一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法与流程

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法。

背景技术：

高精度、高空间分辨率的分布式应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，光频域反射中利用平行铺设等光纤铺设方法可实现二维空间内的分布式应变传感。但在实际应用中，二维空间内各个方向都可能产生应变，一般光纤铺设方法只能较明显的反映单方向的应变。因此，需要采用新的方法全方位的反映二维应变。

技术实现要素：

本发明提供了一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法，本发明克服了现有多方向传感不敏感的问题，采用阿基米德螺旋线形，实现了对二维应变多方向传感的需求，详见下文描述：

一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法，所述光纤铺设方法包括以下步骤：

通过二维应变传感装置进行连续二次测量，对两次本地距离域一维信息进行互相关运算，通过得到的互相关信息获取两次测量对应的一维信息应变变化量；

利用阿基米德螺线公式，推导本地距离域一维信息对应待测量平板内的二维角度信息、及曲率半径信息；

利用曲率半径信息与二维角度信息，推导二维平面对应位置坐标；

将一维信息应变变化量，对应至二维平面对应位置坐标上，即得到二维应变信息。

所述本地距离域一维信息的获取步骤具体为：

在二维应变传感装置中由光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换；

将光频域信息转换到对应各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取各个位置形成本地距离域一维信息。

所述光纤铺设方法采用阿基米德螺旋线的线型，利用一根光纤测量二维空间的应变。

所述光纤末端无需任何装置。

所述将一维信息应变变化量，对应至二维平面对应位置坐标上，即得到二维应变信息具体为：

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

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

其中，a为＞0的参数；L为曲线长度。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明基于光频域反射中光纤瑞利背向散射频率移动进行分布式应变测量，采用阿基米德螺旋线线型于待测量平板上排布光纤，测量二维应变，实现了对二维应变多方向传感的需求；即本发明通过采用一根光纤测量二维应变，即实现了对横、纵方向及其合成方向应变的测量，解决了现有多方向传感不敏感的问题，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1是一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法的流程图；

图2是根据一维应变距离信息，通过阿基米德螺旋线表达式求解二维应变信息的流程图；

图3为本方法中应用的二维应变传感装置的示意图；

图4为二维应变传感装置的光纤铺设方法的示意图；

图5为实验效果图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：可调谐激光器； 4：1:99光分束器；

11：计算机； 21：调谐信号控制模块；

24：基于辅助干涉仪的时钟触发系统； 25：主干涉仪；

2：探测器； 5：第一50:50耦合器；

6：时钟整形电路模块； 7：延迟光纤；

8：第一法拉第转镜； 9：第二法拉第转镜；

10：隔离器； 3：50:50分束器；

12：偏振控制器； 13：环形器；

14：第二50:50耦合器； 15：二维应变传感光纤；

16：第一偏振分束器； 17：第二偏振分束器；

18：第一平衡探测器； 19：第二平衡探测器；

20：采集装置； 21：GPIB(通用接口总线)控制模块；

22：参考臂； 23：测试臂；

151：光纤； 152：待测量平板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法，参见图1，该光纤铺设方法包括以下步骤：

101：通过二维应变传感装置进行连续二次测量，对两次本地距离域一维信息进行互相关运算，通过得到的互相关信息获取两次测量对应的一维信息应变变化量；

102：利用阿基米德螺线公式，推导本地距离域一维信息对应待测量平板内的二维角度信息、及曲率半径信息；

103：利用曲率半径信息与二维角度信息，推导二维平面对应位置坐标；

104：将一维信息应变变化量，对应至二维平面对应位置坐标上，即得到二维应变信息。

其中，步骤101中的本地距离域一维信息的获取步骤具体为：

在二维应变传感装置中由光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换；

将光频域信息转换到对应各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取各个位置形成本地距离域一维信息。

其中，该光纤铺设方法采用阿基米德螺旋线的线型，利用一根光纤测量二维空间的应变。

进一步地，该光纤末端无需任何装置，简化了操作过程。

综上所述，本发明实施例基于光频域反射中光纤瑞利背向散射频率移动进行分布式应变测量，采用阿基米德螺旋线线型于待测量平板上排布光纤，测量二维应变，实现了对二维应变多方向传感的需求。

