[发明专利]基于光频域反射高速分布式应变测量系统和方法

权利要求书

1.一种基于光频域反射高速分布式应变测量方法，所采用的测量系统包括：可调谐激光器（1）、90：10保偏光分束器（4）、计算机（19）、USB控制线（20）、模数采集装置（15）、基于辅助干涉仪的时钟触发装置（22）和主干涉仪（21），其中，

基于辅助干涉仪的时钟触发装置（22）包括：第一平衡探测器（2）、50：50耦合器（5）、延迟光纤（6）、第一法拉第转镜（7）、第二法拉第转镜（8）和第一环形器（9）；基于辅助干涉仪的时钟触发装置（22）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（21）包括：80：20保偏耦合器（3）、第二环形器（10）、光混合器（13）、第二平衡探测器（16）、第三平衡探测器（17）、参考臂（11）、测试臂（12）、拉伸位移台（14）和传感光纤（18）；

USB控制线（20）的输出端与可调谐激光器（1）的输入端相连；USB控制线（20）的输入端与计算机（19）的输出端相连；可调谐激光器（1）与90：10保偏光分束器（4）的a端口相连；90：10保偏光分束器（4）的b端口即10%分光口与第一环形器（9）的a端口相连；90：10保偏光分束器（4）的c端口即90%分光口与80：20保偏耦合器（3）的a端口相连；第一环形器（9）的b端口与50：50耦合器（5）的a端口相连；第一环形器（9）的c端口与第一平衡探测器（2）的输入端相连； 50：50耦合器（5）的b端口与第一平衡探测器（2）的输入端相连； 50：50耦合器（5）的c端口通过延迟光纤（6）与第一法拉第转镜（7）相连；50：50耦合器（5）的d端口与第二法拉第转镜（8）相连；第一平衡探测器（2）的输出端与模数采集装置（15）的输入端相连；80：20保偏耦合器（3）的c端口即20%分光口通过参考臂（11）与光混合器（13）的输入端a相连；80：20保偏耦合器（3）的d端口即80%分端口通过测试臂（12）与第二环形器（10）的a端口相连；第二环形器（10）的c端口与传感光纤（18）相连；第二环形器（10）的b端口与光混合器（13）的输入端b相连；光混合器（13）的输出端c和输出端d与第二平衡探测器（16）的两个输入端相连；光混合器（13）的输出端e和输出端f与第三平衡探测器（17）的两个输入端相连；第二平衡探测器（16）的输出端与模数采集装置（15）的输入端相连；第三平衡探测器（17）的输出端与模数采集装置（15）的输入端相连；模数采集装置（15）的输出端与计算机（19）的输入端相连；

计算机（19）通过USB控制线（20）控制可调谐激光器（1）控制调谐速度、中心波长、调谐启动；可调谐激光器（1）的出射光由90：10保偏光分束器（4）的a端口进入，并以10：90的比例从90：10保偏光分束器（4）的b端口经过第一环形器（9）进入50：50耦合器（5）的a端口，光从50：50耦合器（5）的a端口进入，从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（7）和第二法拉第转镜（8）反射，返回到50：50耦合器（5）的c、d端口，两束光在50：50耦合器（5）中发生干涉，从50：50耦合器（5）的b端口输出；50：50耦合器（5）从b端口的出射光进入第一平衡探测器（2），第一平衡探测器（2）将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置（15），作为模数采集装置（15）的外部时钟信号；

可调谐激光器（1）的出射光由90：10保偏光分束器（4）的a端口进入，从90：10光分束器（4）的c端口即90%分光口进入80：20保偏耦合器（3）的a端口；经过80：20保偏耦合器（3）从c端口即20%分光口进入参考臂（11），从d端口80%分光口进入测试臂（12）上的第二环形器（10）的a端口；光从第二环形器（10）的a端口进入，从第二环形器（10）的c端口进入拉伸区（23）中的传感光纤（18），而传感光纤（18）的背向散射光从第二环形器（10）端口c端口进入，从第二环形器（10）端口b端口输出；参考臂（11）中输出的参考光进入光混合器（13）的a端口与第二环形器（10）端口b端口进入光混合器（13）的b端口的参考光进行合束，形成拍频干涉；光混合器（13）通过c端口、d端口输入到第二平衡探测器（16），第二平衡探测器（16）将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置（15）；光混合器（13）通过e端口、f端口输入到第三平衡探测器（17），第三平衡探测器（17）将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置（15）；模数采集装置（15）在辅助干涉仪的时钟触发装置（22）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（19）；

可调谐激光器（1），为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描；

第一环形器（9），用于防止辅助干涉仪中50：50耦合器（5）的b端口反射光进入激光器；

50：50耦合器（5），用于光干涉；

延迟光纤（6），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；

拉伸位移台（14），用于拉伸传感光纤（18）使其产生可控的精密应变；

第一法拉第转镜（7）和第二法拉第转镜（8）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；

光混合器（13），用于对信号进行偏振分束，使参考光和测试光在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致，消除偏振衰落噪声的影响，实现参考光和测试光的合束，形成拍频干涉；

