CN106949850A - 一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统。方法中，将形状传感器分成若干段，每一段的布里渊频移改变量做平均，求出其对应曲率作为该段的弯曲曲率，这样每一段的曲率都能够求出来，这样我们就得到了一段一段等弧长的圆弧在圆弧进行拼接前，先选定起始段端点的坐标及其切线方向，然后需要对圆弧的弯曲方向进行判定，然后将这一系列圆弧上一段的尾端和下一段的首端连接起来，连接点处保持切线方向相同，这样就完成了整体形状的还原。系统包括：激光器、50:50耦合器、偏振控制器一、任意函数发生器、电光调制器一、掺饵光纤放大器、环形器、滤波器、传感器、光电探测器、数据采集卡、隔离器、电光调制器二、微波源和偏振控制器二。

Description

一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统，属于光纤形状传感测量方法及系统技术领域。

背景技术

随着20世纪60年代在光纤损耗方面出现巨大突破，光纤作为一个有效可靠的光传输介质，广泛应用于通信和传感领域。普通光纤主要成分为SiO₂，其原材料丰富，制造成本低；由于其相对于常用金属传感器和电缆，密度小，因此在同等距离下，具有更小的体积，更轻的质量，有利于敷设和集成。而且光纤还具有抗电磁干扰、电绝缘性良好、稳定性好等等诸多优点，在传感领域具有电学传感器无法比拟的优势，在国防军事、航空航天、深海探测、工业控制、土木建筑等诸多领域具有广泛应用。

分布式光纤传感技术是利用光纤沿线光波分布的参量，同时获得在传感区域内被测量随时间和空间变化的分布信息，是一种可以长距离、大范围使用的连续传感技术。光纤某处的布里渊散射频移量取决于该位置处所受到的温度和应变。温度和应变的改变会使布里渊频移发生变化，通过多次测量光纤各处的频移值，就能得到光纤沿线的温度和应变分布情况。经过几十年的发展，在传感距离和传感精度上都已经达到了很高的水平，并且技术已经十分成熟，具有空间分辨率高、测量精度高、传感距离长等等优点。2012年YongkangDong等人利用差分脉冲对布里渊光时域分析技术在2km的光纤上实现了2cm的空间分辨率(Dong Y,Zhang H,Chen L,et al.2cm spatial-resolution and 2km range Brillouinoptical fiber sensor using a transient differential pulse pair[J].Appliedoptics,2012,51(9):1229-1235)。

光纤形状传感技术是利用集成在光纤上的多个应变传感器采集数据，然后通过特定的算法进行处理和还原。从基本的弯曲曲率传感到单个弯曲传感，发展到现在，已经发展到如何对整个形状进行传感还原的程度。2006年美国Luna公司在1.1m光纤上蚀刻FBG(光纤光栅，Fiber Bragg Grating)，结合光频域反射技术(Optical Frequency DomainReflectometry)实现了光纤形状传感(Duncan R G,Raum M T.Characterization of afiber-optic shape and positionsensor[C].Smart Structures andMaterials.International Society for Optics andPhotonics,2006:616704-616704-11)。申请公布号为CN105423944A、申请公布日为2016年3月23日的中国专利“一种分布式光纤曲率传感器”，申请公布号为CN105371781A、申请公布日为2016年3月2日的中国专利“一种三维形状测量方法”，申请公布号为CN105371785A、申请公布日为2016年3月2日的中国专利“一种曲率测量方法”，他们提出基于布里渊散射的分布式测量系统采集获得了空间分辨率为20cm的应变数据。

对于现有的光纤形状传感器，多数都是基于干涉式的(光纤光栅、马赫增德尔干涉仪等等)无法进行全分布式的监测，其多是对光纤进行处理，过多的处理会使得光纤的损耗急剧增大，传感距离受到了很大的限制。长距离传感方面提出的技术空间分辨率(≥20cm)不足以应对某些弯曲半径小的场景，存在短板。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高灵敏度高精度的光纤形状传感的测量方法。

当物体产生弯曲时，一侧被拉伸，另一侧被压缩，假定光纤纤芯离中性轴的距离分别为d₁、d₂，弯曲后应变分别为ε₁、ε₂，未弯曲前长度为L，弯曲半径为R，则：

L₁＝(1+ε₁)L (0-9)

L₂＝(1+ε₂)L (0-10)

