基于OFDR的分布式光纤应变解调方法研究

论文摘要

结构健康监测系统己经成功用于桥隧、建筑物、海洋平台和航空航天飞行器等基础设施的耐久性和安全性评估,通过用各类传感器对结构关键部位的状态信息进行实时采集、传输、监测和诊断,及时地发现结构的损伤和健康状态,以便对结构的安全性进行预估并对可能出现的灾害提前预警。其中,应变是反映结构在服役过程中状态信息的重要参数,获取精确而又详尽的应变数据是开展结构健康状态评价的技术基础。光频域反射技术（Optical frequency domain reflectometry,OFDR）是分布式光纤测量与传感技术中新兴的发展方向,基于OFDR的分布式光纤应变测量技术具有信噪比高、空间分辨率高、灵敏度高等优点,易于大面积获取结构的应变信息。目前,基于OFDR的分布式光纤应变测量技术,由于其应变测量范围受限、应变测量可靠性不高、对测量环境敏感等问题,成为限制分布式光纤传感系统大范围应用的重要原因。本文围绕基于OFDR的分布式光纤应变解调方法开展研究,主要内容和成果概括如下:（1）在建立了应变计算精度模型的基础上,提出了一种简单有效的评价瑞利散射谱信号质量的品质因子参数,可对被测光纤整体或局部的瑞利散射谱信号质量进行定量评价,实验验证了所提出的品质因子参数用于评价瑞利散射谱信号质量的有效性及准确性。结果表明瑞利散射谱偏移量计算的标准偏离误差与品质因子参数密切关系,品质因子数值越大的瑞利散射谱具有较小的标准偏离误差,因此具有较高的品质因子的瑞利散射谱信号被认为具有较高的信号质量。（2）基于瑞利散射谱质量评价的品质因子参数,提出了一种固定子集窗和自适应子集窗长度的确定方法和算法流程。根据瑞利散射谱品质因子,结合所需的应变计算精度和空间分辨率需求,能自动确定最优的子集窗长度。实验验证了基于品质因子计算得到的固定子集窗或自适应子集窗对提高应变计算精度的有效性,与传统方法中基于测量经验或空间分辨率的需求确定子集窗长度的方式相比,所提出的子集窗确定方法可以明显提高应变的测量精度,且降低了对操作者的技术要求。（3）针对大应变引起的应变解调错误的原因进行了深入分析,提出了一种基于零均值归一化互相关准则（Zero-normalized cross-correlation,ZNCC）可靠性指导的应变解调方法。在该方法中,首先建立了被测光纤在初始状态下的瑞利散射谱数据库,可根据应变或温度测量范围的需求,灵活地截取参考瑞利散射谱的光谱范围,即使瑞利散射谱的偏移量超出测量范围,依然可以在截取的参考瑞利散射谱子集中找到配准段。采用ZNCC互相关评价准则对参考瑞利散射谱子集和测量瑞利散射谱子集的相似度进行评估,通过牛顿迭代法快速搜素到佳配准段的路径,最后计算得到的瑞利散射谱偏移量可由ZNCC系数分布进行置信度评估。实验验证了该方法测量应变的准确性和测量大应变的优势性,对于大应变（5000με）的测量可以实现准确而可靠的解调,误差范围在1%。（4）针对被测光纤在测量过程中由于受到弯扭或应变不均等导致的瑞利散射谱强度衰减的现象,本文提出了一种应变分步解调方法。该方法采用动态参考瑞利散射谱取代传统解调方法中的固定参考瑞利散射谱,通过分步解调的策略,先对各步长的相对应变进行解调,最终累加得到绝对应变值。通过采用应变分步解调方法,在测量瑞利散射谱强度衰减15dB的情况下,依然实现了稳定且准确地测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 应变测量的意义
•   1.2 几种主要的应变测试技术
•   1.3 分布式光纤应变测量技术的发展历程
•     1.3.1 光时域反射方法（OTDR阶段）
•     1.3.2 光频域反射方法（OFDR阶段）
•     1.3.3 所面临的问题
•   1.4 本文主要研究内容
• 2 瑞利散射谱信号的质量评价方法
•   2.1 引言
•   2.2 瑞利散射谱相干解调方法
•   2.3 应变计算精度理论模型
•   2.4 瑞利散射谱品质因子
•   2.5 实验验证
•     2.5.1 实验装置和参数设置
•     2.5.2 品质因子W的规律实验
•     2.5.3 等强度悬臂梁实验
•     2.5.4 标准偏离误差实验
•     2.5.5 应变计算精度的估算
•   2.6 本章小结
• 3 基于瑞利散射谱品质因子的子集窗确定方法
•   3.1 引言
•   3.2 子集窗与空间分辨率的关系
•   3.3 固定子集窗的确定方法
•     3.3.1 基本原理
•     3.3.2 算法流程
•     3.3.3 实验验证
•   3.4 自适应子集窗的确定方法
•     3.4.1 基本原理
•     3.4.2 算法流程
•     3.4.3 实验验证
•   3.5 本章小结
• 4 基于ZNCC可靠性指导的大应变解调方法
•   4.1 引言
•   4.2 瑞利散射谱数据库的建立
•   4.3 ZNCC评价准则和快速搜素路径
•   4.4 解调算法流程
•   4.5 实验验证
•     4.5.1 实验装置及标定
•     4.5.2 小应变实验
•     4.5.3 大应变实验
•   4.6 本章小结
• 5 考虑瑞利散射谱信号强度衰减的应变解调方法
•   5.1 引言
•   5.2 基于动态参考瑞利散射谱的应变分步测量方法
•     5.2.1 应变分步测量方法
•     5.2.2 应变分步解调流程
•     5.2.3 实验验证
•   5.3 在复合材料帽型结构剥离强度测试上的应用
•     5.3.1 八点弯实验
•     5.3.2 传感器布设方案
•     5.3.3 实验现象及数据分析
•   5.4 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 锁刘佳

导师: 雷振坤,武湛君

关键词: 分布式传感,应变测量,光频域反射,瑞利散射

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 大连理工大学

分类号: TN253

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.004306

总页数: 120

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