本發(fā)明涉及分布式光纖傳感儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設(shè)方法。

背景技術(shù)：

高精度、高空間分辨率的分布式應(yīng)變傳感廣泛應(yīng)用于民生、國防安全等多個(gè)領(lǐng)域中，如飛行器、航天器、船舶、國防裝備、工業(yè)設(shè)備、橋梁涵洞等重點(diǎn)部位的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，光頻域反射中利用平行鋪設(shè)等光纖鋪設(shè)方法可實(shí)現(xiàn)二維空間內(nèi)的分布式應(yīng)變傳感。但在實(shí)際應(yīng)用中，二維空間內(nèi)各個(gè)方向都可能產(chǎn)生應(yīng)變，一般光纖鋪設(shè)方法只能較明顯的反映單方向的應(yīng)變。因此，需要采用新的方法全方位的反映二維應(yīng)變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設(shè)方法，本發(fā)明克服了現(xiàn)有多方向傳感不敏感的問題，采用阿基米德螺旋線形，實(shí)現(xiàn)了對二維應(yīng)變多方向傳感的需求，詳見下文描述：

一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設(shè)方法，所述光纖鋪設(shè)方法包括以下步驟：

通過二維應(yīng)變傳感裝置進(jìn)行連續(xù)二次測量，對兩次本地距離域一維信息進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，通過得到的互相關(guān)信息獲取兩次測量對應(yīng)的一維信息應(yīng)變變化量；

利用阿基米德螺線公式，推導(dǎo)本地距離域一維信息對應(yīng)待測量平板內(nèi)的二維角度信息、及曲率半徑信息；

利用曲率半徑信息與二維角度信息，推導(dǎo)二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)；

將一維信息應(yīng)變變化量，對應(yīng)至二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)上，即得到二維應(yīng)變信息。

所述本地距離域一維信息的獲取步驟具體為：

在二維應(yīng)變傳感裝置中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號，并對這拍頻干涉信號分別進(jìn)行快速傅里葉變換；

將光頻域信息轉(zhuǎn)換到對應(yīng)各個(gè)位置的距離域信息，對距離域信息通過一定寬度的移動(dòng)窗依次選取各個(gè)位置形成本地距離域一維信息。

所述光纖鋪設(shè)方法采用阿基米德螺旋線的線型，利用一根光纖測量二維空間的應(yīng)變。

所述光纖末端無需任何裝置。

所述將一維信息應(yīng)變變化量，對應(yīng)至二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)上，即得到二維應(yīng)變信息具體為：

$x=a*cos\left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

$y=a*\sin \left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

其中，a為＞0的參數(shù)；L為曲線長度。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明基于光頻域反射中光纖瑞利背向散射頻率移動(dòng)進(jìn)行分布式應(yīng)變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對二維應(yīng)變多方向傳感的需求；即本發(fā)明通過采用一根光纖測量二維應(yīng)變，即實(shí)現(xiàn)了對橫、縱方向及其合成方向應(yīng)變的測量，解決了現(xiàn)有多方向傳感不敏感的問題，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要。