实施例2

下面结合图1、图2，以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，该光纤铺设方法中涉及的参数测量、以及计算均通过二维应变传感装置实现，详见下文描述：

201：在二维应变传感装置中由光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取各个位置形成本地距离域一维信息；

202：通过二维应变传感装置进行连续二次测量，对两次本地距离域一维信息进行互相关运算，通过得到的互相关信息获取两次测量对应的一维信息应变变化量；

其中，该步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对具体的操作过程不做赘述。

203：利用阿基米德螺线公式，推导本地距离域一维信息对应待测量平板内的二维角度信息、及曲率半径信息；

204：利用曲率半径信息与二维角度信息，推导二维平面对应位置坐标；

205：将一维信息应变变化量，对应至二维平面对应位置坐标上，即得到二维应变信息。

下面结合具体的计算公式对步骤203至步骤205中的计算原理进行详细的描述：

1)获取阿基米德螺旋线的极坐标参数方程；

由阿基米德螺旋线定义，阿基米德螺旋线的极坐标表示为r＝a*θ，(a＞0)。用参数方程表示为：x＝r*cosθ，y＝r*sinθ。其中r为极径，θ为极角。

2)获取曲线长度的微分，并求取阿基米德螺旋线关于角度的长度公式，由长度公式求取角度的反函数；

由上一步的参数方程可以得出曲线长度的微分为：这时曲线长度函数L(φ)就可以通过对长度微分dl在0到φ进行积分求得；其中φ为光纤于待测量平板上螺旋形成的总角度。

根据积分推导，可求得阿基米德螺旋线关于角度的长度公式为：

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

由长度公式，可关于角度φ，求其反函数φ(L)。

3)在所需角度范围内将角度的反函数简化为线性曲线，根据线性曲线求解对应角度范围的反函数；

由于上述函数方程为超越函数，无法求得精确解析解，因此在所需角度范围内根据L(φ)，简化为线性曲线L₀(φ)，再对该线性方程求解对应角度范围的反函数φ₀(L)。

由于实际运用过程中，需要阿基米德螺旋线圈数有限，因此可设定φ的角度范围为0到100π，可知φ²在大部分范围内均远大于1，故可将L(φ)公式化简为：

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

又由于，在角度范围内，增长性及值均远高于故可将L(φ)简化为线性方程L₀(φ)：

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

经模拟分析，该简化方程与原方程在角度取值范围内，具有较高的一致性。

由L₀(φ)公式，即可推得φ₀(L)

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

4)通过反函数可根据极坐标推得一维长度L对应的二维坐标。

由φ₀(L)即可根据极坐标推得一维长度L对应的二维坐标x,y：

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

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

综上所述，本发明实施例基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，采用阿基米德螺旋线线型于待测量平板上排布光纤，测量二维应变，实现了对二维应变多方向传感的需求。

实施例3

下面结合图3、图4对本发明实施例1和2中用到的二维应变传感装置进行详细的介绍，详见下文描述：

参见图3，该二维应变传感装置包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发系统24、主干涉仪25。

基于辅助干涉仪的时钟触发系统24包括：探测器2、第一50:50耦合器5、时钟倍频电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪的时钟触发系统24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。

主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50:50耦合器14、二维应变传感光纤15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。