计算机（19），用于对模数采集装置（15）采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光频域反射中利用长距离光纤光栅即传感光纤（18）测量分布式光纤应力的光纤传感；

基于光频域反射高速分布式应变测量方法，包括如下步骤：

第一步，初始化：设置可调谐激光器的扫频模式、初始波长、终止波长参数，将其扫频模式设置为初始波长到终止波长即正向扫频，终止波长再到初始波长即逆向扫频的周期往返模式；初始化模数采集装置的触发方式、采集通道、数据大小参数；初始化计算机CPU的RAM和ROM，将RAM划分为RAM1和RAM2，RAM1和RAM2的存储空间大小根据单向扫频一次所采集的数据量确定；初始化计算机GPU的参数，进行GPU内存参数的分配；

第二步，模数采集装置在可调谐激光器的触发下，由辅助干涉仪产生的时钟信号触发开始采集等频率间隔的数据，模数采集装置开始向CPU的RAM1中传输数据；当RAM1存储空间存满后，模数采集装置向RAM2中传输数据，CPU将RAM1中的数据传输到GPU中进行传感信息处理，这组数据作为正向扫频参考数据，由可调谐激光器正向扫频一次获得；当RAM2存满时，模数采集装置向RAM1中传输数据，同时RAM2中的数据传输到GPU中作为逆向扫频参考数据，由可调谐激光器逆向扫频一次获得；此两次参考数据在整个数据处理过程中被存储在GPU中，等到下一步各自的测量数据进入GPU中时进行计算；当RAM1再次存满时，传输到GPU的RAM1数据为正向扫频测量数据，当RAM2再次存满时，传输到GPU的RAM2数据为逆向扫频测量数据；由GPU并行计算处理数据的步骤中，相对于正向扫频参考数据和正向扫频测量数据的处理，逆向扫频参考数据和逆向扫频测量数据的处理除了在求互相关峰最大值位置需要取反之外，其他步骤与正向处理流程相同；

第三步，在GPU中，对正向扫频参考数据和正向扫频测量数据，按照可调谐激光器的扫频长度被分成k段,对每段数据的处理流程相同；

第四步，数据类型强制转换核函数：为了后面核函数的运算，对分段后进入GPU的参考数据和测量数据进行数据类型由short至float的强制转换；

第五步，快速正向傅里叶变换库函数：对经过数据转换后的每段参考数据和测量数据进行正向快速傅里叶变换，变换后为沿光纤测试距离对应各个位置的复信号；

第六步，分段补零核函数：取分段的窗点数为N，每段数据的补零点为M，补零过程，将经过快速正向傅里叶变换后的每段参考数据和测量数据，各自被分成了每M+N点为一组的数据；

第七步，分段快速逆向傅里叶变换库函数：将分段补零后的参考数据和测量数据各自每M+N个点进行快速逆向傅里叶变换，由距离域转到频域上复信号；

第八步，取幅值核函数：对第七步处理后的参考数据和测量数据取幅值；

第九步，规约去均值核函数，以去除参考数据和测量数据中的直流分量：GPU中核函数的执行需要用到线程块和线程，每个线程对应着一个数据，一个线程块由多个线程组成，经过上述第七步对两组数据各自每组M+N个点进行提前的补零，使得每段成为块中线程数目的整数倍；而后，将补零后的每一小段数据分成多个线程块进行规约求和；每个线程块中会得到一个结果，将每个小段数据中的多个结果再以循环的方式求和，即可得到每个小段的各自的和，将每个小段的数据减去平均数就得到了去完直流项的参考数据和测量数据；

第十步，互相关核函数，利用卷积定理将互相关算法变换为距离域的相乘进行计算：对第九步处理过后的参考数据和测量数据每M+N个点进行处理，首先，将参考数据每M+N个翻转补零一倍；其次，对测试数据每M+N个补零一倍；而后同时对两组数据做正向快速傅里叶变换，相乘，并对乘积结果进行逆向快速傅里叶变换；

第十一步：寻峰核函数：经过第十步的参考数据和测量数据各自对应的M+N个点一组做互相关运算，计算结束出现2*（M+N）个点，寻找每2*（M+N）个点峰值的位置，确定光频域移动结果，将数据结果由GPU传回CPU的ROM内存进行储存，得到一次光纤上的应变信息；

对于分段后的每段数据，均按照第三步到第十一步的方式对分段后正向扫频参考数据和正向扫频测量数据进行处理，故一个RAM中存储的数据可以得到k次应变信息；反向扫频参考数据和反向扫频测量数据也是按照按照第三步到第十一步的方式分成k段数据进行处理，只不过在第十一步寻峰时要对峰的最大值位置进行取反操作。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，传感光纤为瑞利散射增强光纤或连续光栅光纤。