基于光频域反射高速分布式应变测量系统和方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光频域反射中高速应变测量方法，应用于光频域反射。


背景技术：

2.光纤传感技术相比于其他传统传感技术来说具有很多优势，比如抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度和耐高低温环境等优点。利用光纤传感技术实现应力检测在飞机蒙皮监测、桥梁结构健康监测、周界安防监测等领域有着重要的应用。这些领域的应力检测如果能够做到实时监测，提高应力监测的频率，那么将会极大提高监测效率，降低重大安全事故发生的概率。传统的分布式光纤应变传感器有，布里渊光时域反射仪(botdr)和布里渊光时域分析 (botda)，可以实现亚米级空间分辨率，数十公里感应范围和静态/动态应变测量。而光纤干涉仪传感器，如mzi型和sagnac环型，具有高灵敏度但低空间分辨率(通常为几十米)。然而，以上的分布式光纤应变传感器最小可测量应变通常限制在10以上，并且不能够保证在高空间分辨率、高应变分辨率和长距离的高频率的情况下实现实时的应力监测。
3.光频域反射技术(optical frequency domain reflectometry，ofdr)，作为分布式光纤传感的一种，ofdr技术将光纤中的瑞利散射看作一种的随机空间周期弱布拉格光栅，可用于分布式应力、温度传感。在应变传感中，ofdr采用瑞利散射光谱互相关方法在空间分辨率1cm时，最小可测量应变达到
±
1微应变。但是在现阶段ofdr实现应力测量研究中，对于长距离、高应变分辨率的高频率实时应变测量仍然难以实现。在传统ofdr的测量装置中，例如专利cn201910697503.1公开的基于相对相位变化的光频域反射分布式传感解调方法，该专利的采用的测量装置，使用偏振控制器调节光偏振态，采用五十：五十耦合器对信号进行偏振分束。其中的偏振控制器采用手动调节的方式，所以会导致偏振分束时两个正交方向上光强大小出现偏差，并且对偏振衰落噪声消除的效果不够好。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于光频域反射高速分布式应变测量系统和方法，可以很好的克服偏振衰落噪声带来的问题，并且能够提升数据处理速度。技术方案如下：
5.一种基于光频域反射高速分布式应变测量系统，包括：可调谐激光器1、90：10保偏光分束器4、计算机19、usb控制线20、模数采集装置15、基于辅助干涉仪的时钟触发装置 22和主干涉仪21，其中，
6.基于辅助干涉仪的时钟触发装置22包括：第一平衡探测器2、50：50耦合器5、延迟光纤6、第一法拉第转镜7、第二法拉第转镜8和第一环形器9；基于辅助干涉仪的时钟触发装置22用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描；
7.主干涉仪21包括：80：20保偏耦合器3、第二环形器10、光混合器13、第二平衡探测器16、第三平衡探测器17、参考臂11、测试臂12、拉伸位移台14和传感光纤18；
8.usb控制线20的输出端与可调谐激光器1的输入端相连；usb控制线20的输入端与
计算机19的输出端相连；可调谐激光器1与90：10保偏光分束器4的a端口相连；90：10 保偏光分束器4的b端口即10％分光口与第一环形器9的a端口相连；90：10保偏光分束器 4的c端口即90％分光口与80：20保偏耦合器3的a端口相连；第一环形器9的b端口与 50：50耦合器5的a端口相连；第一环形器9的c端口与第一平衡探测器2的输入端相连； 50：50耦合器5的b端口与第一平衡探测器2的输入端相连；50：50耦合器5的c端口通过延迟光纤6与第一法拉第转镜7相连；50：50耦合器5的d端口与第二法拉第转镜8相连；第一平衡探测器2的输出端与模数采集装置15的输入端相连；80：20保偏耦合器3的 c端口即20％分光口通过参考臂11与光混合器13的输入端a相连；80：20保偏耦合器3的 d端口即80％分端口通过测试臂12与第二环形器10的a端口相连；第二环形器10的c端口与传感光纤18相连；第二环形器10的b端口与光混合器13的输入端b相连；光混合器13 的输出端c和输出端d与第二平衡探测器16的两个输入端相连；光混合器13的输出端e 和输出端f与第三平衡探测器17的两个输入端相连；第二平衡探测器16的输出端与模数采集装置15的输入端相连；第三平衡探测器17的输出端与模数采集装置15的输入端相连；模数采集装置15的输出端与计算机19的输入端相连；
