CN109682321A - 基于自适应参考补偿的分布式应变传感***及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***及其测量方法，该***包括光源模块、脉冲调制模块、环形器、应变传感光缆、相干接收模块、信号处理模块和自适应补偿模块。本***通过相干相位解调的方式，实时解调出应变传感光缆中各点的相位信息。特殊封装的应变传感光缆中含有应变传感光纤和参考光纤，通过参考光纤中的相位变化，对应变传感光纤进行温度漂移与激光频率漂移引起的相位噪声的实时补偿。为了实现高精度的相位补偿，本***采用自适应补偿方法对参考光纤的相位信息进行实时追踪和自适应相位补偿。与现有技术相比，该***可以有效抑制温度漂移和激光光源相位抖动，实现高精度的分布式应变传感。

Description

基于自适应参考补偿的分布式应变传感***及其测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***及其测量方法。

背景技术

我国是一个地震多发国家，地震活动地带众多，历史上强震频发，强震给我国人民造成了严重的生命财产损失。研究地震规律，找到地震的确定性前兆，实现准确的地震预报是目前急需解决的重点问题。李四光院士曾经指出：地震的发生主要是由于地壳运动在岩层中引起的地应力与岩石抵抗能力之间的矛盾逐步发展和激化的结果，对地应力进行观测，找出地应力有关的性质、特点以及作用方式和变化规律，才有可能对地震发生的地点、时间、频度和强度作出科学的判断。因此，高精度的地形变、地应力测量仪器是实现地震预测预报的关键设备和研究重点。

目前，地应力观测仪器主要包括架设在山洞中的硐室伸缩应变仪以及安装在岩层钻孔中的钻孔应变仪。伸缩应变仪主要靠长度稳定性良好的基准杆与两个基墩之间距离的比较实现地层应变的观测。然而，现有的伸缩应变仪一般需要较长的基准杆实现高灵敏的应变探测，因此安装的建设成本较高。分量式钻孔应变仪通过测量钻孔不同方向的直径变化，实现对水平地层应变的探测。相对于硐室伸缩应变仪，钻孔应变仪无需开凿大尺寸的山洞，因此安装成本较低，但钻孔应变仪只适合用于地应力的相对变化测量。同时若应变仪安装方式不合理，固定点位置发生蠕动，水泥膨胀、杆长变化等多种无法预测的因素都会使观测数据中混入各种形式的长周期噪声，难以实现长期准确的地应力观测。而且现有的电学应变仪只能进行单点的地应变测量，因此存在“测处未变、变处未测”的不足，在地震预测研究中可能会错过一些关键的地层应力信息。

光纤应变仪具有抗电磁干扰、电绝缘、无源等特点，在野外复杂环境的长期观测中具有特殊优势。因此，基于光纤干涉仪、光纤布拉格光栅和光纤光栅激光器等结构的光纤应变仪在近年来发展迅速。然而，由于光纤本身的特性容易受到温度变化的影响，因此光纤应变仪的长期稳定性一直是实际应用中的关键问题。同时，基于光纤干涉仪和光纤光栅激光器也难以进行大容量的级联复用，实现大范围的地形应力测量。因此，大范围、高精度的光纤分布式应力测量方法依然是亟待解决的科学问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***及其测量方法，旨在解决现有光纤传感***测量易受温度影响、范围小和精度不高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***，包括：

光源模块，用于产生两路连续的窄线宽激光探针光和本振光；

脉冲调制模块，其输入端与光源模块输出端连接，用于将连续窄线宽探针光进行脉冲调制并移频，输出短脉冲激光序列；

环形器，其输入端与脉冲调制模块输出端连接，用于实现短脉冲光序列与多个散射射光序列在传感光纤中双向传输；

应变传感光缆，刻写有散射增强点，其输入端与脉冲调制模块输出端连接，输出端与环形器的第一输出端连接，短脉冲激光序列由散射增强点散射出多个散射光序列；

相干接收模块，其一个输入端与光源模块的本振光输出端相连，另一个输入端与环形器的第二输出端连接，用以使本振光与散射光干涉形成光拍频信号，并将多个光拍频信号转化为电信号，输出多个拍频序列；