GPIB控制模块21输入端与计算机11相连；GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器10的一端相连；1:99光分束器4的c端口与50:50分束器3的a端口相连；隔离器10的另一端与第一50:50耦合器5的b端口相连；第一50:50耦合器5的a端口与探测器2的一端相连；第一50:50耦合器5的c端口与第一法拉第转镜8相连；第一50:50耦合器5的d端口通过延迟光纤7与第二法拉第转镜9相连；探测器2的另一端与时钟倍频电路模块6的输入端相连；50:50分束器3的b端口通过参考臂22与偏振控制器12的输入端相连；50:50分束器3的c端口通过测试臂23与环形器13的a端口相连；偏振控制器12的输出端与第二50:50耦合器14的a端口相连；环形器13的b端口与第二50:50耦合器14的b端口相连；环形器13的c端口与二维应变传感光纤15相连；第二50:50耦合器14的c端口与第一偏振分束器16的输入端相连；第二50:50耦合器14的d端口与第二偏振分束器17的输入端相连；第一偏振分束器16的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第二偏振分束器17的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第一平衡探测器18的输出端与采集装置20的输入端相连；第二平衡探测器19的输出端与采集装置20的输入端相连；采集装置20的输出端与计算机11相连。

该二维应变传感装置工作时，计算机11通过GPIB控制模块21控制可调谐激光器1，以此控制调谐速度、中心波长、调谐启动等；可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，并以1:99的比例从1:99光分束器4的b端口经过隔离器10进入第一50:50耦合器5的b端口，光从第一50:50耦合器5的b端口进入，从第一50:50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，两束光在第一50:50耦合器5中发生干涉，从第一50:50耦合器5的a端口输出；第一50：50耦合5器a端口的出射光进入探测器2，探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至时钟倍频电路模块6，时钟倍频电路模块6干涉拍频信号整形为方波，整形后的信号传输至采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信号。

可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，从1:99光分束器4的c端口进入50:50分束器3的a端口；经过50：50分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23上的环行器13的a端口；光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入二维应变传感光纤15，而二维应变传感光纤15的背向散射光从环行器13端口c端口进入，从环行器13端口b端口输出；参考臂22中的偏振控制器12输出的参考光通过第二50:50耦合器14的a端口与环行器13上的背向散射光通过第二50:50耦合器14的b端口进行合束，形成拍频干涉并从第二50:50耦合器14的c端口和d端口输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通过第一平衡探测器18和第二平衡探测器19对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光，第一平衡探测器18和第二平衡探测器19将输出的模拟电信号传输至采集装置20，采集装置20在时钟倍频电路模块6形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机11。

GPIB控制模块21用于计算机11通过其控制可调谐激光器1。

可调谐激光器1用于为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描。

隔离器10防止辅助干涉仪中第一50:50耦合器5的b端口的反射光进入激光器。

第一50:50耦合器5用于光干涉。

延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。

第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象。

偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。

第二50:50耦合器14完成对信号进行偏振分束，消除偏振衰落噪声的影响。

计算机11对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光纤瑞利散射光谱移动量的分布式温度应变传感。

其中，参见图4，本发明实施例中应用到的二维应变传感光纤15由光纤151以及待测量平板152组成。

本发明实施例对光纤151的类型不做限制，待测量平板152可以为任一待测量的平板，本发明实施例对其结构不做限制。

本发明实施例仅以图3、图4中的二维应变传感装置为例进行说明，具体实现时，还可以采用其他型号的二维应变传感装置，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例4

下面结合图4和图5对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

本发明验证实验为采用同一光纤151，利用本发明中提出的二维应变传感装置和方法解调出二维应变变化值Δε。

参见图4，将一根光纤151按阿基米德螺旋线线型盘绕粘贴于待测量平板152上，利用砝码对待测量平板152施加压力。

待测量平板152上真实的应变变化值可以从施加在待测量平板152上的砝码得到。利用本发明实施例中提出的二维应变传感装置和方法解调出应变变化值Δε，并与真实应变变化值进行比对，通过比对结果来验证本方法的有效性。

示意结果如图5所示，从图5中可以看出，显示部分为系统可探测区域，X、Y对应位置坐标，受压迫点的位置产生了应变，反映在图5中，可以看出Z轴值升高，周边位置的Z轴值降低，表明待测量平板152由于压迫作用，使得受压迫点位置的相邻区域产生反向应变。

综上所述，本发明实施例基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，采用阿基米德螺旋线线型于待测量平板上排布光纤，测量二维应变，实现了对二维应变多方向传感的需求。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。