CN108562237B - 一种采用hcn气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的装置和方法，在传统的光频域反射传感装置中增加HCN气室进行同步采集，通过HCN吸收谱线峰值位置确立扫描起始以及终止波长进而保证每次扫频范围一致性。本发明所采用的装置和方法降低了对现有可调谐激光器的性能要求，同时减小了光谱移动量的误差，有效提高了分布式测量精度。本发明提供了一种利用HCN气室进行波长标定的基于OFDR技术的光纤应变测量方法，本发明利用了OFDR方法实现了对各个位置的应变或温度进行实时测量，利用HCN气室对可调激光器扫频信号的精确标定的特性，克服了可调激光器输出波长的准确度不足的问题，实现了光纤的应变实时准确测量。

Description

一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的 装置和方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的装置和方法。

背景技术

高精度分布式传感广泛应用于结构健康检测、表面面型测量、光纤三维形状传感等多个领域中,而光纤应变或温度的实时准确测量分布式传感中尤为重要。1998年MarkFroggatt提出的利用光频域反射(OFDR)中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高分辨率的分布式传感(High-spatial-resolution distributed strain measurement inoptical fiber with Rayleigh scatter)。该技术要求在两次测量过程(一次是参考状态，一次是物理量发生变化状态)激光器扫频范围，起始波长严格一致，也就是两次扫频的光谱是严格对准的。光源扫频光谱的不一致会导致解算的瑞利散射光谱发生变化，降低传感精度，造成了该技术测量误差。然而，目前可调激光器的输出波长由于受到自身以及环境干扰,输出的波长与理论设定的波长可能存在差距,调谐光源的扫频重复性较难实现。以法国Yenista公司的一款可调谐激光器为例，其调谐重复性在±5pm，而重复性较高的激光器，如安捷伦81607A，其重复性虽然在1pm内，但是其价格非常昂贵。找到一种有效并且经济的应用在光频域反射传感技术中进行光谱对准方案对提高物理量测量精度有着重要的意义和价值。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的装置，包括：用于为光频域反射***提供光源的扫描光源，所述扫描光源的光源出口端与光耦合器一相连接，所述光耦合器一通过c端口与主干涉仪相连接，所述主干涉仪与数据采集卡的输入端相连接；所述光耦合器一通过b端口与耦合器相连接，所述耦合器通过b端口与HCN波长标定模块相连接，所述HCN波长标定模块与数据采集卡相连接，所述HCN波长标定模块内设置有HCN气室和光电探测器，所述HCN气室的输出端与光电探测器相连接；所述第三光耦合器通过c端口与辅助干涉仪相连接，所述辅助干涉仪的输出端与数据采集卡相连接，所述数据采集卡与计算机相连接。

所述主干涉仪包括光耦合器、环形器、传感光纤第二光耦合器和平衡探测器，所述光耦合器的输入端与光耦合器一的c端口相连接，所述光耦合器的输出端与环形器和第二光耦合器相连接，所述第二光耦合器与平衡探测器相连接，所述平衡探测器的输出端与数据采集卡的输入端相连接；所述环形器与传感光纤相连接，所述环形器的输出端与第二光耦合器相连接。

所述辅助干涉仪包括第四光耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜、第一光电探测器和时钟整形模块，所述第四光耦合器的输出端与第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜相连接，所述第四光耦合器的输入端与第一光电探测器相连接，所述第一光电探测器与时钟整形模块相连接，所述时钟整形模块的输出端与数据采集卡相连接。

一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的方法，包括以下步骤：

S1：打开采集***，设置辅助干涉仪信号的过零点作为外部触发信号S_a；

S2：设可调谐激光器的扫频起始波长为λ_st，终止波长为λ_en，扫频开启，采集卡在触发信号S_a的触发下同步记录主干涉仪传感信号A_1M以及HCN气室数据A_1H；

S3：对HCN气室信号A_1H拟合得到气体吸收谱线的各个衰减峰,将拟合之后的衰减峰与气体吸收谱线进行对比,找到相应衰减峰所对应的编号,确定对应波长,查找衰减峰中心所对应的采样点位置,选取其中一个吸收峰波长作为λ₀，记录其对应的采样点位置P₁，同时将主干涉仪传感数据A_1M中的第P₁个数据作为本次测量的起始位置；

S4：选取两个衰减峰对应的波长λ_a和λ_b，计算其中附加干涉仪信号的过零点个数计为N₀,校准得到附加干涉仪过零点波长间隔Δλ_min，Δλ_min＝(λ_b-λ_a)/N₀；