信号处理模块，其输入端与相干接收模块的输出端连接，用以解调拍频序列中相邻拍频信号之间的相位差，得到相位差序列；

自适应补偿模块，其输入端与信号处理模块的输出端相连，用以对应变传感相位进行自适应参考补偿。

本发明利用应变传感光缆的相干相位检测，实现高灵敏度的分布式应变测量。采用基于参考传感器的自适应相位补偿***，降低因***散粒噪声和光纤温度与应变交叉灵敏度带来的低频噪声。由此克服现有的光纤应变传感器复用容量小，温度与应变的交叉度高，低频噪声较大，零飘稳定性较差等缺陷，实现高精度、大范围的分布式应变传感。

进一步地，应变传感光缆包括：

微结构光纤，微结构光纤上刻写了多个等间距散射增强点，用于增强单模光纤中的后向瑞利散射；

封装金属套管，用以封装微结构光纤，形成传感光缆，并对微结构光纤进行热传导；

光纤夹具，用以将微结构光纤固定在金属套管内，光纤夹具被施加预应力。

进一步地，微结构光纤对折封装在金属套管内，其中一段光纤作为应变传感光纤，通过金属化焊接的方式固定在金属套管上，其长度随金属套管的应变而变化；另一段光纤作为参考光纤，松散地放置于金属套管上，不受金属套管应变的影响。

进一步地，对折的两段微结构光纤上的散射增强点数目相同，并对每个散射增强点一一标记，保证封装的两段光纤上的散射增强点的按首尾顺序一一对齐。

进一步地，自适应补偿模块包括：

自适应滤波器，其输入端与信号处理模块的输出端连接，用于对参考相位进行自适应滤波，自适应调整温度漂移和激光频率漂移所引起的相位波动的补偿系数；自适应滤波器还会对参考相位和应变传感相位进行梯度估计和均值估计，若应变传感相位的梯度大于参考相位的平均梯度，则会对应变传感相位和参考相位进行均值估计，从应变传感相位中减去两者之间的均值差，再进行自适应补偿，最后在补偿相位中加上均值差；其中自适应滤波器的步长为自适应补偿应变传感相位与参考相位的比值的平方；

减法器，其输入端与自适应滤波器的输出端连接，用于将调整过后的参考补偿相位从应变传感相位中减去，实现低频相位噪声的自适应补偿。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***的测量方法，包括探针光经频移并被调制成多个短脉冲序列，每个短脉冲序列在应变传感光缆中经多个散射增强点反射形成短脉冲子序列，返回的背向散射光脉冲子序列与本振光进入相干接收模块发生干涉形成拍频光信号子序列，拍频光信号子序列分为应变传感子序列和参考子序列两部分，通过相干检测得到对应的每个应变传感点和参考点的相位信息，每个应变传感点和参考点的相位信息输入到自适应补偿模块中，通过自适应补偿将调整过后的参考补偿相位从应变传感相位中减去，获得自适应补偿应变传感相位。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、采用基于自适应参考补偿的分布式相干相位解调技术，可以实现高灵敏度、大范围的分布式地应变测量，有效解决现有的单点应变仪存在传感测量盲区的问题；

