一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設方法與流程

本發明涉及分布式光纖傳感儀器技術領域，尤其涉及一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設方法。

背景技術：

高精度、高空間分辨率的分布式應變傳感廣泛應用于民生、國防安全等多個領域中，如飛行器、航天器、船舶、國防裝備、工業設備、橋梁涵洞等重點部位的結構健康監控，光頻域反射中利用平行鋪設等光纖鋪設方法可實現二維空間內的分布式應變傳感。但在實際應用中，二維空間內各個方向都可能產生應變，一般光纖鋪設方法只能較明顯的反映單方向的應變。因此，需要采用新的方法全方位的反映二維應變。

技術實現要素：

本發明提供了一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設方法，本發明克服了現有多方向傳感不敏感的問題，采用阿基米德螺旋線形，實現了對二維應變多方向傳感的需求，詳見下文描述：

一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設方法，所述光纖鋪設方法包括以下步驟：

通過二維應變傳感裝置進行連續二次測量，對兩次本地距離域一維信息進行互相關運算，通過得到的互相關信息獲取兩次測量對應的一維信息應變變化量；

利用阿基米德螺線公式，推導本地距離域一維信息對應待測量平板內的二維角度信息、及曲率半徑信息；

利用曲率半徑信息與二維角度信息，推導二維平面對應位置坐標；

將一維信息應變變化量，對應至二維平面對應位置坐標上，即得到二維應變信息。

所述本地距離域一維信息的獲取步驟具體為：

在二維應變傳感裝置中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號，并對這拍頻干涉信號分別進行快速傅里葉變換；

將光頻域信息轉換到對應各個位置的距離域信息，對距離域信息通過一定寬度的移動窗依次選取各個位置形成本地距離域一維信息。

所述光纖鋪設方法采用阿基米德螺旋線的線型，利用一根光纖測量二維空間的應變。

所述光纖末端無需任何裝置。

所述將一維信息應變變化量，對應至二維平面對應位置坐標上，即得到二維應變信息具體為：

$x=a*cos\left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

$y=a*\sin \left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

其中，a為＞0的參數；L為曲線長度。

本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明基于光頻域反射中光纖瑞利背向散射頻率移動進行分布式應變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應變，實現了對二維應變多方向傳感的需求；即本發明通過采用一根光纖測量二維應變，即實現了對橫、縱方向及其合成方向應變的測量，解決了現有多方向傳感不敏感的問題，滿足了實際應用中的多種需要。

附圖說明

圖1是一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設方法的流程圖；

圖2是根據一維應變距離信息，通過阿基米德螺旋線表達式求解二維應變信息的流程圖；

圖3為本方法中應用的二維應變傳感裝置的示意圖；

圖4為二維應變傳感裝置的光纖鋪設方法的示意圖；

圖5為實驗效果圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1：可調諧激光器； 4：1:99光分束器；

11：計算機； 21：調諧信號控制模塊；

24：基于輔助干涉儀的時鐘觸發系統； 25：主干涉儀；

2：探測器； 5：第一50:50耦合器；

6：時鐘整形電路模塊； 7：延遲光纖；

8：第一法拉第轉鏡； 9：第二法拉第轉鏡；

10：隔離器； 3：50:50分束器；

12：偏振控制器； 13：環形器；

14：第二50:50耦合器； 15：二維應變傳感光纖；

16：第一偏振分束器； 17：第二偏振分束器；

18：第一平衡探測器； 19：第二平衡探測器；

20：采集裝置； 21：GPIB(通用接口總線)控制模塊；

22：參考臂； 23：測試臂；

151：光纖； 152：待測量平板。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

本發明實施例提供了一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設方法，參見圖1，該光纖鋪設方法包括以下步驟：