9.计算机19通过usb控制线20控制可调谐激光器1控制调谐速度、中心波长、调谐启动；可调谐激光器1的出射光由90：10保偏光分束器4的a端口进入，并以10：90的比例从 90：10保偏光分束器4的b端口经过第一环形器9进入50：50耦合器5的a端口，光从50： 50耦合器5的a端口进入，从50：50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8反射，返回到50：50耦合器5的c、d端口，两束光在50： 50耦合器5中发生干涉，从50：50耦合器5的b端口输出；50：50耦合器5从b端口的出射光进入第一平衡探测器2，第一平衡探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置15，作为模数采集装置15的外部时钟信号；
10.可调谐激光器1的出射光由90：10保偏光分束器4的a端口进入，从90：10光分束器 4的c端口即90％分光口进入80：20保偏耦合器3的a端口；经过80：20保偏耦合器3从 c端口即20％分光口进入参考臂11，从d端口80％分光口进入测试臂12上的第二环行器10 的a端口；光从第二环行器10的a端口进入，从第二环行器10的c端口进入拉伸区23中的传感光纤18，而传感光纤18的背向散射光从第二环行器10端口c端口进入，从第二环行器10端口b端口输出；参考臂11中输出的参考光进入光混合器13的a端口与第二环行器10端口b端口进入光混合器13的b端口的参考光进行合束，形成拍频干涉；光混合器 13通过c端口、d端口输入到第二平衡探测器16，第二平衡探测器16将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置15；光混合器13通过e端口、f端口输入到第三平衡探测器17，第二平衡探测器17将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置15；模数采集装置15在辅助干涉仪的时钟触发装置22形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机19；
11.可调谐激光器1，为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描；
12.第一环形器9，用于防止辅助干涉仪中50：50耦合器5的b端口反射光进入激光器；
13.50：50耦合器5，用于光干涉；
14.延迟光纤6，用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；
15.拉伸位移台14，用于拉伸传感光纤18使其产生可控的精密应变；
16.第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；
17.光混合器13，用于对信号进行偏振分束，使参考光和测试光在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致，消除偏振衰落噪声的影响，实现参考光和测试光的合束，形成拍频干涉；
18.计算机19，用于对模数采集装置15采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光频域反射中利用长距离光纤光栅即传感光纤18测量分布式光纤应力的光纤传感。
19.传感光纤可以为瑞利散射增强光纤或连续光栅光纤。
20.本发明同时提供一种基于光频域反射高速分布式应变测量方法，包括如下步骤：
21.第一步，初始化：设置可调谐激光器的扫频模式、初始波长、终止波长参数，特别的是，将其扫频模式设置为初始波长到终止波长即正向扫频，终止波长再到初始波长即逆向扫频的周期往返模式；初始化模数采集装置的触发方式、采集通道、数据大小参数；初始化计算机cpu的ram和rom，将ram划分为ram1和ram2，ram1和ram2的存储空间大小根据单向扫频一次所采集的数据量确定；初始化计算机gpu的参数，进行gpu内存参数的分配；
22.第二步，模数采集装置在可调谐激光器的触发下，由辅助干涉仪产生的时钟信号触发开始采集等频率间隔的数据，模数采集装置开始向cpu的ram1中传输数据；当ram1存储空间存满后，模数采集装置向ram2中传输数据，cpu将ram1中的数据传输到gpu中进行传感信息处理，这组数据作为正向扫频参考数据，由可调谐激光器正向扫频一次获得；当ram2存满时，模数采集装置向ram1中传输数据，同时ram2中的数据传输到gpu中作为逆向扫频参考数据，由可调谐激光器逆向扫频一次获得；此两次参考数据在整个数据处理过程中被存储在gpu中，等到下一步各自的测量数据进入gpu中时进行计算；当ram1再次存满时，传输到gpu的ram1数据为正向扫频测量数据，当ram2再次存满时，传输到gpu的ram2数据为逆向扫频测量数据；由gpu并行计算处理数据的步骤中，相对于正向扫频参考数据和正向扫频测量数据的处理，逆向扫频参考数据和逆向扫频测量数据的处理除了在求互相关峰最大值位置需要取反之外，其他步骤与正向处理流程相同；