几何关系为：

联立上面三个等式得到应变和弯曲半径的关系：

式中κ为曲率，是弯曲半径的倒数；

又有布里渊频移改变量与温度、应变改变量的关系式为：

Δν_B＝C_T·ΔT+C_ε·Δε (0-13)

式中Δν_B为布里渊频移改变量，C_T为布里渊频移温度系数，ΔT为温度改变量，C_ε为布里渊频移应变系数，Δε为应变改变量，从式中看出，布里渊频移改变量与应变改变量呈线性关系，当温度不变时，得到：

Δν_B＝C_ε·Δε (0-14)

即有布里渊频移改变量与应变改变量成正比，若初始应变为0，则有：

Δν_B＝C_ε·ε (0-15)

式(1-4)为光纤应变和弯曲半径之间的关系，式(1-7)为光纤布里渊频移改变量与应变之间的关系，两者联立有：

Δν_B＝C_ε·d·κ＝A·κ (0-16)

就能够将布里渊频移与曲率对应起来；

先测量出无弯曲时光纤的布里渊频移作为基底，然后将传感器摆成任意的形状，再对光纤的布里渊频移进行测量，通过减去基底求出弯曲形状各处的布里渊频移改变量；然后利用式(1-8)推出弯曲各处的曲率半径，进而恢复出相应的弯曲形状；

在进行形状恢复时，所使用的算法是圆弧拼接法，该方法采用分段均值的办法，将形状传感器分成若干段，每一段的布里渊频移改变量做平均，求出其对应曲率作为该段的弯曲曲率，这样每一段的曲率都能够求出来，这样我们就得到了一段一段等弧长的圆弧；

在圆弧进行拼接前，先选定起始段端点的坐标及其切线方向，然后需要对圆弧的弯曲方向进行判定，然后将这一系列圆弧上一段的尾端和下一段的首端连接起来，连接点处保持切线方向相同，这样就完成了整体形状的还原。

一种高灵敏度高精度的光纤形状传感系统，包括：激光器、50:50耦合器、偏振控制器一、任意函数发生器、电光调制器一、掺饵光纤放大器、环形器、滤波器、传感器、光电探测器、数据采集卡、隔离器、电光调制器二、微波源和偏振控制器二，所述激光器的输出端与50:50耦合器的输入端相连接，50:50耦合器的两个输出端分别与偏振控制器一的输入端和偏振控制器二的输入端相连接，偏振控制器一的输出端与电光调制器一的输入端相连接，电光调制器一的输出端与掺饵光纤放大器的输入端相连接，掺饵光纤放大器的输出端与环形器的a端相连接，环形器的b端与传感器相连接，偏振控制器二的输出端与电光调制器二的输入端相连接，电光调制器二的输出端与隔离器一端相连接，隔离器的另一端与传感器相连接，任意函数发生器与电光调制器一相连接，微波源和电光调制器二相连接，数据采集卡与光电探测器的一端相连接，光电探测器的另一端与滤波器的一端相连接，滤波器的另一端与环形器的c端相连接。

本发明的有益效果：

形状传感中，弯曲半径越小，其应变越大越容易被探测，但是弯曲半径越小对应的弧长就越小，因此需要提高的是空间分辨率以免欠采样导致数据误差过大。弯曲半径越大，其应变越小越不容易被探测，因此需要提高其对弯曲的敏感度。本发明针对这两个问题进行了改进。本发明采用DPP-BOTDA系统对数据采集，相对于干涉式传感器，不需要对光纤做额外的处理和加工，光纤本身就是形状传感器，减少了传感器制作的步骤，有利于后期传感器损坏后的换装。相较于FBG型传感器在光纤上蚀刻FBG进行应变监测，分辨率由FBG密度决定，一旦固定很难更改，且蚀刻FBG后光纤损耗增加的问题，本发明可以通过改变打入光纤脉冲的宽度实现空间分辨率的变化。相对于现有提出的基于布里渊散射的形状传感技术，其空间分辨率还不够高，无法应对某些弯曲半径小的情况，在实施例中空间分辨率能达到5cm，灵敏度A系数为740.615MHz·m，能实现高空间分辨率的形状传感，并完成了形状的还原重构。