101：通過二維應變傳感裝置進行連續二次測量，對兩次本地距離域一維信息進行互相關運算，通過得到的互相關信息獲取兩次測量對應的一維信息應變變化量；

102：利用阿基米德螺線公式，推導本地距離域一維信息對應待測量平板內的二維角度信息、及曲率半徑信息；

103：利用曲率半徑信息與二維角度信息，推導二維平面對應位置坐標；

104：將一維信息應變變化量，對應至二維平面對應位置坐標上，即得到二維應變信息。

其中，步驟101中的本地距離域一維信息的獲取步驟具體為：

在二維應變傳感裝置中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號，并對這拍頻干涉信號分別進行快速傅里葉變換；

將光頻域信息轉換到對應各個位置的距離域信息，對距離域信息通過一定寬度的移動窗依次選取各個位置形成本地距離域一維信息。

其中，該光纖鋪設方法采用阿基米德螺旋線的線型，利用一根光纖測量二維空間的應變。

進一步地，該光纖末端無需任何裝置，簡化了操作過程。

綜上所述，本發明實施例基于光頻域反射中光纖瑞利背向散射頻率移動進行分布式應變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應變，實現了對二維應變多方向傳感的需求。

實施例2

下面結合圖1、圖2，以及具體的計算公式對實施例1中的方案進行進一步地介紹，該光纖鋪設方法中涉及的參數測量、以及計算均通過二維應變傳感裝置實現，詳見下文描述：

201：在二維應變傳感裝置中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號，并對這拍頻干涉信號分別進行快速傅里葉變換，將光頻域信息轉換到對應各個位置的距離域信息，對距離域信息通過一定寬度的移動窗依次選取各個位置形成本地距離域一維信息；

202：通過二維應變傳感裝置進行連續二次測量，對兩次本地距離域一維信息進行互相關運算，通過得到的互相關信息獲取兩次測量對應的一維信息應變變化量；

其中，該步驟為本領域技術人員所公知，本發明實施例對具體的操作過程不做贅述。

203：利用阿基米德螺線公式，推導本地距離域一維信息對應待測量平板內的二維角度信息、及曲率半徑信息；

204：利用曲率半徑信息與二維角度信息，推導二維平面對應位置坐標；

205：將一維信息應變變化量，對應至二維平面對應位置坐標上，即得到二維應變信息。

下面結合具體的計算公式對步驟203至步驟205中的計算原理進行詳細的描述：

1)獲取阿基米德螺旋線的極坐標參數方程；

由阿基米德螺旋線定義，阿基米德螺旋線的極坐標表示為r＝a*θ，(a＞0)。用參數方程表示為：x＝r*cosθ，y＝r*sinθ。其中r為極徑，θ為極角。

2)獲取曲線長度的微分，并求取阿基米德螺旋線關于角度的長度公式，由長度公式求取角度的反函數；

由上一步的參數方程可以得出曲線長度的微分為：這時曲線長度函數L(φ)就可以通過對長度微分dl在0到φ進行積分求得；其中φ為光纖于待測量平板上螺旋形成的總角度。

根據積分推導，可求得阿基米德螺旋線關于角度的長度公式為：

$L\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{a}{2}ln(\mathrm{\φ}+\sqrt{1+{\mathrm{\φ}}^2})+\frac{a\mathrm{\φ}}{2}\sqrt{1+{\mathrm{\φ}}^2}$

由長度公式，可關于角度φ，求其反函數φ(L)。

3)在所需角度范圍內將角度的反函數簡化為線性曲線，根據線性曲線求解對應角度范圍的反函數；

由于上述函數方程為超越函數，無法求得精確解析解，因此在所需角度范圍內根據L(φ)，簡化為線性曲線L₀(φ)，再對該線性方程求解對應角度范圍的反函數φ₀(L)。

由于實際運用過程中，需要阿基米德螺旋線圈數有限，因此可設定φ的角度范圍為0到100π，可知φ²在大部分范圍內均遠大于1，故可將L(φ)公式化簡為：

$L\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{a}{2}ln\left(2\mathrm{\φ}\right)+\frac{{\mathrm{a\φ}}^2}{2}$

