OFDR技术光纤传感解调原理详解

01OFDR传感原理

OFDR技术可以获取整根光纤的瑞利散射信息，可以通过测量瑞利散射信号位置及强度发生的改变，来反演出整根光纤各个位置的应变分布情况。将光纤传感器布设于待测结构中，通过胶水粘连光纤和待测物会协调形变，通过测试光纤沿线应变分布可以反映出待测物的应变分布，进而实现光纤的传感测量。OFDR系统可以用于高分辨的应变温度分布式测量。

图1 OFDR传感解调原理

OFDR系统中光纤的瑞利散射是由于光纤本身折射率不均匀引起的，由于光纤中存在的折射率随机分布的特性，可以将光纤当作一种长距离具有随机周期的弱反射光纤布拉格光栅。光纤光栅是通过解调中心波长的漂移来计算应变和温度变化。OFDR技术传感解调原理是沿光纤长度方向，将待测光纤等间隔划分为一个个相邻的传感单元，解调各个传感单元加载前后的瑞利散射光谱信号的频移，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应变温度分布结果。

02OFDR传感解调过程

OFDR传感解调过程如图2所示。传感测量是通过参考数据与传感数据的瑞利散射光谱信号的互相关算法实现的。具体过程如下：

图2 OFDR技术传感解调过程

1.获得参考数据，OFDR系统测量获得OFDR曲线，为参考数据。

2.当光纤施加载荷后，再次获得OFDR曲线，是传感数据。

3.将两组信号在相同位置通过固定的移动窗截取信号段，为一个传感单元。

4.将一个传感单元的时域信号进行傅里叶变换，获得光纤在该位置处的频域信号。

5.对两组信号段的频域信号进行互相关运算，得到相应的瑞利散射光谱信号的频移。

6.对频域信号进行反傅里叶变换，将频域信号转换为时域信号，得到距离-频移关系曲线。

7.逐一计算各传感单元，便可获得整根光纤各位置的瑞利散射频移。结合传感系数，可以得到距离-频移/应变/温度分布曲线，如图3所示。

图3 距离-应变分布曲线

OFDR高分辨分布式光纤传感技术可以同时测得一根光纤上成千上万传感点的应变/温度分布，传感空间分辨率可达mm/cm量级，例如1m长度的传感光纤，当空间分辨率为1mm时，相当于同时测量1000个传感点。OFDR技术海量的传感密度，结合光纤传感器小尺寸、易曲绕特点，除了进行应变温度测量外，还可以拓展用于形状传感、姿态监测，结构应变场温度场重构等方面。OFDR技术非常适合于短距离、高分辨、高精度的应变温度测量领域，如土木结构健康监测，复合材料疲劳检测，新能源汽车电池组温度监测等。

来源：大话光纤传感

审核编辑：汤梓红