以OSI设备为例说明OFDR技术传感解调过程

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概述

OFDR技术通过获得整根光纤瑞利散射信号进行分布式应变温度测量，具有高精度、高分辨、分布式等特点。本文以OSI设备为例说明OFDR技术传感解调过程，并介绍了OSI设备后处理进阶功能，此功能提供更多开放性和自由度，用户可利用它重设空间分辨率和参考数据，进行更多数据分析。

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OFDR传感解调过程

OFDR技术原理是扫频光源结合相干探测技术，检测光纤中背向瑞利散射信号，获取整根光纤的瑞利散射分布信息，通过解调光纤中的瑞利散射频谱移动（光纤长度方向上的伸缩），实现毫米/厘米级的应变温度分布测量。

(a)相干探测原理

（b）传感解调原理

图1 OFDR技术原理

OSI设备传感解调，在线测量过程如下：

1、取参考，用户扫描获得OFDR曲线，保存为一组参考数据。

2、当光纤施加载荷后，再次扫描获得OFDR曲线，即传感数据（下文中提及的原始数据）。

3、传感解调、输出结果。OSI设备根据预设的空间分辨率，自动解调计算获得传感结果，实时显示距离-频移/应变/温度分布曲线。

OFDR技术传感解调过程如图2所示。解调算法是按预设的移动窗截取参考数据和传感数据，两者进行互相关计算，获得此传感单元的瑞利散射频移，结合频移量与应变温度转换系数得出应变温度值。对整根光纤的所有传感单元逐一计算，即可得到随距离变化的频移/应变/温度分布曲线。

图2  OFDR技术传感解调过程

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原始数据后处理及优势

原始数据是指各种加载状态下的OFDR曲线，包括零加载状态和施加载荷的传感数据。原始数据包含整根光纤的瑞利散射分布信息，用户可借助OSI系统配套的后处理软件（Post Sensing），将原始数据（.osi格式）处理成传感结果（.txt格式），功能等同于上述OSI设备解调的第3步，得到距离-应变/温度分布曲线。

原始数据处理后得到的传感结果与OSI系统在线测量的结果不冲突，用户还可以重设空间分辨率和参考数据，相当于一次实验获得不同条件下的应变温度分布结果。具体优势如下：

1、重设空间分辨率

比如OSI设备测试悬臂梁，在其自由端施加200g的砝码，空间分辨率设为1cm，在线测试，结果如图3所示。测量时保存原始数据，借助Post Sensing软件处理原始数据，可以得到各种空间分辨率下的应变分布，图4显示1mm空间分辨率的应变结果。

图3 OSI在线测量悬臂梁的应变分布

（1cm空间分辨率）

图4 原始数据处理后的应变分布

（1mm空间分辨率）

2、数据处理和数据回放

借助后处理，用户可以将逐级加载的测量结果保存至一个txt里，也可以进行数据回放，逐一观察每个状态下的分布结果，如下面的动图所示。

图5 原始数据处理和回放的动图

3、重设参考数据，分段进行数据分析

OFDR设备在线测量是基于一组固定的参考数据，测量加载后的变化量。而OSI后处理软件可以选中任意一组.osi原始数据作为参考数据，也可以选择待处理的原始数据的起始点位置和数量。

有时实验过程中，如果光纤某位置出现大应变梯度或者超应变量程，此时相关传感单元的参考数据与传感数据无相关性，导致OFDR设备解调显示异常值。这类情况下，我们可以使用后处理功能分段进行数据分析处理和数据拼接，消除异常情况。

比如实验全程应变需加载至15000微应变以上，在线测试是以零加载状态为基准开始测量，然后逐级加载测试，当加载后的实际应变超出OFDR设备的量程，实时显示传感结果异常。用户可以继续实验并保存原始数据，通过后处理进行数据处理。后处理操作步骤如下：

1)选择零加载的.osi原始数据为参考数据，处理0~ 10000微应变这段数据；

2)选择10000微应变的.osi原始数据为参考数据，处理10000~ 15000微应变这段数据；

3)将1）和2）两段数据拼接，即可获得0~15000微应变的整个过程的传感结果。

图6 大应变范围的后处理结果

备注：上述举例中，为了避免加载过大、拉断光纤，光纤应变加载至约15000微应变，某些光纤传感器可测到30000微应变。

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总结

本文以OSI设备为例说明OFDR技术的传感解调原理和测试过程，并详细介绍了OSI系统的后处理功能。OSI设备开放性设计，用户可在OSI系统在线测量时保存原始数据，后续使用配套的Post Sensing软件，重设空间分辨率和参考数据，进行数据处理和分析，解决某些测试难题。






审核编辑：刘清