附圖說明

圖1是一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設(shè)方法的流程圖；

圖2是根據(jù)一維應(yīng)變距離信息，通過阿基米德螺旋線表達(dá)式求解二維應(yīng)變信息的流程圖；

圖3為本方法中應(yīng)用的二維應(yīng)變傳感裝置的示意圖；

圖4為二維應(yīng)變傳感裝置的光纖鋪設(shè)方法的示意圖；

圖5為實(shí)驗(yàn)效果圖。

附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：

1：可調(diào)諧激光器； 4：1:99光分束器；

11：計(jì)算機(jī)； 21：調(diào)諧信號控制模塊；

24：基于輔助干涉儀的時(shí)鐘觸發(fā)系統(tǒng)； 25：主干涉儀；

2：探測器； 5：第一50:50耦合器；

6：時(shí)鐘整形電路模塊； 7：延遲光纖；

8：第一法拉第轉(zhuǎn)鏡； 9：第二法拉第轉(zhuǎn)鏡；

10：隔離器； 3：50:50分束器；

12：偏振控制器； 13：環(huán)形器；

14：第二50:50耦合器； 15：二維應(yīng)變傳感光纖；

16：第一偏振分束器； 17：第二偏振分束器；

18：第一平衡探測器； 19：第二平衡探測器；

20：采集裝置； 21：GPIB(通用接口總線)控制模塊；

22：參考臂； 23：測試臂；

151：光纖； 152：待測量平板。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光頻域反射中利用阿基米德螺旋線的光纖鋪設(shè)方法，參見圖1，該光纖鋪設(shè)方法包括以下步驟：

101：通過二維應(yīng)變傳感裝置進(jìn)行連續(xù)二次測量，對兩次本地距離域一維信息進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，通過得到的互相關(guān)信息獲取兩次測量對應(yīng)的一維信息應(yīng)變變化量；

102：利用阿基米德螺線公式，推導(dǎo)本地距離域一維信息對應(yīng)待測量平板內(nèi)的二維角度信息、及曲率半徑信息；

103：利用曲率半徑信息與二維角度信息，推導(dǎo)二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)；

104：將一維信息應(yīng)變變化量，對應(yīng)至二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)上，即得到二維應(yīng)變信息。

其中，步驟101中的本地距離域一維信息的獲取步驟具體為：

在二維應(yīng)變傳感裝置中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號，并對這拍頻干涉信號分別進(jìn)行快速傅里葉變換；

將光頻域信息轉(zhuǎn)換到對應(yīng)各個(gè)位置的距離域信息，對距離域信息通過一定寬度的移動(dòng)窗依次選取各個(gè)位置形成本地距離域一維信息。

其中，該光纖鋪設(shè)方法采用阿基米德螺旋線的線型，利用一根光纖測量二維空間的應(yīng)變。

進(jìn)一步地，該光纖末端無需任何裝置，簡化了操作過程。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例基于光頻域反射中光纖瑞利背向散射頻率移動(dòng)進(jìn)行分布式應(yīng)變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對二維應(yīng)變多方向傳感的需求。

實(shí)施例2

下面結(jié)合圖1、圖2，以及具體的計(jì)算公式對實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，該光纖鋪設(shè)方法中涉及的參數(shù)測量、以及計(jì)算均通過二維應(yīng)變傳感裝置實(shí)現(xiàn)，詳見下文描述：

201：在二維應(yīng)變傳感裝置中由光纖背向瑞利散射形成拍頻干涉信號，并對這拍頻干涉信號分別進(jìn)行快速傅里葉變換，將光頻域信息轉(zhuǎn)換到對應(yīng)各個(gè)位置的距離域信息，對距離域信息通過一定寬度的移動(dòng)窗依次選取各個(gè)位置形成本地距離域一維信息；

202：通過二維應(yīng)變傳感裝置進(jìn)行連續(xù)二次測量，對兩次本地距離域一維信息進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，通過得到的互相關(guān)信息獲取兩次測量對應(yīng)的一維信息應(yīng)變變化量；

其中，該步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例對具體的操作過程不做贅述。

203：利用阿基米德螺線公式，推導(dǎo)本地距離域一維信息對應(yīng)待測量平板內(nèi)的二維角度信息、及曲率半徑信息；

204：利用曲率半徑信息與二維角度信息，推導(dǎo)二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)；

205：將一維信息應(yīng)變變化量，對應(yīng)至二維平面對應(yīng)位置坐標(biāo)上，即得到二維應(yīng)變信息。

下面結(jié)合具體的計(jì)算公式對步驟203至步驟205中的計(jì)算原理進(jìn)行詳細(xì)的描述：

1)獲取阿基米德螺旋線的極坐標(biāo)參數(shù)方程；

由阿基米德螺旋線定義，阿基米德螺旋線的極坐標(biāo)表示為r＝a*θ，(a＞0)。用參數(shù)方程表示為：x＝r*cosθ，y＝r*sinθ。其中r為極徑，θ為極角。