附图说明

图1为本发明一种高灵敏度高精度的光纤形状传感器系统的结构示意图。

图2为差分脉冲对提高空间分辨率原理示意图。

图3为弯曲半径与应变关系示意图。

图4为二维不同的拼接方式示意图。

图5为二维平面上圆弧拼接法示意图。

图6为一种二维形状传感器示意图。

图7为弯曲为标准圆半径时的频移图。

图8为频移与弯曲曲率关系及拟合曲线图。

图9为实验实拍照片。

图10为形状实验示意图。

图11为形状还原示意图。

图中的附图标记，1为激光器，2为50:50耦合器，3为偏振控制器一，4为任意函数发生器，5为电光调制器一，6为掺饵光纤放大器，7为环形器，8为滤波器，9为传感器，10为光电探测器，11为数据采集卡，12为隔离器，13为V₀-V′、V₀、V₀+V′调制产生上下边带，14为电光调制器二，15为微波源，16为偏振控制器二，17为泵浦光，18为探测光。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

一种高灵敏度高精度的光纤形状传感系统的测量方法，如图3和图5所示。

当光纤产生弯曲时，光纤一侧被拉伸，另一侧被压缩。假定光纤纤芯离中性轴(弯曲不改变长度，即无应变)的距离分别为d₁、d₂，弯曲后应变分别为ε₁、ε₂，未弯曲前长度为L，弯曲半径为R，则：

L₁＝(1+ε₁)L (0-17)

L₂＝(1+ε₂)L (0-18)

几何关系为：

联立上面三个等式可以得到应变和弯曲半径的关系：

式中κ为曲率，是弯曲半径的倒数。

又有布里渊频移改变量与温度、应变改变量的关系式为：

Δν_B＝C_T·ΔT+C_ε·Δε (0-21)

式中Δν_B为布里渊频移改变量，C_T为布里渊频移温度系数，ΔT为温度改变量，C_ε为布里渊频移应变系数，Δε为应变改变量。从式中可以看出，布里渊频移改变量与应变(或者温度)改变量呈线性关系。当温度不变时，可以得到：

Δν_B＝C_ε·Δε (0-22)

即有布里渊频移改变量与应变改变量成正比。若初始应变为0，则有：

Δν_B＝C_ε·ε (0-23)

式(1-4)为光纤应变和弯曲半径之间的关系，式(1-7)为光纤布里渊频移改变量与应变之间的关系，两者联立有：

Δν_B＝C_ε·d·κ＝A·κ (0-24)

就能够将布里渊频移与曲率(或者弯曲半径)对应起来。

在实施过程中，我们需要先测量出无弯曲时光纤的布里渊频移作为基底，然后将传感器摆成任意的形状，再对光纤的布里渊频移进行测量，这样我们就能通过减去基底求出弯曲形状各处的布里渊频移改变量。

然后利用式(1-8)可以推出弯曲各处的曲率半径，进而恢复出相应的弯曲形状。

在进行形状恢复时，我们使用的算法是圆弧拼接法。该方法采用分段均值的办法，将形状传感器分成若干段，每一段的布里渊频移改变量做平均，求出其对应曲率作为该段的弯曲曲率，这样每一段的曲率都能够求出来，从而我们就得到了一段一段等弧长的圆弧。

在圆弧进行拼接前，先选定起始段端点的坐标及其切线方向，然后需要对圆弧的弯曲方向进行判定，然后将这一系列圆弧上一段的尾端和下一段的首端连接起来，连接点处保持切线方向相同，这样就完成了整体形状的还原。二维形状还原步骤的示意图如图5所示。需要注意的是，所取得圆弧长度越小时，还原所得到的形状越精确，当然还原形状的精确程度还和采集系统的空间分辨率有关。从式(1-4)可以看出只要光纤纤芯不在轴心位置，就能对弯曲敏感。这里所提的形状传感器不限于实施例中的二维传感器，包括其它采用其它离轴布设的传感器或者光纤结构。

本实施例所涉及的一种高灵敏度高精度的光纤形状传感系统，如图1所示，包括：激光器1、50:50耦合器2、偏振控制器一3、任意函数发生器4、电光调制器一5、掺饵光纤放大器6、环形器7、滤波器8、传感器9、光电探测器10、数据采集卡11、隔离器12、电光调制器二14、微波源15和偏振控制器二16，所述激光器1的输出端与50:50耦合器2的输入端相连接，50:50耦合器2的两个输出端分别与偏振控制器一3的输入端和偏振控制器二16的输入端相连接，偏振控制器一3的输出端与电光调制器一5的输入端相连接，电光调制器一5的输出端与掺饵光纤放大器6的输入端相连接，掺饵光纤放大器6的输出端与环形器7的a端相连接，环形器7的b端与传感器9相连接，偏振控制器二16的输出端与电光调制器二14的输入端相连接，电光调制器二14的输出端与隔离器12一端相连接，隔离器12的另一端与传感器9相连接，任意函数发生器4与电光调制器一5相连接，微波源15和电光调制器二14相连接，数据采集卡11与光电探测器10的一端相连接，光电探测器10的另一端与滤波器8的一端相连接，滤波器8的另一端与环形器7的c端相连接。