2、对微结构光纤进行特殊封装，通过参考光纤对传感光纤进行补偿，可以有效降低因为光纤温度与应变交叉灵敏度引起的测量误差；

3、采用自适应滤波***实现高精度的自适应低频噪声补偿，有效提高***的零漂稳定性，实现长期稳定的高精度地应变测量。

附图说明

图1是本发明提供的基于自适应参考补偿的分布式应变传感***的结构示意图；

图2是本发明提供的应变传感光缆结构示意图；

图3是本发明提供的自适应降噪***的结构示意图；

图4是本发明实施例中信号处理模块接收的传感拍频子序列和参考拍频子序列时域图；

图5是本发明实施例中信号处理模块输出的参考相位、应变传感相位，以及自适应补偿模块输出的补偿相位的相位变化时域图；

图6是本发明实施例中信号处理模块输出的参考相位、应变传感相位、以及自适应补偿模块输出的补偿相位的相位噪声功率密度图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明提供的基于自适应参考补偿的分布式光纤应变传感***示意图，分布式应变传感***包括光源模块1，光源模块1用于产生两路连续的窄线宽激光，两路输出光分别与脉冲调制模块2和相干接收模块5相连。脉冲发生模块2，其输入端与光源模块1的输出端连接，将第一路连续窄线宽激光调制为短脉冲激光序列，并产生一定的频移，脉冲调制模块2的输出端与环形器3的a端口连接，环形器3的b端口与特殊封装的应变传感光缆4连接。因此，由脉冲发生模块2产生的短脉冲激光序列经过环形器3注入到应变传感光缆4后，经过应变传感光缆4反射回来，然后通过环形器3的c端口返回相干接收模块5的第二输出端。相干接收模块5的输出端与信号处理模块6的输入端连接。从应变传感光缆4反射回来的散射光，在相干接收模块5中，与光源模块1发出的第二路连续窄线宽激光进行干涉叠加，形成拍频子序列。信号处理模块6通过接收到拍频子序列的时间，确定应变传感光缆4中每个应变传感点和参考点的位置，然后再对这些拍频子序列进行相位解调恢复出每个应变传感点和参考点的相位信息。信号处理模块6获得的应变传感点的传感信号和参考点的参考信号输入到自适应补偿模块7中，自适应补偿模块7根据参考信号的相位值，对传感信号进行自适应降噪，消除传感信号中由于温度波动和激光器频率漂移引起的低频相位噪声。

具体的，如图2所示，应变传感光缆4包括微结构光纤41，通过紫外激光在单模光纤上刻写112个间隔为5m的散射增强点构成的，全长为570m，对应的应变传感光纤44和参考光纤45分别含有56个散射增强点，并保证第n(n＝1,2,3···，N)个散射增强点与第2N+1-n(n＝1,2,3···，N)个散射增强点对齐，然后封装在金属套管46内。散射增强点用于增强单模光纤中的后向瑞利散射，提高散射光的信噪比。其中应变传感光纤44每个散射增强点都通过光纤夹具42固定在金属套管46上，并施加了一定的预应力。而参考光纤45则完全松弛地放置在金属套管46内。因此，当应变作用在金属套管46上时，应变传感光纤44会随金属套管46产生应变，而参考光纤45则完全不受影响。而应变传感光纤44和参考光纤45则处于同一个温度环境中，因此可以实现有效的温度补偿。

本发明提供的分布式应变传感***的实施例中，脉冲调制模块2输出的短脉冲激光序列，每个短脉冲光的持续时间为两个相邻短脉冲间隔其中，n为光纤折射率，l为微结构光纤41中两个散射增强点43之间的距离，c为光速，L为微结构光纤41的总长度。由于两个相邻短脉冲激光的时间间隔大于短脉冲激光在微结构传感光缆中的最大来回传输时间，因此每个反射光信号序列之间不会重叠。而且短脉冲激光的持续时间小于相邻散射增强点的来回传输时间，所以反射光信号序列内每个散射增强点的脉冲信号不会重叠，因此根据反射光脉冲传输时间的不同，可以精准确定每个散射增强位置。

本发明提供的实施例中，光源模块1发出的激光波长为1550.7nm，进入脉冲调制模块2和进入相干接受模块5的两路激光光强比为90:10。光脉冲发生模块2产生的短脉冲持续时间为30纳秒，脉冲间隔为1微秒，并会给激光脉冲附加200MHz的频移。相干接受模块5中含有一个分光比为50：50的2×2耦合器以及带宽为800MHz的平衡探测器。信号处理模块6采样率为2G/s，分辨率为8bit。

图3是本发明实施例的自适应补偿模块7的原理框图。自适应补偿模块7中包括一个减法器71和自适应滤波器72。从信号处理模块中输出的应变传感信号以及参考光纤的参考信号分别输入到自适应补偿模块7中，自适应滤波器71先对参考信号进行滤波，然后与应变传感信号相减，获得补偿后的信号输出。然后根据当前的补偿输出的值，对自适应滤波器的***函数进行更新，实现高精度的自适应补偿。