2)獲取曲線長度的微分，并求取阿基米德螺旋線關(guān)于角度的長度公式，由長度公式求取角度的反函數(shù)；

由上一步的參數(shù)方程可以得出曲線長度的微分為：這時(shí)曲線長度函數(shù)L(φ)就可以通過對長度微分dl在0到φ進(jìn)行積分求得；其中φ為光纖于待測量平板上螺旋形成的總角度。

根據(jù)積分推導(dǎo)，可求得阿基米德螺旋線關(guān)于角度的長度公式為：

$L\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{a}{2}ln(\mathrm{\φ}+\sqrt{1+{\mathrm{\φ}}^2})+\frac{a\mathrm{\φ}}{2}\sqrt{1+{\mathrm{\φ}}^2}$

由長度公式，可關(guān)于角度φ，求其反函數(shù)φ(L)。

3)在所需角度范圍內(nèi)將角度的反函數(shù)簡化為線性曲線，根據(jù)線性曲線求解對應(yīng)角度范圍的反函數(shù)；

由于上述函數(shù)方程為超越函數(shù)，無法求得精確解析解，因此在所需角度范圍內(nèi)根據(jù)L(φ)，簡化為線性曲線L₀(φ)，再對該線性方程求解對應(yīng)角度范圍的反函數(shù)φ₀(L)。

由于實(shí)際運(yùn)用過程中，需要阿基米德螺旋線圈數(shù)有限，因此可設(shè)定φ的角度范圍為0到100π，可知φ²在大部分范圍內(nèi)均遠(yuǎn)大于1，故可將L(φ)公式化簡為：

$L\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{a}{2}ln\left(2\mathrm{\φ}\right)+\frac{{\mathrm{a\φ}}^2}{2}$

又由于，在角度范圍內(nèi)，增長性及值均遠(yuǎn)高于故可將L(φ)簡化為線性方程L₀(φ)：

$L_0\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{{\mathrm{a\φ}}^2}{2}$

經(jīng)模擬分析，該簡化方程與原方程在角度取值范圍內(nèi)，具有較高的一致性。

由L₀(φ)公式，即可推得φ₀(L)

${\mathrm{\φ}}_0\left(L\right)=\sqrt{\frac{2L}{a}}$

4)通過反函數(shù)可根據(jù)極坐標(biāo)推得一維長度L對應(yīng)的二維坐標(biāo)。

由φ₀(L)即可根據(jù)極坐標(biāo)推得一維長度L對應(yīng)的二維坐標(biāo)x,y：

$x=a*cos\left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

$y=a*sin\left(\sqrt{\frac{2L}{a}}\right)$

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例基于光頻域反射中單模光纖瑞利散射光譜移動(dòng)進(jìn)行分布式應(yīng)變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對二維應(yīng)變多方向傳感的需求。

實(shí)施例3

下面結(jié)合圖3、圖4對本發(fā)明實(shí)施例1和2中用到的二維應(yīng)變傳感裝置進(jìn)行詳細(xì)的介紹，詳見下文描述：

參見圖3，該二維應(yīng)變傳感裝置包括：可調(diào)諧激光器1、1:99光分束器4、計(jì)算機(jī)11、GPIB控制模塊21、基于輔助干涉儀的時(shí)鐘觸發(fā)系統(tǒng)24、主干涉儀25。

基于輔助干涉儀的時(shí)鐘觸發(fā)系統(tǒng)24包括：探測器2、第一50:50耦合器5、時(shí)鐘倍頻電路模塊6、延遲光纖7、第一法拉第轉(zhuǎn)鏡8、第二法拉第轉(zhuǎn)鏡9和隔離器10。基于輔助干涉儀的時(shí)鐘觸發(fā)系統(tǒng)24用于實(shí)現(xiàn)等光頻間距采樣，其目的是抑制光源的非線性掃描。