23.第三步，在gpu中，对正向扫频参考数据和正向扫频测量数据，按照可调谐激光器的扫频长度被分成k段,对每段数据的处理流程相同；
24.第四步，数据类型强制转换核函数：为了后面核函数的运算，对分段后进入gpu的参考数据和测量数据进行数据类型由short至float的强制转换；
25.第五步，快速正向傅里叶变换库函数：对经过数据转换后的每段参考数据和测量数据进行正向快速傅里叶变换，变换后为沿光纤测试距离对应各个位置的复信号；
26.第六步，分段补零核函数：取分段的窗点数为n，每段数据的补零点为m，补零过程，将经过快速正向傅里叶变换后的每段参考数据和测量数据，各自被分成了每m+n点为一组的数据；
27.第七步，分段快速逆向傅里叶变换库函数：将分段补零后的参考数据和测量数据各自每 m+n个点进行快速逆向傅里叶变换，由距离域转到频域上复信号；
28.第八步，取幅值核函数：对第七步处理后的参考数据和测量数据取幅值；
29.第九步，规约去均值核函数，以去除参考数据和测量数据中的直流分量：gpu中核
函数的执行需要用到线程块和线程，每个线程对应着一个数据，一个线程块由多个线程组成，经过上述第七步对两组数据各自每组m+n个点进行提前的补零，使得每段成为块中线程数目的整数倍；而后，将补零后的每一小段数据分成多个线程块进行规约求和；每个线程块中会得到一个结果，将每个小段数据中的多个结果再以循环的方式求和，即可得到每个小段的各自的和，将每个小段的数据减去平均数就得到了去完直流项的参考数据和测量数据；
30.第十步，互相关核函数，利用卷积定理将互相关算法变换为距离域的相乘进行计算：对第九步处理过后的参考数据和测量数据每m+n个点进行处理，首先，将参考数据每m+n个翻转补零一倍；其次，对测试数据每m+n个补零一倍；而后同时对两组数据做正向快速傅里叶变换，相乘，并对乘积结果进行逆向快速傅里叶变换；
31.第十一步：寻峰核函数：经过第十步的参考数据和测量数据各自对应的m+n个点一组做互相关运算，计算结束出现2*(m+n)个点，寻找每2*(m+n)个点峰值的位置，确定光频域移动结果，将数据结果由gpu传回cpu的rom内存进行储存，得到一次光纤上的应变信息；
32.对于分段后的每段数据，均按照第三步到第十一步的方式对分段后正向扫频参考数据和正向扫频测量数据进行处理，故一个ram中存储的数据可以得到k次应变信息；反向扫频参考数据和反向扫频测量数据也是按照上述的步骤分成k段数据进行处理，只不过在第十一步寻峰时要对峰的最大值位置进行取反操作。
33.以上gpu核函数处理传感数据过程中，除了规约去均值核函数和寻峰核函数部分语句需要进行串行运算之外，其余核函数和库函数均是进行速度极快的并行计算；在数据采集模块将数据传输到cpu的一个ram分区时，gpu同时将另一个ram分区数据进行处理，所以整个应变测量过程是实时的、高速的，数据采集的同时就完成了对应变数据的处理。本发明提供的技术方案的有益效果是：
34.1、实现了实时测量200m光纤且分辨率为20cm的20hz正弦应变的测量。
35.2、实现了最小测量应变峰峰值是2.5με的分布式光纤应变测量，r值为0.9972高线性系统。
附图说明
36.图1为本发明的基于光频域反射高速分布式应变测量系统；
37.图2为标定曲线的示意图；
38.图3为拉伸位移台拉伸全光栅光纤示意图；
39.图4为不同频率下的二维应变图以及频谱图；
40.图5为微小应变下二维应变图以及频谱图；
41.图6为基于光频域反射分布式传感的高速应变测量系统流程图。
42.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
43.1：可调谐激光器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2：第一平衡探测器；
44.3：80:20保偏耦合器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4：90:10保偏光分束器；
45.5：50:50耦合器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6：延迟光纤；
46.7：第一法拉第转镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8：第二法拉第转镜；