本发明提供的实施例中，光脉冲调制器2在调制短脉冲激光序列的同时，会给信号处理模块6发送触发信号，实现拍频序列的采集与脉冲激光序列同步。相干接收模块6接收到的拍频序列可以按时间顺序表示为：{x_m}；m＝1,2,3…,M。每个短脉冲光注入到传感光缆4后，传感光缆4中的112个散射增强点会反射产生112个反射光脉冲信号子序列。其中前56个散射光脉冲拍频为应变传感光纤反射的拍频信号，按时间顺序可以标记为：{x_ms(k)；k＝1,2,…56}。后N个散射光脉冲拍频为参考光纤反射的拍频信号，按时间顺序可以标记为：{x_mr(k)；k＝1,2,…56}。当传感光缆4上产生一定的应变时，应变传感光纤44中相邻两个散射增强点之间的距离会发生变化，因此两个散射增强点反射回来的的光拍频信号x_ms(k)和x_ms(k+1)之间的相位差就会发生改变，而参考部分{x_mr(k)}则不会被应变所影响。而当传感光缆4的温度发生变化时，温度会同时影响应变传感光纤和参考光纤上的拍频信号之间的相位差，因此可以采用相同位置的参考光纤上的相位变化，对应变传感信号进行实时的相位噪声补偿。图4为信号处理模块6中接收到的拍频子序列时域图，其中前56个拍频信号为应变传感拍频子序列{x_ms(k)}，后56个拍频信号为参考拍频子序列{x_mr(k)}，并且第k个应变传感拍频x_ms(k)与第N+1-k(N＝56)参考拍频x_ms(N+1-k)相对应。信号处理模块6通过相位解调将应变传感拍频序列{x_ms}和参考拍频序列{x_mr}恢复为微结构光纤上每个散射增强点之间的相位变化和经过解算后的传感相位序列和参考相位序列输入到自参考补偿模块7中，自参考补偿模块7根据参考相位序列对进行实时的相位补偿，自适应补偿包括以下步骤：

(1)根据应变传感相位子序列的个数，设置55个16阶FIR(Finite ImpulseResponse，有限长单位冲激响应)自适应滤波器***函数{w_i(j)；i＝1,2,…,M；j＝1,2,…,55；}；初始***函数{w₀(j)}＝0；

(2)判断参考相位子序列i是否大于16，若是，进入步骤(3)，否则，令相位补偿输出{w_i(j)}＝0；i＝i+1；重复步骤(2)；

(3)判断应变传感相位与的梯度差是否大于参考子序列的平均梯度，若是，对应变传感相位和参考相位进行局部均值估计，并得到局部均值差A(ij)；否则，令A(ij)＝0；

(4)对参考相位子序列的中的第j个参考相位根据当前的滤波器***函数w_i(j)进行FIR滤波，得到滤波后的参考输出

(5)将应变传感相位减去滤波后的参考输出得到相位补偿后的补偿输出

(6)根据补偿输出与参考相位的比值的平方设置自适应步长μ；

(7)根据自适应步长μ和补偿输出更新自适应滤波器的***函数w_i+1(j)；

(8)判断相位次序j是否等于N-1，若是，进入步骤(9)，否则，令j＝j+1，重复步骤(3)～(7)；

(9)令相位子序列i＝i+1，重复步骤(3)～(8)；

(10)根据第j个参考补偿信号在i＝1时的补偿相位输出的强度获得第j个传感点所受到的应变变化。

本实施例实现了570m长度上5m空间分辨率的分布式应变传感。图5是本发明实施例中j＝55时的应变传感相位、参考相位以及补偿输出相位的时域波动图。图6是本发明实施例中j＝55时的应变传感相位、参考相位以及补偿输出相位的功率谱密度。可以看出基于参考相位的自适应补偿***相对于传统的相位解调技术，***零漂被明显抑制，低频相位噪声降低了40dB。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***，其特征在于，包括：

