[发明专利]一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与测量精度的方法

说明书

一种基于模式复用提高传感系统空间分辨率与物理量测量精度的方法，使用少模光纤同时作为传感系统的信号传输介质和敏感元件，利用光开关和模式分离器连接前端系统和少模光纤；前端系统为光纤传感系统或分布式光纤传感系统，能实现多种物理量测量；少模光纤中传输的每一模式信号均可像基于单模光纤的光纤传感技术一样提取有用的待测信息，实现扰动事件的精确定位；对于各模式获取的信号分别计算出待测物理量所处的位置点，各模式信号对于测量事件的起始位置存在一定的定位差异，综合分析各模式的测量结果，采用平均和差分等算法以不同的处理流程进行操作，分别提升系统物理量测量精度和空间分辨率。

技术领域

本发明涉及一种通过对少模光纤中所传输的信号进行模式复用实现光纤传感的方法及系统，尤其涉及一种提高空间分辨率和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的光纤传感方法及系统，属光纤传感领域。

背景技术

光纤传感系统尤其是分布式光纤传感系统既以光纤作为敏感元件，又以光纤作为信号传输介质，可根据光纤中所传输光信号产生的散射进行外界物理信息的感知，相比于其它传感技术，因其可实现长距离连续监测、高灵敏度、检测范围广、抗电磁干扰等诸多优势被广泛应用于大型建筑物健康监测、管道监测、周界安防以及地质检测等领域。随着技术的不断发展以及对于传感器要求的提升，高精度测量成为分布式光纤传感系统的重要研究方向之一。为实现高精度测量，空间分辨率和振动、应变、温度、湿度、损耗等物理量测量精度的提升都是研究的关键。空间分辨率是系统能区分开传感光纤上相邻最近两个事件点的能力。振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度是指待测物理量观测值与真实值之间的一致程度。通过这两项参数指标的提升可以实现系统的高精度测量。

目前，科学家们主要通过诸如先进的新型光纤、高性能探测器、高精度信号检测处理技术等不同的技术路线来实现高精度分布式光纤传感。近几年，国内外研究者通过不同方式不断提升系统的测量精度和空间分辨率。如，2010年，潘政清课题组提出一种光纤光栅分布式应变传感器，通过光纤光栅进行定位，并在光纤衰荡腔中加入掺铒光纤放大器构建有源衰荡腔，获得光脉冲衰荡序列，以实现空间分辨率提升。2013年，南安普顿大学AliMasoudi等人利用马赫-曾德干涉仪结构与布里渊光时域反射系统(BOTDR)结合，通过微分交叉相乘法解调，提高应变分辨率和空间分辨率。2015年，缪文韬等人提出专利“一种光纤传感器及其制作方法”，公开了一种提高空间分辨率和定位精度的光纤传感器，通过增大缠绕于缆芯上的光纤单元长度实现。2016年，华南理工甘久林等人提出基于脉冲对二次频谱差技术，通过注入脉宽略有差异的光脉冲对，对得到的布里渊散射信号进行二次频谱差运算实现空间分辨率提升和高精度温度应变测量。2018年，徐团伟、冯圣文等人提出一种双波长分布式光纤声传感系统，在OTDR中引入了双M-Z干涉仪结构，结合差分和自适应二维双边滤波算法，对利用波分复用的方式获得两个空间分辨率不同但相近的相位解调结果相减，获得高空间分辨率等。

少模光纤(Few Mode Fiber,FMF)是一种纤芯面积足够大、足以利用几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。本发明提供了一种基于模式复用技术提高传感系统的空间分辨率和振动、应变、温度、湿度或损耗等物理量测量精度的方法，利用FMF作为系统的信号传输介质和敏感元件，通过分离FMF中传输的多个模式信号，将各个模式信号分别预处理后，结合改进的数据处理方法，再进行模式复用。实现高精度测量，该发明系统结构简单、便于工程应用。

发明内容