S5：在主干涉仪中选取P₁点后面N点作为本次记录的采样数据,得到的长度为N的一维数列记作参考信号S₁,得到记录扫频范围Δλ＝N×Δλ_min；

S6：发生应变或温度变化后，重复S2，S3和S5，得到长度为N的另一维数列记作参考信号测量信号S₂；

S7：分别对S₁和S₂进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息，利用移动窗扫描传感光纤中的各个位置的信号，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置的参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号；

S8：对参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号进行互相关运算，得到测量信号相对于参考信号各个位置的互相关峰值偏离中心量，从而得到被测的应变值。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种在光频域反射传感技术中进行光谱对准的装置和方法，在传统的光频域反射传感装置中增加HCN气室进行同步采集，通过HCN吸收谱线峰值位置确立扫描起始以及终止波长进而保证每次扫频范围一致性。本发明所采用的装置和方法降低了对现有可调谐激光器的性能要求，同时减小了光谱移动量的误差，有效提高了分布式测量精度。本发明提供了一种利用HCN气室进行波长标定的基于OFDR技术的光纤应变测量方法，本发明利用了OFDR方法实现了对各个位置的应变或温度进行实时测量，利用HCN气室对可调激光器扫频信号的精确标定的特性，克服了可调激光器输出波长的准确度不足的问题，实现了光纤的应变实时准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种在光频域反射传感技术中利用HCN气室进行光谱对准的方法的流程图；

图2是在光频域反射传感技术中利用HCN气室进行光谱对准的装置示意图；

图3是归一化后的HCN气体吸收谱线标准谱线图；

图中的附图标记：1、计算机，2、扫描光源，3、光耦合器一，4、光耦合器,5、环形器，6、传感光纤，7、第二光耦合器，8、平衡探测器，9第三光耦合器，10第四光耦合器，11、第一法拉第旋转镜，12、第二法拉第旋转镜，13第一光电探测器，14、时钟整形模块，15、HCN气室，16、光电探测器，17、数据采集卡,18、HCN波长标定模块，19辅助干涉仪，20、主干涉仪。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的装置，包括：用于为光频域反射***提供光源的扫描光源2，其中扫描光源2的光频能够进行线性扫描，扫描光源2的光源出口端与光耦合器一3相连接，光耦合器一3通过c端口与主干涉仪20相连接，主干涉仪20与数据采集卡17的输入端相连接；光耦合器一3通过b端口与耦合器9相连接，所述耦合器9通过b端口与HCN波长标定模块18相连接，HCN波长标定模块18与数据采集卡17相连接，HCN波长标定模块18内设置有HCN气室15和光电探测器16，HCN气室15的输出端与光电探测器16相连接；第三光耦合器9通过c端口与辅助干涉仪19相连接，辅助干涉仪19的输出端与数据采集卡17相连接，数据采集卡17与计算机1相连接。

进一步的，所述主干涉仪20包括光耦合器4、环形器5、传感光纤6第二光耦合器7和平衡探测器8，光耦合器4的输入端与光耦合器一3的c端口相连接，所述光耦合器4的输出端与环形器5和第二光耦合器7相连接，第二光耦合器7与平衡探测器8相连接，所述平衡探测器8的输出端与数据采集卡17的输入端相连接；所述环形器5与传感光纤6相连接，所述环形器5的输出端与第二光耦合器7相连接。

进一步的，所述辅助干涉仪19包括第四光耦合器10、第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12、第一光电探测器13和时钟整形模块14，第四光耦合器10的输出端与第一法拉第旋转镜11和第二法拉第旋转镜12相连接，第四光耦合器10的输入端与第一光电探测器13相连接，第一光电探测器13与时钟整形模块14相连接，所述时钟整形模块14的输出端与数据采集卡17相连接。

一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的方法：包括以下步骤：

S1：打开采集***，设置辅助干涉仪信号的过零点作为外部触发信号S_a；

S2：设可调谐激光器的扫频起始波长为λ_st，终止波长为λ_en，扫频开启，采集卡在触发信号S_a的触发下同步记录主干涉仪传感信号A_1M以及HCN气室数据A_1H；

S3：对HCN气室信号A_1H拟合得到气体吸收谱线的各个衰减峰,将拟合之后的衰减峰与气体吸收谱线进行对比,找到相应衰减峰所对应的编号,确定对应波长,查找衰减峰中心所对应的采样点位置,选取其中一个吸收峰波长作为λ₀，记录其对应的采样点位置P₁，同时将主干涉仪传感数据A_1M中的第P₁个数据作为本次测量的起始位置；

