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OFDR技術光纖感測解調原理

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一、OFDR感測原理

OFDR技術可以取得整根光纖的瑞利散射訊息,可以透過測量瑞利散射訊號位置及強度發生的改變,來反演出整根光纖各個位置的應變分佈。將光纖感測器佈設於待測結構中,透過膠水黏連光纖和待測物會協調形變,透過測試光纖沿線應變分佈可以反映出待測物的應變分佈,進而實現光纖的感測測量。OFDR系統可用於高解析度的應變溫度分佈式測量。

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圖1 OFDR感測解調原理

OFDR系統中光纖的瑞利散射是由於光纖本身折射率不均勻引起的,由於光纖中存在的折射率隨機分佈的特性,可以將光纖當作一種長距離具有隨機週期的弱反射光纖布拉格光柵。光纖光柵是透過解調中心波長的漂移來計算應變和溫度變化。OFDR技術感測解調原理是沿著光纖長度方向,將待測光纖等間隔劃分為一個個相鄰的感測單元,解調各個感測單元加載前後的瑞利散射光譜訊號的頻移,結合頻 移量與應變溫度轉換係數得出應變溫度值。將整根光纖的所有感測單元逐一計算,即可得到隨距離變化的應變溫度分佈結果。


二、OFDR感測解調過程

OFDR感測解調流程如圖2所示。感測測量是透過參考資料與感測資料的瑞利散射光譜訊號的互相關演算法來實現的。具體過程如下:

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圖2 OFDR技術感測解調過程

1. 取得參考資料,OFDR系統測量獲得OFDR曲線,為參考數據。

2. 當光纖施加負荷後,再次獲得OFDR曲線,是感測資料。

3. 將兩組訊號在相同位置透過固定的移動窗截取訊號段,為一個感測單元。

4. 將一個感測單元的時域訊號進行傅立葉變換,以獲得光纖在該位置的頻域訊號。

5. 兩組訊號段的頻域訊號進行互相關運算,得到對應的瑞利散射光譜訊號的頻移。

6. 對頻域訊號進行反傅立葉變換,將頻域訊號轉換為時域訊號,得到距離-頻移關係曲線。

7. 逐一計算各感測單元,便可獲得整根光纖各位置的瑞利散射頻移。 結合感測係數,可以得到距離-頻移/應變/溫度分佈曲線,如圖3所示。

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圖3 距離-應變分佈曲線

OFDR高解析度分佈式光纖感測技術可以同時測得一根光纖上成千上萬感測點的應變/溫度分佈,感測空間解析度可達mm/cm量級,例如1m長度的感測光纖 ,當空間解析度為1mm時,相當於同時測量1000個感測點。OFDR技術海量的感測密度,結合光纖感測器小尺寸、易曲繞特點,除了進行應變溫度測量外,還可拓展用於形狀感測、姿態監測,結構應變場溫度場重構等面向。OFDR技術非常適合短距離、高解析度、高精度的應變溫度測量領域,如土木結構健康監測,複合材料疲勞檢測,新能源汽車電池組溫度監測等。