輸入端與計算機（19）的輸出端相連；可調諧激光器（1）與90：10保偏光分束器（4）的a端口相連；90：10保偏光分束器（4）的b端口即10%分光口與第一環形器（9）的a端口相連；90：10保偏光分束器（4）的c端口即90%分光口與80：20保偏耦合器（3）的a端口相連；第一環形器（9）的b端口與50：50耦合器（5）的a端口相連；第一環形器（9）的c端口與第一平衡探測器（2）的輸入端相連； 50：50耦合器（5）的b端口與第一平衡探測器（2）的輸入端相連； 50：50耦合器（5）的c端口通過延遲光纖（6）與第一法拉第轉鏡（7）相連；50：50耦合器（5）的d端口與第二法拉第轉鏡（8）相連；第一平衡探測器（2）的輸出端與模數采集裝置（15）的輸入端相連；80：20保偏耦合器（3）的c端口即20%分光口通過參考臂（11）與光混合器（13）的輸入端a相連；80：20保偏耦合器（3）的d端口即80%分端口通過測試臂（12）與第二環形器（10）的a端口相連；第二環形器（10）的c端口與傳感光纖（18）相連；第二環形器（10）的b端口與光混合器（13）的輸入端b相連；光混合器（13）的輸出端c和輸出端d與第二平衡探測器（16）的兩個輸入端相連；光混合器（13）的輸出端e和輸出端f與第三平衡探測器（17）的兩個輸入端相連；第二平衡探測器（16）的輸出端與模數采集裝置（15）的輸入端相連；第三平衡探測器（17）的輸出端與模數采集裝置（15）的輸入端相連；模數采集裝置（15）的輸出端與計算機（19）的輸入端相連；

計算機（19）通過USB控制線（20）控制可調諧激光器（1）控制調諧速度、中心波長、調諧啟動；可調諧激光器（1）的出射光由90：10保偏光分束器（4）的a端口進入，并以10：90的比例從90：10保偏光分束器（4）的b端口經過第一環形器（9）進入50：50耦合器（5）的a端口，光從50：50耦合器（5）的a端口進入，從50：50耦合器（5）的c和d端口出射，分別被兩臂的第一法拉第轉鏡（7）和第二法拉第轉鏡（8）反射，返回到50：50耦合器（5）的c、d端口，兩束光在50：50耦合器（5）中發生干涉，從50：50耦合器（5）的b端口輸出；50：50耦合器（5）從b端口的出射光進入第一平衡探測器（2），第一平衡探測器（2）將探測到的光信號轉換為干涉拍頻信號傳輸至模數采集裝置（15），作為模數采集裝置（15）的外部時鐘信號；

可調諧激光器（1）的出射光由90：10保偏光分束器（4）的a端口進入，從90：10光分束器（4）的c端口即90%分光口進入80：20保偏耦合器（3）的a端口；經過80：20保偏耦合器（3）從c端口即20%分光口進入參考臂（11），從d端口80%分光口進入測試臂（12）上的第二環形器（10）的a端口；光從第二環形器（10）的a端口進入，從第二環形器（10）的c端口進入拉伸區（23）中的傳感光纖（18），而傳感光纖（18）的背向散射光從第二環形器（10）端口c端口進入，從第二環形器（10）端口b端口輸出；參考臂（11）中輸出的參考光進入光混合器（13）的a端口與第二環形器（10）端口b端口進入光混合器（13）的b端口的參考光進行合束，形成拍頻干涉；光混合器（13）通過c端口、d端口輸入到第二平衡探測器（16），第二平衡探測器（16）將探測到的光信號轉換為干涉拍頻信號傳輸至模數采集裝置（15）；光混合器（13）通過e端口、f端口輸入到第三平衡探測器（17），第三平衡探測器（17）將探測到的光信號轉換為干涉拍頻信號傳輸至模數采集裝置（15）；模數采集裝置（15）在輔助干涉儀的時鐘觸發裝置（22）形成的外部時鐘信號作用下將采集到的模擬電信號傳輸至計算機（19）；

可調諧激光器（1），為光頻域反射系統提供光源，其光頻能夠進行線性掃描；

第一環形器（9），用于防止輔助干涉儀中50：50耦合器（5）的b端口反射光進入激光器；

50：50耦合器（5），用于光干涉；

延遲光纖（6），用于實現非等臂的拍頻干涉，能夠根據拍頻和延遲光纖長度得到光頻；

拉伸位移臺（14），用于拉伸傳感光纖（18）使其產生可控的精密應變；

第一法拉第轉鏡（7）和第二法拉第轉鏡（8）用于為干涉儀提供反射，且能夠消除干涉儀的偏振衰落現象；

光混合器（13），用于對信號進行偏振分束，使參考光和測試光在偏振分束時兩個正交方向上光強基本一致，消除偏振衰落噪聲的影響，實現參考光和測試光的合束，形成拍頻干涉；