47.9：第一环形器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10：第二环形器；
48.11：参考臂；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12：测试臂；
49.13：光混合器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14：拉伸位移台；
50.15：模数采集装置；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
16：第二平衡探测器；
51.17：第三平衡探测器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18：传感光纤；
52.19：计算机；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20：usb控制线。
具体实施方式
53.实施例一：
54.本实例包括基于光频域反射高速分布式应变测量系统。
55.基于光频域反射高速分布式应变测量系统包括：可调谐激光器1、90:10保偏光分束器4、计算机19、usb控制线20、模数采集装置15、基于辅助干涉仪的时钟触发装置22、主干涉仪21。
56.其中，基于辅助干涉仪的时钟触发装置22包括：第一平衡探测器2、50:50耦合器5、延迟光纤6、第一法拉第转镜7、第二法拉第转镜8和第一环形器9。基于辅助干涉仪的时钟触发装置22用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。
57.其中，主干涉仪21包括：80:20保偏耦合器3、第二环形器10、光混合器13、第二平衡探测器16、第三平衡探测器17、参考臂11、测试臂12、拉伸位移台14和传感光纤18，其为瑞利散射增强光纤或连续光栅光纤。主干涉仪21是光频域反射的分布式光纤传感装置的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。
58.usb控制线20的输出端与可调谐激光器1的输入端相连；usb控制线20的输入端与计算机19的输出端相连；可调谐激光器1与90:10保偏光分束器4的a端口相连；90:10保偏光分束器4的b端口即10％分光口与第一环形器9a端口相连；90:10保偏光分束器4的c 端口即90％分光口与80:20保偏耦合器3的a端口相连；第一环形器9的b端口与50:50耦合器5的a端口相连；第一环形器9的c端口与第一平衡探测器2的输入端相连；50:50耦合器5的b端口与第一平衡探测器2的输入端相连；50:50耦合器5的c端口通过延迟光纤 6与第一法拉第转镜7相连；50:50耦合器5的d端口与第二法拉第转镜8相连；第一平衡探测器2的输出端与模数采集装置15的输入端相连；80:20保偏耦合器3的c端口即20％分光口通过参考臂11与光混合器13的输入端a相连；80:20保偏耦合器3的d端口即80％分端口通过测试臂12与第二环形器10的a端口相连；第二环形器10的c端口与传感光纤 18相连；第二环形器10的b端口与光混合器13的输入端b相连；光混合器13的输出端c 和输出端d与第二平衡探测器16的两个输入端相连；光混合器13的输出端e和输出端f与第三平衡探测器17的两个输入端相连；第二平衡探测器16的输出端与模数采集装置15的输入端相连；第三平衡探测器17的输出端与模数采集装置15的输入端相连；模数采集装置 15的输出端与计算机19的输入端相连。
59.装置工作时，计算机19通过usb控制线20控制可调谐激光器1控制调谐速度、中心波长、调谐启动等；可调谐激光器1的出射光由90:10保偏光分束器4的a端口进入，并以 10:90的比例从90:10保偏光分束器4的b端口经过第一环形器9进入50:50耦合器5的a 端口，光从50:50耦合器5的a端口进入，从50:50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8反射，返回到50:50耦合器5的c、d端口，两束光在50:50耦合器5中发生干涉，从50:50耦合器5的b端口输出；50：50耦合器5从b 端口的出射光进入第一平衡探
测器2，第一平衡探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置15，作为模数采集装置15的外部时钟信号。