S4：选取两个衰减峰对应的波长λ_a和λ_b，计算其中附加干涉仪信号的过零点个数计为N₀,校准得到附加干涉仪过零点波长间隔Δλ_min，Δλ_min＝(λ_b-λ_a)/N₀；

S5：在主干涉仪中选取P₁点后面N点作为本次记录的采样数据,得到的长度为N的一维数列记作参考信号S₁,得到记录扫频范围Δλ＝N×Δλ_min；

S6：发生应变或温度变化后，重复S2，S3和S5，得到长度为N的另一维数列记作参考信号测量信号S₂；

S7：分别对S₁和S₂进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息，利用移动窗扫描传感光纤中的各个位置的信号，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置的参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号；

S8：对参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号进行互相关运算，得到测量信号相对于参考信号各个位置的互相关峰值偏离中心量，从而得到被测的应变值。

实施例：

第1步、确定扫描光源的扫描范围范围起始波长，由于HCN气室15在一定波长范围(1525nm-1565nm)内，对某些特定波长的光具有吸收能力，并且具有很高的精度，由此选择HCN气室的某一吸收谱线峰值对应的波长λ₁，这里λ₁取1540.43120nm。取在可调谐激光器设置扫频起始波长λ₂终止波长为λ₃，为使标定准确的波长起始波长λ₂应该略小于λ₁，同时由扫描光源的精度条件可以选择λ₁为1540.00nm；

第2步、打开采集***，设置辅助干涉仪19信号的过零点作为外部触发信号，辅助干涉仪的产生干涉信号经过光电转换以及时钟整形，将干涉拍频信号整形为方波，由于我们对传感光纤6的数据测量处理需要用到快速傅里叶变换，这样采样的频率间隔要一致，这里辅助干涉仪19的过零点变满足频率的等间隔条件，所以从辅助干涉仪19出来的方波信号可以作为采集装置的外部时钟信号；

第3步、激光器扫频开启，同步记录主干涉仪传感数据A_1M以及HCN气室15数据A_1H，主干涉仪20传感数据是在传感光纤6中由传感段经瑞利散射形成拍频干涉信号，HCN气室15在一定波长范围(1525nm-1565nm)内，对某些特定波长的光具有吸收能力，并且具有很高的精度,HCN气室15的数据满足准确的波长标定条件；

第4步、对HCN数据A_1H拟合得到气体吸收谱线的各个衰减峰,将拟合之后的衰减峰与图中的气体吸收谱线进行对比,找到相应衰减峰所对应的编号,确定对应波长,查找衰减峰中心所对应的采样点位置,记录λ₁波长对应的采样点位置P₁，在干涉仪传感数据A_1M中的第P₁个数据作为该次测量的起始位置；为了使采样的过零点波长间隔尽可能地准确，需要取尽可能多的点数，即选取的两衰减峰之间的波长尽可能长，这里选取两个衰减峰对应的波长λ₁为1540.43120nm和λ₂为1544.51503nm，计算其中附加干涉仪信号的过零点个数，计为N₀,校准得到附加干涉仪过零点波长间隔Δλ_min；

第5步、要测量传感光纤6的应变值和温度变化值，需要采用未变化时的传感光纤作为参考量，于是P₁后面选取N点作为本次记录的采样数据,也就是参考信号S₁,得到记录扫频范围Δλ＝N×Δλ_min；

第6步，发生应变或温度变化后，重复第3步到5步，得到测量信号S₂；

第7步，分别对S₁和S₂进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息，利用移动窗扫描传感光纤中的各个位置的信号，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置的参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号；

第8步，对参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号进行互相关运算，得到测量信号相对于参考信号各个位置的互相关峰值偏离中心量，得到被测物理量，即对应的应变量和温度变化量。

综上所述，本发明利用了OFDR方法实现了对各个位置的应变进行实时测量，利用HCN气室15对可调激光器扫频信号的精确标定的特性，克服了可调激光器输出波长的准确度不足的问题，实现了光纤的应变和温度变化的实时准确测量。