計算機（19），用于對模數采集裝置（15）采集的干涉信號進行數據處理，實現基于光頻域反射中利用長距離光纖光柵即傳感光纖（18）測量分布式光纖應力的光纖傳感；

基于光頻域反射高速分布式應變測量方法，包括如下步驟：

第一步，初始化：設置可調諧激光器的掃頻模式、初始波長、終止波長參數，將其掃頻模式設置為初始波長到終止波長即正向掃頻，終止波長再到初始波長即逆向掃頻的周期往返模式；初始化模數采集裝置的觸發方式、采集通道、數據大小參數；初始化計算機CPU的RAM和ROM，將RAM劃分為RAM1和RAM2，RAM1和RAM2的存儲空間大小根據單向掃頻一次所采集的數據量確定；初始化計算機GPU的參數，進行GPU內存參數的分配；

第二步，模數采集裝置在可調諧激光器的觸發下，由輔助干涉儀產生的時鐘信號觸發開始采集等頻率間隔的數據，模數采集裝置開始向CPU的RAM1中傳輸數據；當RAM1存儲空間存滿后，模數采集裝置向RAM2中傳輸數據，CPU將RAM1中的數據傳輸到GPU中進行傳感信息處理，這組數據作為正向掃頻參考數據，由可調諧激光器正向掃頻一次獲得；當RAM2存滿時，模數采集裝置向RAM1中傳輸數據，同時RAM2中的數據傳輸到GPU中作為逆向掃頻參考數據，由可調諧激光器逆向掃頻一次獲得；此兩次參考數據在整個數據處理過程中被存儲在GPU中，等到下一步各自的測量數據進入GPU中時進行計算；當RAM1再次存滿時，傳輸到GPU的RAM1數據為正向掃頻測量數據，當RAM2再次存滿時，傳輸到GPU的RAM2數據為逆向掃頻測量數據；由GPU并行計算處理數據的步驟中，相對于正向掃頻參考數據和正向掃頻測量數據的處理，逆向掃頻參考數據和逆向掃頻測量數據的處理除了在求互相關峰最大值位置需要取反之外，其他步驟與正向處理流程相同；

第三步，在GPU中，對正向掃頻參考數據和正向掃頻測量數據，按照可調諧激光器的掃頻長度被分成k段,對每段數據的處理流程相同；

第四步，數據類型強制轉換核函數：為了后面核函數的運算，對分段后進入GPU的參考數據和測量數據進行數據類型由short至float的強制轉換；

第五步，快速正向傅里葉變換庫函數：對經過數據轉換后的每段參考數據和測量數據進行正向快速傅里葉變換，變換后為沿光纖測試距離對應各個位置的復信號；

第六步，分段補零核函數：取分段的窗點數為N，每段數據的補零點為M，補零過程，將經過快速正向傅里葉變換后的每段參考數據和測量數據，各自被分成了每M+N點為一組的數據；

第七步，分段快速逆向傅里葉變換庫函數：將分段補零后的參考數據和測量數據各自每M+N個點進行快速逆向傅里葉變換，由距離域轉到頻域上復信號；

第八步，取幅值核函數：對第七步處理后的參考數據和測量數據取幅值；

第九步，規約去均值核函數，以去除參考數據和測量數據中的直流分量：GPU中核函數的執行需要用到線程塊和線程，每個線程對應著一個數據，一個線程塊由多個線程組成，經過上述第七步對兩組數據各自每組M+N個點進行提前的補零，使得每段成為塊中線程數目的整數倍；而后，將補零后的每一小段數據分成多個線程塊進行規約求和；每個線程塊中會得到一個結果，將每個小段數據中的多個結果再以循環的方式求和，即可得到每個小段的各自的和，將每個小段的數據減去平均數就得到了去完直流項的參考數據和測量數據；

第十步，互相關核函數，利用卷積定理將互相關算法變換為距離域的相乘進行計算：對第九步處理過后的參考數據和測量數據每M+N個點進行處理，首先，將參考數據每M+N個翻轉補零一倍；其次，對測試數據每M+N個補零一倍；而后同時對兩組數據做正向快速傅里葉變換，相乘，并對乘積結果進行逆向快速傅里葉變換；

第十一步：尋峰核函數：經過第十步的參考數據和測量數據各自對應的M+N個點一組做互相關運算，計算結束出現2*（M+N）個點，尋找每2*（M+N）個點峰值的位置，確定光頻域移動結果，將數據結果由GPU傳回CPU的ROM內存進行儲存，得到一次光纖上的應變信息；

對于分段后的每段數據，均按照第三步到第十一步的方式對分段后正向掃頻參考數據和正向掃頻測量數據進行處理，故一個RAM中存儲的數據可以得到k次應變信息；反向掃頻參考數據和反向掃頻測量數據也是按照按照第三步到第十一步的方式分成k段數據進行處理，只不過在第十一步尋峰時要對峰的最大值位置進行取反操作。

2.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，傳感光纖為瑞利散射增強光纖或連續光柵光纖。