又由于，在角度范圍內，增長性及值均遠高于故可將L(φ)簡化為線性方程L₀(φ)：

$L_0\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{{\mathrm{a\φ}}^2}{2}$

經模擬分析，該簡化方程與原方程在角度取值范圍內，具有較高的一致性。

由L₀(φ)公式，即可推得φ₀(L)

${\mathrm{\φ}}_0\left(L\right)=\sqrt{\frac{2L}{a}}$

4)通過反函數可根據極坐標推得一維長度L對應的二維坐標。

由φ₀(L)即可根據極坐標推得一維長度L對應的二維坐標x,y：

$x=a*cos\left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

$y=a*sin\left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

綜上所述，本發明實施例基于光頻域反射中單模光纖瑞利散射光譜移動進行分布式應變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應變，實現了對二維應變多方向傳感的需求。

實施例3

下面結合圖3、圖4對本發明實施例1和2中用到的二維應變傳感裝置進行詳細的介紹，詳見下文描述：

參見圖3，該二維應變傳感裝置包括：可調諧激光器1、1:99光分束器4、計算機11、GPIB控制模塊21、基于輔助干涉儀的時鐘觸發系統24、主干涉儀25。

基于輔助干涉儀的時鐘觸發系統24包括：探測器2、第一50:50耦合器5、時鐘倍頻電路模塊6、延遲光纖7、第一法拉第轉鏡8、第二法拉第轉鏡9和隔離器10。基于輔助干涉儀的時鐘觸發系統24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25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、環形器13、第二50:50耦合器14、二維應變傳感光纖15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探測器18、第二平衡探測器19、采集裝置20、參考臂22和測試臂23。主干涉儀25是光頻域反射儀的核心，其為改進型馬赫澤德干涉儀。

GPIB控制模塊21輸入端與計算機11相連；GPIB控制模塊21輸出端與可調諧激光器1相連；可調諧激光器1與1:99光分束器4的a端口相連；1:99光分束器4的b端口與隔離器10的一端相連；1:99光分束器4的c端口與50:50分束器3的a端口相連；隔離器10的另一端與第一50:50耦合器5的b端口相連；第一50:50耦合器5的a端口與探測器2的一端相連；第一50:50耦合器5的c端口與第一法拉第轉鏡8相連；第一50:50耦合器5的d端口通過延遲光纖7與第二法拉第轉鏡9相連；探測器2的另一端與時鐘倍頻電路模塊6的輸入端相連；50:50分束器3的b端口通過參考臂22與偏振控制器12的輸入端相連；50:50分束器3的c端口通過測試臂23與環形器13的a端口相連；偏振控制器12的輸出端與第二50:50耦合器14的a端口相連；環形器13的b端口與第二50:50耦合器14的b端口相連；環形器13的c端口與二維應變傳感光纖15相連；第二50:50耦合器14的c端口與第一偏振分束器16的輸入端相連；第二50:50耦合器14的d端口與第二偏振分束器17的輸入端相連；第一偏振分束器16的輸出端分別與第一平衡探測器18的輸入端、第二平衡探測器19的輸入端相連；第二偏振分束器17的輸出端分別與第一平衡探測器18的輸入端、第二平衡探測器19的輸入端相連；第一平衡探測器18的輸出端與采集裝置20的輸入端相連；第二平衡探測器19的輸出端與采集裝置20的輸入端相連；采集裝置20的輸出端與計算機11相連。

該二維應變傳感裝置工作時，計算機11通過GPIB控制模塊21控制可調諧激光器1，以此控制調諧速度、中心波長、調諧啟動等；可調諧激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口進入，并以1:99的比例從1:99光分束器4的b端口經過隔離器10進入第一50:50耦合器5的b端口，光從第一50:50耦合器5的b端口進入，從第一50:50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8和第二法拉第轉鏡9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，兩束光在第一50:50耦合器5中發生干涉，從第一50:50耦合器5的a端口輸出；第一50：50耦合5器a端口的出射光進入探測器2，探測器2將探測到的光信號轉換為干涉拍頻信號傳輸至時鐘倍頻電路模塊6，時鐘倍頻電路模塊6干涉拍頻信號整形為方波，整形后的信號傳輸至采集裝置20，作為采集裝置20的外部時鐘信號。