主干涉儀25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、環(huán)形器13、第二50:50耦合器14、二維應(yīng)變傳感光纖15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探測器18、第二平衡探測器19、采集裝置20、參考臂22和測試臂23。主干涉儀25是光頻域反射儀的核心，其為改進(jìn)型馬赫澤德干涉儀。

GPIB控制模塊21輸入端與計(jì)算機(jī)11相連；GPIB控制模塊21輸出端與可調(diào)諧激光器1相連；可調(diào)諧激光器1與1:99光分束器4的a端口相連；1:99光分束器4的b端口與隔離器10的一端相連；1:99光分束器4的c端口與50:50分束器3的a端口相連；隔離器10的另一端與第一50:50耦合器5的b端口相連；第一50:50耦合器5的a端口與探測器2的一端相連；第一50:50耦合器5的c端口與第一法拉第轉(zhuǎn)鏡8相連；第一50:50耦合器5的d端口通過延遲光纖7與第二法拉第轉(zhuǎn)鏡9相連；探測器2的另一端與時(shí)鐘倍頻電路模塊6的輸入端相連；50:50分束器3的b端口通過參考臂22與偏振控制器12的輸入端相連；50:50分束器3的c端口通過測試臂23與環(huán)形器13的a端口相連；偏振控制器12的輸出端與第二50:50耦合器14的a端口相連；環(huán)形器13的b端口與第二50:50耦合器14的b端口相連；環(huán)形器13的c端口與二維應(yīng)變傳感光纖15相連；第二50:50耦合器14的c端口與第一偏振分束器16的輸入端相連；第二50:50耦合器14的d端口與第二偏振分束器17的輸入端相連；第一偏振分束器16的輸出端分別與第一平衡探測器18的輸入端、第二平衡探測器19的輸入端相連；第二偏振分束器17的輸出端分別與第一平衡探測器18的輸入端、第二平衡探測器19的輸入端相連；第一平衡探測器18的輸出端與采集裝置20的輸入端相連；第二平衡探測器19的輸出端與采集裝置20的輸入端相連；采集裝置20的輸出端與計(jì)算機(jī)11相連。

該二維應(yīng)變傳感裝置工作時(shí)，計(jì)算機(jī)11通過GPIB控制模塊21控制可調(diào)諧激光器1，以此控制調(diào)諧速度、中心波長、調(diào)諧啟動(dòng)等；可調(diào)諧激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口進(jìn)入，并以1:99的比例從1:99光分束器4的b端口經(jīng)過隔離器10進(jìn)入第一50:50耦合器5的b端口，光從第一50:50耦合器5的b端口進(jìn)入，從第一50:50耦合器5的c和d端口出射，分別被兩臂的第一法拉第轉(zhuǎn)鏡8和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，兩束光在第一50:50耦合器5中發(fā)生干涉，從第一50:50耦合器5的a端口輸出；第一50：50耦合5器a端口的出射光進(jìn)入探測器2，探測器2將探測到的光信號轉(zhuǎn)換為干涉拍頻信號傳輸至?xí)r鐘倍頻電路模塊6，時(shí)鐘倍頻電路模塊6干涉拍頻信號整形為方波，整形后的信號傳輸至采集裝置20，作為采集裝置20的外部時(shí)鐘信號。

可調(diào)諧激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口進(jìn)入，從1:99光分束器4的c端口進(jìn)入50:50分束器3的a端口；經(jīng)過50：50分束器3從b端口進(jìn)入?yún)⒖急?2中的偏振控制器12，從c端口進(jìn)入測試臂23上的環(huán)行器13的a端口；光從環(huán)行器13的a端口進(jìn)入，從環(huán)行器13的c端口進(jìn)入二維應(yīng)變傳感光纖15，而二維應(yīng)變傳感光纖15的背向散射光從環(huán)行器13端口c端口進(jìn)入，從環(huán)行器13端口b端口輸出；參考臂22中的偏振控制器12輸出的參考光通過第二50:50耦合器14的a端口與環(huán)行器13上的背向散射光通過第二50:50耦合器14的b端口進(jìn)行合束，形成拍頻干涉并從第二50:50耦合器14的c端口和d端口輸出至第一偏振分束器16和第一偏振分束器17，第一偏振分束器16和第一偏振分束器17通過第一平衡探測器18和第二平衡探測器19對應(yīng)采集兩個(gè)偏振分束器輸出的正交方向的信號光，第一平衡探測器18和第二平衡探測器19將輸出的模擬電信號傳輸至采集裝置20，采集裝置20在時(shí)鐘倍頻電路模塊6形成的外部時(shí)鐘信號作用下將采集到的模擬電信號傳輸至計(jì)算機(jī)11。

