OFDR傳感解調(diào)過(guò)程和OSI后處理功能的介紹

01

概述

OFDR技術(shù)通過(guò)獲得整根光纖瑞利散射信號(hào)進(jìn)行分布式應(yīng)變溫度測(cè)量，具有高精度、高分辨、分布式等特點(diǎn)。本文以O(shè)SI設(shè)備為例說(shuō)明OFDR技術(shù)傳感解調(diào)過(guò)程，并介紹了OSI設(shè)備后處理進(jìn)階功能，此功能提供更多開(kāi)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(jìn)行更多數(shù)據(jù)分析。

02

OFDR傳感解調(diào)過(guò)程

OFDR技術(shù)原理是掃頻光源結(jié)合相干探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)光纖中背向瑞利散射信號(hào)，獲取整根光纖的瑞利散射分布信息，通過(guò)解調(diào)光纖中的瑞利散射頻譜移動(dòng)（光纖長(zhǎng)度方向上的伸縮），實(shí)現(xiàn)毫米/厘米級(jí)的應(yīng)變溫度分布測(cè)量。

(a)相干探測(cè)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(cè)量過(guò)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(dāng)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(dòng)解調(diào)計(jì)算獲得傳感結(jié)果，實(shí)時(shí)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(guò)程如圖2所示。解調(diào)算法是按預(yù)設(shè)的移動(dòng)窗截取參考數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)，兩者進(jìn)行互相關(guān)計(jì)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(duì)整根光纖的所有傳感單元逐一計(jì)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(guò)程

03

原始數(shù)據(jù)后處理及優(yōu)勢(shì)

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(cè)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(dāng)于一次實(shí)驗(yàn)獲得不同條件下的應(yīng)變溫度分布結(jié)果。具體優(yōu)勢(shì)如下：

1、重設(shè)空間分辨率

比如OSI設(shè)備測(cè)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(cè)試，結(jié)果如圖3所示。測(cè)量時(shí)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(cè)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(jí)加載的測(cè)量結(jié)果保存至一個(gè)txt里，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，逐一觀察每個(gè)狀態(tài)下的分布結(jié)果，如下面的動(dòng)圖所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)處理和回放的動(dòng)圖

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

OFDR設(shè)備在線測(cè)量是基于一組固定的參考數(shù)據(jù)，測(cè)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(diǎn)位置和數(shù)量。

有時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)相關(guān)傳感單元的參考數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)無(wú)相關(guān)性，導(dǎo)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(jìn)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(shí)驗(yàn)全程應(yīng)變需加載至15000微應(yīng)變以上，在線測(cè)試是以零加載狀態(tài)為基準(zhǔn)開(kāi)始測(cè)量，然后逐級(jí)加載測(cè)試，當(dāng)加載后的實(shí)際應(yīng)變超出OFDR設(shè)備的量程，實(shí)時(shí)顯示傳感結(jié)果異常。用戶可以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)并保存原始數(shù)據(jù)，通過(guò)后處理進(jìn)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(gè)過(guò)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(guò)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(cè)到30000微應(yīng)變。

04

總結(jié)

本文以O(shè)SI設(shè)備為例說(shuō)明OFDR技術(shù)的傳感解調(diào)原理和測(cè)試過(guò)程，并詳細(xì)介紹了OSI系統(tǒng)的后處理功能。OSI設(shè)備開(kāi)放性設(shè)計(jì)，用戶可在OSI系統(tǒng)在線測(cè)量時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，解決某些測(cè)試難題。