光源模块(1)，用于产生两路连续的窄线宽激光探针光和本振光；

脉冲调制模块(2)，其输入端与所述光源模块(1)输出端连接，用于将所述连续窄线宽探针光进行脉冲调制并移频，输出短脉冲激光序列；

环形器(3)，其输入端与所述脉冲调制模块(2)输出端连接，用于实现短脉冲光序列与多个散射射光序列在传感光纤中双向传输；

应变传感光缆(4)，刻写有散射增强点，其输入端与所述脉冲调制模块(2)输出端连接，输出端与环形器(3)的第一输出端连接，所述短脉冲激光序列由散射增强点散射出多个散射光序列；

相干接收模块(5)，其一个输入端与所述光源模块(1)的本振光输出端相连，另一个输入端与所述环形器(3)的第二输出端连接，用以使本振光与散射光干涉形成光拍频信号，并将多个光拍频信号转化为电信号，输出多个拍频序列；

信号处理模块(6)，其输入端与相干接收模块(5)的输出端连接，用以解调拍频序列中相邻拍频信号之间的相位差，得到相位差序列；

自适应补偿模块(7)，其输入端与信号处理模块(6)的输出端连接，用于对应变传感相位进行自适应参考补偿。

2.根据权利要求1所述的分布式应变传感***，其特征在于，所述应变传感光缆(4)包括：

微结构光纤，所述微结构光纤上刻写了多个等间距散射增强点，用于增强单模光纤中的后向瑞利散射；

金属套管，用以封装微结构光纤形成传感光缆，并对微结构光纤进行热传导；

光纤夹具，用以将所述微结构光纤固定在所述金属套管内，所述光纤夹具被施加预应力。

3.根据权利要求2所述的分布式应变传感***，其特征在于，所述微结构光纤对折封装在金属套管内，其中一段光纤作为应变传感光纤，通过金属化焊接的方式固定在金属套管上，长度随金属套管的应变而变化；另一段光纤作为参考光纤，松散地放置于金属套管上，长度不受金属套管应变而变化。

4.根据权利要求2和3所述的分布式应变传感***，其特征在于，所述应变传感光纤和所述参考光纤的散射增强点数目相同，并对每个散射增强点一一标记，保证两段光纤上的散射增强点的按首尾顺序一一对齐。

5.根据权利要求1所述的分布式应变传感***，其特征在于，所述自适应补偿模块(7)包括：

自适应滤波器，其输入端与信号处理模块(6)的输出端连接，用于对参考相位进行自适应滤波，自适应调整温度漂移和激光频率漂移所引起的相位波动的补偿系数；

减法器，其输入端与所述自适应滤波器的输出端连接，用于将调整过后的参考相位从应变传感相位中减去，实现低频相位噪声的自适应补偿。

6.根据权利要求5所述的分布式应变传感***，其特征在于，所述自适应滤波器包括对参考相位和应变传感相位进行均值估计；

若应变传感相位的梯度大于参考相位的梯度，则对应变传感相位和参考相位进行均值估计，从应变传感相位中减去所述应变传感相位和参考相位的均值差，再进行自适应补偿，最后在自适应补偿应变传感相位加上所述应变传感相位和参考相位的均值差。

7.据权利要求5所述的分布式应变传感***，其特征在于，所述自适应滤波器的步长为所述自适应补偿应变传感相位与参考相位的比值的平方。

8.一种基于自适应参考补偿的分布式应变传感***的测量方法，其特征在于，所述探针光经频移并被调制成多个短脉冲序列，每个短脉冲序列在应变传感光缆中经多个散射增强点反射形成短脉冲子序列，返回的背向散射光脉冲子序列与所述本振光进入相干接收模块发生干涉形成拍频光信号子序列，所述拍频光信号子序列分为应变传感子序列和参考子序列两部分，通过相干检测得到对应的每个应变传感点和参考点的相位信息，所述每个应变传感点和参考点的相位信息输入到自适应补偿模块中，通过自适应补偿将调整过后的参考补偿相位从应变传感相位中减去，获得自适应补偿应变传感相位。