GPIB控制模塊21用于計(jì)算機(jī)11通過其控制可調(diào)諧激光器1。

可調(diào)諧激光器1用于為光頻域反射系統(tǒng)提供光源，其光頻能夠進(jìn)行線性掃描。

隔離器10防止輔助干涉儀中第一50:50耦合器5的b端口的反射光進(jìn)入激光器。

第一50:50耦合器5用于光干涉。

延遲光纖7用于實(shí)現(xiàn)非等臂的拍頻干涉，能夠根據(jù)拍頻和延遲光纖長度得到光頻。

第一法拉第轉(zhuǎn)鏡8和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡9用于為干涉儀提供反射，且能夠消除干涉儀的偏振衰落現(xiàn)象。

偏振控制器12作用是調(diào)節(jié)參考光偏振態(tài)，使其在偏振分束時(shí)兩個(gè)正交方向上光強(qiáng)基本一致。

第二50:50耦合器14完成對信號進(jìn)行偏振分束，消除偏振衰落噪聲的影響。

計(jì)算機(jī)11對采集裝置20采集的干涉信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)基于光纖瑞利散射光譜移動(dòng)量的分布式溫度應(yīng)變傳感。

其中，參見圖4，本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用到的二維應(yīng)變傳感光纖15由光纖151以及待測量平板152組成。

本發(fā)明實(shí)施例對光纖151的類型不做限制，待測量平板152可以為任一待測量的平板，本發(fā)明實(shí)施例對其結(jié)構(gòu)不做限制。

本發(fā)明實(shí)施例僅以圖3、圖4中的二維應(yīng)變傳感裝置為例進(jìn)行說明，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，還可以采用其他型號的二維應(yīng)變傳感裝置，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。

本發(fā)明實(shí)施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

實(shí)施例4

下面結(jié)合圖4和圖5對實(shí)施例1和2中的方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，詳見下文描述：

本發(fā)明驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為采用同一光纖151，利用本發(fā)明中提出的二維應(yīng)變傳感裝置和方法解調(diào)出二維應(yīng)變變化值Δε。

參見圖4，將一根光纖151按阿基米德螺旋線線型盤繞粘貼于待測量平板152上，利用砝碼對待測量平板152施加壓力。

待測量平板152上真實(shí)的應(yīng)變變化值可以從施加在待測量平板152上的砝碼得到。利用本發(fā)明實(shí)施例中提出的二維應(yīng)變傳感裝置和方法解調(diào)出應(yīng)變變化值Δε，并與真實(shí)應(yīng)變變化值進(jìn)行比對，通過比對結(jié)果來驗(yàn)證本方法的有效性。

示意結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出，顯示部分為系統(tǒng)可探測區(qū)域，X、Y對應(yīng)位置坐標(biāo)，受壓迫點(diǎn)的位置產(chǎn)生了應(yīng)變，反映在圖5中，可以看出Z軸值升高，周邊位置的Z軸值降低，表明待測量平板152由于壓迫作用，使得受壓迫點(diǎn)位置的相鄰區(qū)域產(chǎn)生反向應(yīng)變。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例基于光頻域反射中單模光纖瑞利散射光譜移動(dòng)進(jìn)行分布式應(yīng)變測量，采用阿基米德螺旋線線型于待測量平板上排布光纖，測量二維應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對二維應(yīng)變多方向傳感的需求。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。