下面结合具体的应变传感装置对上述的方案进行详细的描述，详见下文描述：

扫描光源2以一定的扫描速率输出连续波长的光，扫描光源2发出的光从90/10光耦合器3的a通道口输入，被90/10光耦合器3分成两束光信号,其中弱的一束光信号从b通道口输出，经过50/50光耦合器11的a通道口进入光耦合器11，被50/50光耦合器11分成光强相等的两束光信号，其中一束光信号从50/50光耦合器11的b通道口输出，进入HCN气室17，固定频率范围的光信号在气室内被气体分子吸收,被吸收之后的光信号经过光电探测器18转换为电信号,用以标定光源的波长范围，通过调节数字采集卡19的采样率对模拟信号进行采集。另外一束光从50/50光耦合器11的c通道口输出，光从50/50光耦合器12的a通道口进入，从光耦合器的c和d端口出射,分别被两臂的第一法拉第旋转镜13和第二法拉第旋转镜14反射,返回到耦合器12的c、d端口，两束光在光耦合器中发生干涉，从光耦合器的12的b端口输出，出射光进入探测器15，探测器将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至时钟整形模块，时钟整形模块将干涉拍频信号整形为方波，整形后的信号传输至数字采集卡19，作为采集装置的外部时钟信号。从90/10光耦合器3出射的较强的一束光信号从3的c通道口输出，经过50/50光耦合器4的a通道口进入光耦合器4，被50/50光耦合器4分成光强相等的两束光信号，其中一束光信号从50/50光耦合器4的b通道口输出，进入50/50光耦合器7的a通道口，另一束光信号从50/50光耦合器4的c通道口输出，进入环形器5的a通道口，从环行器5的c端口进入传感光纤,而传感光纤的背向散射光从环行器5的c端口进入，从环行器4的b端口输出，进入50/50光耦合器7的b通道口与a通道口进入的光信号进行合束，形成拍频干涉并从50/50光耦合器7的c端口和d端口输出至第一偏振分束器8和第二偏振分束器9，然后进入平衡探测器10，平衡探测器10将输出的模拟电信号传输至数字采集卡19,数字采集卡19在时钟整形模块21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1，计算机1对数字采集卡19采集的干涉信号进行数据处理，实现利用HCN气室进行波长标定的基于OFDR技术的光纤应变测量。

用于波长扫描***的实时波长标定方法的数据处理过程,其包括对经过气室后采集的数据进行处理,根据气室的功能可知,气体分子只对特定波长的光信号能量进行吸收,并且不同波长位置光功率衰减的程度不同,图3给出经过气室后,光功率下降的波长位置以及归一化后的下降程度,图中将气体吸收之后的各个衰减峰进行了编号,并且分为R和P两个部分,各个衰减峰中心所对应的波长可以通过查表1获得

表1

根据气室的该功能,首先需要对采集的数据进行拟合处理,拟合出HCN气体吸收谱线的各个衰减峰,采用Voigt曲线对气体吸收谱线的各个衰减峰进行拟合,将拟合之后的衰减峰与图3中的气体吸收谱线进行对比,找到相应衰减峰所对应的编号,通过查表1即可知道该衰减峰中心所对应的波长,通过查找衰减峰中心所对应的采样点,根据采样率可知该采样点所对应的采样时间,已知衰减峰中心所对应的波长和采样时间,即可实现对扫描光源进行实时标定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用HCN气室在光频域反射传感***中进行光谱校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：打开采集***，设置辅助干涉仪信号的过零点作为外部触发信号S_a；

S2：设可调谐激光器的扫频起始波长为λ_st，终止波长为λ_en，扫频开启，采集卡在触发信号S_a的触发下同步记录主干涉仪传感信号A_1M以及HCN气室数据A_1H；

S3：对HCN气室信号A_1H拟合得到气体吸收谱线的各个衰减峰,将拟合之后的衰减峰与气体吸收谱线进行对比,找到相应衰减峰所对应的编号,确定对应波长,查找衰减峰中心所对应的采样点位置,选取其中一个吸收峰波长作为λ₀，记录其对应的采样点位置P₁，同时将主干涉仪传感数据A_1M中的第P₁个数据作为本次测量的起始位置；

S4：选取两个衰减峰对应的波长λ_a和λ_b，计算其中附加干涉仪信号的过零点个数计为N₀,校准得到附加干涉仪过零点波长间隔Δλ_min，Δλ_min＝(λ_b-λ_a)/N₀；

S5：在主干涉仪中选取P₁点后面N点作为本次记录的采样数据,得到的长度为N的一维数列记作参考信号S₁,得到记录扫频范围Δλ＝N×Δλ_min；

S6：发生应变或温度变化后，重复S2，S3和S5，得到长度为N的另一一维数列记作测量信号S₂；

S7：分别对S₁和S₂进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息，利用移动窗扫描传感光纤中的各个位置的信号，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置的参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号；

S8：对参考信号和测量信号的瑞利散射光谱信号进行互相关运算，得到测量信号相对于参考信号各个位置的互相关峰值偏离中心量，从而得到被测的应变值。

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