所述传感器9为形状传感器。

激光器1发出的光经过50:50耦合器2被分成两束，一束经过偏振控制器一3，任意函数发生器4控制电光调制器一5将其调制为脉冲光，经过掺铒光纤放大器6放大，通过环形器7进入形状传感器9。

另一束激光经过偏振控制器二16，微波源15控制电光调制器二14将其调制出上下边频，经过隔离器12进入形状传感器9。

在形状传感器9中，两路激光相互作用，当两路激光存在相差为光纤布里渊频移的光时，产生受激布里渊散射，散射光从环形器b端口进，c端口出，经过滤波器8滤除掉其他光，只保留散射信号光，通过光电探测器10探测，被数据采集卡11采集记录。当光纤某个位置受到应变或者是温度变化时，该位置的布里渊频移就会产生变化。通过记录布里渊频移的变化，就能获得光纤上温度或者应变的改变量。

在光纤中，脉冲10ns的光信号对应的空间分辨率为1m，由于光纤中布里渊散射是由声光相互作用产生的，所以单脉冲受到声子寿命(～10ns)的影响，当光脉冲小于声子寿命时，相互作用不充分，会发生布里渊谱展宽，信噪比下降，因此无法无限制的减小。而我们采用的是DPP-BOTDA技术，向光纤中打入两个脉冲，分别得到两个增益信号，增益信号相减就能得到差分脉冲对时间差对应的空间分辨率，这样就克服了声子寿命的影响，获得了更高的空间分辨率，我们采用差值为0.5ns的脉冲对，理论上能得到5cm的空间分辨率。

将光纤产生弯曲时，光纤一侧被拉伸，一侧被压缩。假定光纤纤芯离中性轴(弯曲不改变长度，即无应变)的距离分别为d₁、d₂，弯曲后应变分别为ε₁、ε₂，未弯曲前长度为L，弯曲半径为R，则有：

普通单模光纤对弯曲应变不敏感，说明其中性轴就在光纤轴心处，因此普通单模光纤只能监测轴向的应变，对于弯曲无法监测，因此需要对光纤纤芯做一个轴偏离，通常采用的方法就是将光纤粘贴在形变物体上或者利用多芯光纤。这样偏离中心轴的纤芯就对弯曲产生的应变进行监测，而多芯光纤中有多个纤芯不在轴心处，这样相对于轴心就有一个偏移距离，对弯曲敏感，偏移距离越远，其敏感度越高。通过而对传感器进行弯曲，测量光纤的布里渊频移，通过和光纤伸直时的频移进行对比，就可以得到光纤沿线上的布里渊频移改变量，如果传感器上同时布上多根光纤(或者是多芯光纤)可以进一步消除轴向应变和温度对频移量的影响，这样就得到了弯曲应变对应的频移值，频移值和应变成正比，保偏光纤正比系数为0.0482MHz/με(Dong Y,Chen L,Bao X.High-Spatial-Resolution Time-Domain Simultaneous Strain and Temperature Sensor Using Brillouin Scatteringand Birefringence in a Polarization-Maintaining Fiber[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,2010,22(18):1364-1366)。这样就有Δν_B＝A/R＝A·κ(Δν_B是频移量，A为系数，A越大，能测量的最大半径越大，R为半径，κ为曲率)。不同光纤的系数可能略有区别，需要在形状传感前通过标准圆进行校准和标定，得到其A系数。我们就能得到光纤各处的应变值，通过应变值就能算出其弯曲半径，从而重构出光纤弯曲的整个形状。

重构算法我们采用的是圆弧拼接法。圆弧拼接法利用系统测到的应变，将传感器等分，然后每一段应变值平均，求出其均匀弯曲下对应的弯曲半径，将这一段的弯曲近似为该弯曲半径的弯曲(空间分辨率越高，其误差会越小)，选定起始段端点的坐标及其切线方向，将每一段首尾相接，连接点处保持切线方向相同，再对下一段的弯曲方向进行判断，这样我们就完成了整个形状的重构。在二维形状传感上，由于弯曲方向只有两个(顺时针或者逆时针)，因此将其等分后先判断其弯曲方向，根据不同的弯曲方向，决定了其连接方式的不同。同样的在三维中要进行弯曲方向的判断。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法，其特征在于，

