OFDR解调弱栅阵列的实例分析

弱反射光纤光栅（简称：弱栅）在单根光纤上可以复用成千上万个光栅，进一步增加了单根光纤的复用光栅数量（传感容量），在传感领域具有较大的应用前景。对于OFDR光频域反射仪解调弱栅阵列，我们通常知其一不知其二，昊衡科技汇总了以下三个问题并结合实例进行分析。01OFDR设备解调普通单模光纤和弱反射光纤光栅阵列，两者差异？OFDR解调普通单模光纤和弱反射光纤光栅阵列，若OFDR设备能够兼容、支持以上传感器的使用，从用户角度来看，两者的使用操作完全相同。两者差异主要有三个方面：

1）从时域曲线来分析反射光强。相对于普通单模光纤，弱栅阵列的反射光强比光纤的瑞利散射光强高约27dB，如下图所示：

图1 反射光强对比

2）从频域曲线来分析瑞利散射频谱。普通光纤的瑞利散射频谱是杂乱无序的，而弱反射光纤光栅的频谱有明显特征，具有特定的中心波长，如图2所示：

图2 瑞利散射频谱对比

3）从传感测量参数配制方面来分析。我们知道OFDR技术空间分辨率和测量精度两参数相互权衡。在同等空间分辨率下，相对于普通单模光纤，OFDR解调弱栅阵列，重复精度更高。反而言之，在保证同等重复精度的前提下，OFDR设备调解弱栅阵列还可以配制更小的空间分辨率。

实测如下：OSI空间分辨率设置为2.56mm，分别解调普通光纤和弱栅阵列，连续测量100次，选取其中一个传感点显示结果，如图3所示。

(a) 普通光纤的应变结果

(b) 弱栅阵列的应变结果
图3 选取单点连续测量100次的应变结果

基于以上原因，OFDR设备解调弱栅阵列，相对于普通单模光纤，可以获得更高的测量稳定性和更强的抗干扰能力。文末有测试对比视频。

 

02弱栅阵列的栅距1cm，OFDR解调如何实现1mm的空间分辨率？弱栅阵列是多个弱反射光纤光栅（WFBG）的集成，在单根光纤上可实现超大规模复用。OFDR（光频域反射）技术具备mm级别的空间分辨能力和分布式的测量优势，当解调弱栅阵列时，它不是把单个WFBG作为一个传感单元来解调，而是可以把一个完整的WFBG栅区等间隔划分为多个串连的独立传感单元。

比如弱栅阵列栅距1cm (单个WFBG栅长9mm，从中心到中心的间距10mm，如图4所示)，在1cm弱栅长度上等间隔划分为10个1mm的独立传感单元。

图4 弱栅阵列的栅距1cm

由于各个单元都具有特征光谱，并且沿光纤长度方向的位置不同，如图5所示，因此可以被OFDR设备（型号：OSI-S，设置空间分辨率为1mm）解调，实现1mm空间分辨率的分布式应变温度测量。

图5 弱栅阵列传感单元的时域和频域曲线

 

03OFDR解调普通单模光纤和弱栅阵列的应变测量差异在一块复合材料片上分别布设一根聚酰亚胺（PI涂层）光纤和一根弱栅阵列，以不同频率弯曲复合材料片施加载荷。OSI设备实时测量两种传感器的应变分布，对比结果如下：

↑↑↑ OFDR解调两种传感器测试对比的视频 ↑↑↑

综上所述，OFDR设备解调普通单模光纤和弱反射光纤光栅阵列，若OFDR设备能够兼容、支持以上传感器，使用操作相同，而且都可以达到设备支持的最高空间分辨率，比如OSI-S的1mm最高空间分辨率，OSI-D的0.64mm最高空间分辨率。OFDR解调弱栅阵列的优势在于，可以进一步提升测量稳定性，增加抗干扰能力，尤其适合准动态测量、振动或光纤晃动的环境。