以O(shè)SI設(shè)備為例說明OFDR技術(shù)傳感解調(diào)過程

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概述

OFDR技術(shù)通過獲得整根光纖瑞利散射信號進行分布式應(yīng)變溫度測量，具有高精度、高分辨、分布式等特點。本文以O(shè)SI設(shè)備為例說明OFDR技術(shù)傳感解調(diào)過程，并介紹了OSI設(shè)備后處理進階功能，此功能提供更多開放性和自由度，用戶可利用它重設(shè)空間分辨率和參考數(shù)據(jù)，進行更多數(shù)據(jù)分析。

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OFDR傳感解調(diào)過程

OFDR技術(shù)原理是掃頻光源結(jié)合相干探測技術(shù)，檢測光纖中背向瑞利散射信號，獲取整根光纖的瑞利散射分布信息，通過解調(diào)光纖中的瑞利散射頻譜移動（光纖長度方向上的伸縮），實現(xiàn)毫米/厘米級的應(yīng)變溫度分布測量。

(a)相干探測原理

（b）傳感解調(diào)原理

圖1OFDR技術(shù)原理

OSI設(shè)備傳感解調(diào)，在線測量過程如下：

1、取參考，用戶掃描獲得OFDR曲線，保存為一組參考數(shù)據(jù)。

2、當光纖施加載荷后，再次掃描獲得OFDR曲線，即傳感數(shù)據(jù)（下文中提及的原始數(shù)據(jù)）。

3、傳感解調(diào)、輸出結(jié)果。OSI設(shè)備根據(jù)預(yù)設(shè)的空間分辨率，自動解調(diào)計算獲得傳感結(jié)果，實時顯示距離-頻移/應(yīng)變/溫度分布曲線。

OFDR技術(shù)傳感解調(diào)過程如圖2所示。解調(diào)算法是按預(yù)設(shè)的移動窗截取參考數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)，兩者進行互相關(guān)計算，獲得此傳感單元的瑞利散射頻移，結(jié)合頻移量與應(yīng)變溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)得出應(yīng)變溫度值。對整根光纖的所有傳感單元逐一計算，即可得到隨距離變化的頻移/應(yīng)變/溫度分布曲線。

圖2 OFDR技術(shù)傳感解調(diào)過程

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原始數(shù)據(jù)后處理及優(yōu)勢

原始數(shù)據(jù)是指各種加載狀態(tài)下的OFDR曲線，包括零加載狀態(tài)和施加載荷的傳感數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)包含整根光纖的瑞利散射分布信息，用戶可借助OSI系統(tǒng)配套的后處理軟件（Post Sensing），將原始數(shù)據(jù)（.osi格式）處理成傳感結(jié)果（.txt格式），功能等同于上述OSI設(shè)備解調(diào)的第3步，得到距離-應(yīng)變/溫度分布曲線。

原始數(shù)據(jù)處理后得到的傳感結(jié)果與OSI系統(tǒng)在線測量的結(jié)果不沖突，用戶還可以重設(shè)空間分辨率和參考數(shù)據(jù)，相當于一次實驗獲得不同條件下的應(yīng)變溫度分布結(jié)果。具體優(yōu)勢如下：

1、重設(shè)空間分辨率

比如OSI設(shè)備測試懸臂梁，在其自由端施加200g的砝碼，空間分辨率設(shè)為1cm，在線測試，結(jié)果如圖3所示。測量時保存原始數(shù)據(jù)，借助Post Sensing軟件處理原始數(shù)據(jù)，可以得到各種空間分辨率下的應(yīng)變分布，圖4顯示1mm空間分辨率的應(yīng)變結(jié)果。

圖3OSI在線測量懸臂梁的應(yīng)變分布

（1cm空間分辨率）

圖4原始數(shù)據(jù)處理后的應(yīng)變分布

（1mm空間分辨率）

2、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)回放

借助后處理，用戶可以將逐級加載的測量結(jié)果保存至一個txt里，也可以進行數(shù)據(jù)回放，逐一觀察每個狀態(tài)下的分布結(jié)果，如下面的動圖所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)處理和回放的動圖

3、重設(shè)參考數(shù)據(jù)，分段進行數(shù)據(jù)分析

OFDR設(shè)備在線測量是基于一組固定的參考數(shù)據(jù)，測量加載后的變化量。而OSI后處理軟件可以選中任意一組.osi原始數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，也可以選擇待處理的原始數(shù)據(jù)的起始點位置和數(shù)量。

有時實驗過程中，如果光纖某位置出現(xiàn)大應(yīng)變梯度或者超應(yīng)變量程，此時相關(guān)傳感單元的參考數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)無相關(guān)性，導致OFDR設(shè)備解調(diào)顯示異常值。這類情況下，我們可以使用后處理功能分段進行數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)拼接，消除異常情況。

比如實驗全程應(yīng)變需加載至15000微應(yīng)變以上，在線測試是以零加載狀態(tài)為基準開始測量，然后逐級加載測試，當加載后的實際應(yīng)變超出OFDR設(shè)備的量程，實時顯示傳感結(jié)果異常。用戶可以繼續(xù)實驗并保存原始數(shù)據(jù)，通過后處理進行數(shù)據(jù)處理。后處理操作步驟如下：

1)選擇零加載的.osi原始數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，處理0~ 10000微應(yīng)變這段數(shù)據(jù)；

2)選擇10000微應(yīng)變的.osi原始數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，處理10000~ 15000微應(yīng)變這段數(shù)據(jù)；

3)將1）和2）兩段數(shù)據(jù)拼接，即可獲得0~15000微應(yīng)變的整個過程的傳感結(jié)果。

圖6大應(yīng)變范圍的后處理結(jié)果

備注：上述舉例中，為了避免加載過大、拉斷光纖，光纖應(yīng)變加載至約15000微應(yīng)變，某些光纖傳感器可測到30000微應(yīng)變。

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總結(jié)

本文以O(shè)SI設(shè)備為例說明OFDR技術(shù)的傳感解調(diào)原理和測試過程，并詳細介紹了OSI系統(tǒng)的后處理功能。OSI設(shè)備開放性設(shè)計，用戶可在OSI系統(tǒng)在線測量時保存原始數(shù)據(jù)，后續(xù)使用配套的PostSensing軟件，重設(shè)空間分辨率和參考數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和分析，解決某些測試難題。






審核編輯：劉清