当具有一定厚度的物体产生弯曲时，一侧被拉伸，另一侧被压缩，假定其上光纤纤芯离中性轴的距离分别为d₁、d₂，弯曲后应变分别为ε₁、ε₂，未弯曲前长度为L，弯曲半径为R，则：

L₁＝(1+ε₁)L (0-1)

L₂＝(1+ε₂)L (0-2)

几何关系为：

$\frac{L}{R}=\frac{L_1}{R+d_1}=\frac{L_2}{R+d_2}---(0-3)$

联立上面三个等式得到应变和弯曲半径的关系：

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{d_i}{R}=d_i\·\mathrm{\κ},(i=1,2)---(0-4)$

式中κ为曲率，是弯曲半径的倒数；

又有布里渊频移改变量与温度、应变改变量的关系式为：

Δν_B＝C_T·ΔT+C_ε·Δε (0-5)

式中Δν_B为布里渊频移改变量，C_T为布里渊频移温度系数，ΔT为温度改变量，C_ε为布里渊频移应变系数，Δε为应变改变量，从式中看出，布里渊频移改变量与应变改变量呈线性关系，当温度不变时，得到：

Δν_B＝C_ε·Δε (0-6)

即有布里渊频移改变量与应变改变量成正比，若初始应变为0，则有：

Δν_B＝C_ε·ε (0-7)

式(1-4)为光纤应变和弯曲半径之间的关系，式(1-7)为光纤布里渊频移改变量与应变之间的关系，两者联立有：

Δν_B＝C_ε·d·κ＝A·κ (0-8)

就能够将布里渊频移与曲率对应起来；

先测量出无弯曲时光纤的布里渊频移作为基底，然后将传感器摆成任意的形状，再对光纤的布里渊频移进行测量，通过减去基底求出弯曲形状各处的布里渊频移改变量；然后利用式(1-8)推出弯曲各处的曲率半径，进而恢复出相应的弯曲形状；

在进行形状恢复时，使用的算法是圆弧拼接法，该方法采用分段均值的办法，将形状传感器分成若干段，每一段的布里渊频移改变量做平均，求出其对应曲率作为该段的弯曲曲率，这样每一段的曲率都能够求出来，这样我们就得到了一段一段等弧长的圆弧在圆弧进行拼接前，先选定起始段端点的坐标及其切线方向，然后需要对圆弧的弯曲方向进行判定，然后将这一系列圆弧上一段的尾端和下一段的首端连接起来，连接点处保持切线方向相同，这样就完成了整体形状的还原。

2.一种权利要求1所述的高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法使用的测量系统，其特征在于，包括：激光器(1)、50:50耦合器(2)、偏振控制器一(3)、任意函数发生器(4)、电光调制器一(5)、掺饵光纤放大器(6)、环形器(7)、滤波器(8)、传感器(9)、光电探测器(10)、数据采集卡(11)、隔离器(12)、电光调制器二(14)、微波源(15)和偏振控制器二(16)，所述激光器(1)的输出端与50:50耦合器(2)的输入端相连接，50:50耦合器(2)的两个输出端分别与偏振控制器一(3)的输入端和偏振控制器二(16)的输入端相连接，偏振控制器一(3)的输出端与电光调制器一(5)的输入端相连接，电光调制器一(5)的输出端与掺饵光纤放大器(6)的输入端相连接，掺饵光纤放大器(6)的输出端与环形器(7)的a端相连接，环形器(7)的b端与传感器(9)相连接，偏振控制器二(16)的输出端与电光调制器二(14)的输入端相连接，电光调制器二(14)的输出端与隔离器(12)一端相连接，隔离器(12)的另一端与传感器(9)相连接，任意函数发生器(4)与电光调制器一(5)相连接，微波源(15)和电光调制器二(14)相连接，数据采集卡(11)与光电探测器(10)的一端相连接，光电探测器(10)的另一端与滤波器(8)的一端相连接，滤波器(8)的另一端与环形器(7)的c端相连接。

3.权利要求2所述的高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法使用的测量系统，其特征在于，所述传感器(9)为形状传感器。