可調諧激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口進入，從1:99光分束器4的c端口進入50:50分束器3的a端口；經過50：50分束器3從b端口進入參考臂22中的偏振控制器12，從c端口進入測試臂23上的環行器13的a端口；光從環行器13的a端口進入，從環行器13的c端口進入二維應變傳感光纖15，而二維應變傳感光纖15的背向散射光從環行器13端口c端口進入，從環行器13端口b端口輸出；參考臂22中的偏振控制器12輸出的參考光通過第二50:50耦合器14的a端口與環行器13上的背向散射光通過第二50:50耦合器14的b端口進行合束，形成拍頻干涉并從第二50:50耦合器14的c端口和d端口輸出至第一偏振分束器16和第一偏振分束器17，第一偏振分束器16和第一偏振分束器17通過第一平衡探測器18和第二平衡探測器19對應采集兩個偏振分束器輸出的正交方向的信號光，第一平衡探測器18和第二平衡探測器19將輸出的模擬電信號傳輸至采集裝置20，采集裝置20在時鐘倍頻電路模塊6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11。

GPIB控制模塊21用于計算機11通過其控制可調諧激光器1。

可調諧激光器1用于為光頻域反射系統提供光源，其光頻能夠進行線性掃描。

隔離器10防止輔助干涉儀中第一50:50耦合器5的b端口的反射光進入激光器。

第一50:50耦合器5用于光干涉。

延遲光纖7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。

第一法拉第轉鏡8和第二法拉第轉鏡9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。

偏振控制器12作用是調節參考光偏振態，使其在偏振分束時兩個正交方向上光強基本一致。

第二50:50耦合器14完成對信號進行偏振分束，消除偏振衰落噪聲的影響。

計算機11對采集裝置20采集的干涉信號進行數據處理，實現基于光纖瑞利散射光譜移動量的分布式溫度應變傳感。

其中，參見圖4，本發明實施例中應用到的二維應變傳感光纖15由光纖151以及待測量平板152組成。

本發明實施例對光纖151的類型不做限制，待測量平板152可以為任一待測量的平板，本發明實施例對其結構不做限制。

本發明實施例僅以圖3、圖4中的二維應變傳感裝置為例進行說明，具體實現時，還可以采用其他型號的二維應變傳感裝置，本發明實施例對此不做限制。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

實施例4

下面結合圖4和圖5對實施例1和2中的方案進行可行性驗證，詳見下文描述：

本發明驗證實驗為采用同一光纖151，利用本發明中提出的二維應變傳感裝置和方法解調出二維應變變化值Δε。

參見圖4，將一根光纖151按阿基米德螺旋線線型盤繞粘貼于待測量平板152上，利用砝碼對待測量平板152施加壓力。

待測量平板152上真實的應變變化值可以從施加在待測量平板152上的砝碼得到。利用本發明實施例中提出的二維應變傳感裝置和方法解調出應變變化值Δε，并與真實應變變化值進行比對，通過比對結果來驗證本方法的有效性。

示意結果如圖5所示，從圖5中可以看出，顯示部分為系統可探測區域，X、Y對應位置坐標，受壓迫點的位置產生了應變，反映在圖5中，可以看出Z軸值升高，周邊位置的Z軸值降低，表明待測量平板152由于壓迫作用，使得受壓迫點位置的相鄰區域產生反向應變。

綜上所述，本發明實施例基于光頻域反射中單模光纖瑞利散射光譜移動進行分布式應變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應變，實現了對二維應變多方向傳感的需求。

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。