60.可调谐激光器1的出射光由90:10保偏光分束器4的a端口进入，从90:10光分束器4 的c端口即90％分光口进入80:20保偏耦合器3的a端口；经过80:20保偏耦合器3从c端口即20％分光口进入参考臂11，从d端口80％分光口进入测试臂12上的第二环行器10的 a端口；光从第二环行器10的a端口进入，从第二环行器10的c端口进入拉伸区23中的传感光纤18，而传感光纤18的背向散射光从第二环行器10端口c端口进入，从第二环行器10端口b端口输出；参考臂11中输出的参考光进入光混合器13的a端口与第二环行器 10端口b端口进入光混合器13的b端口的参考光进行合束，形成拍频干涉；光混合器13 通过c端口、d端口输入到第二平衡探测器16，第二平衡探测器16将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置15；光混合器13通过e端口、f端口输入到第三平衡探测器17，第二平衡探测器17将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至模数采集装置15；模数采集装置15在辅助干涉仪的时钟触发装置22形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机19。
61.usb控制线20用于计算机19通过其控制可调谐激光器1。
62.可调谐激光器1为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描。
63.第一环形器9防止辅助干涉仪中50:50耦合器5的b端口反射光进入激光器。
64.50:50耦合器5用于光干涉。
65.延迟光纤6用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。
66.拉伸位移台14用于拉伸传感光纤18使其产生可控的精密应变。
67.第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象。
68.光混合器13完成对信号进行偏振分束，使参考光和测试光在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致，消除偏振衰落噪声的影响，实现参考光和测试光的合束，形成拍频干涉。
69.计算机19：对模数采集装置15采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光频域反射中利用长距离光纤光栅测量分布式光纤应力的光纤传感。
70.实施例二
71.本实例提供了一种基于光频域反射高速分布式应变测量方法，步骤如下：
72.第一步，初始化：设置可调谐激光器的扫频模式、初始波长、终止波长等参数，特别的是，为了提高可调谐激光器的扫频效率，我们将其扫频模式设置为初始波长到终止波长(正向扫频)，终止波长再到初始波长(逆向扫频)的周期往返模式，这样可以省去单向扫频中激光器从终止波长回到初始波长重新扫描的时间。初始化模数采集装置的触发方式、采集通道、数据大小等参数。初始化计算机cpu的ram(随机存取存储器)和rom(只读存储器)，将ram划分为ram1和ram2。初始化计算机gpu的参数，进行gpu内存等参数的分配。
73.第二步，在计算机的cpu初始化结束之后，模数采集装置在可调谐激光器的触发下，由辅助干涉仪产生的时钟信号触发开始采集等频率间隔的数据，这时模数采集装置开始向 cpu的ram1中传输数据。当ram1存储空间存满后，模数采集装置向ram2中传输数据，这时cpu会将ram1中的数据传输到gpu中进行传感信息处理，这组数据作为正向扫频参考数据，由可调谐激光器正向扫频一次获得。当ram2存满时，模数采集装置向ram1 中传输数据，
同时ram2中的数据传输到gpu中作为逆向扫频参考数据，由可调谐激光器逆向扫频一次获得。这里的两次参考数据将会在整个数据处理过程中被存储在gpu中，等到下一步各自的测量数据进入gpu中时进行计算。当ram1再次存满时，传输到gpu的 ram1数据为正向扫频测量数据，当ram2再次存满时，传输到gpu的ram2数据为逆向扫频测量数据。下面的由gpu并行计算处理数据的步骤中，我们以正向扫频参考数据和正向扫频测量数据的处理作为示例，即处理流程图6中ram传输实线箭头部分。逆向扫频参考数据和逆向扫频测量数据的处理，即ram传输中的虚线箭头部分，其步骤除了在第十一步求互相关峰最大值位置需要取反之外，其他步骤与正向处理流程相同。
74.第三步，由第二步得到的传感信息数据将在gpu中由不同的核函数和库函数进行处理，两组数据(正向扫频参考数据和正向扫频测量数据)将按照可调谐激光器的扫频长度被分成六段处理以提高可调谐激光器的利用效率，提升应变测量的频率。这六段数据的处理流程是完全相同的，为了方便处理流程描述，我们将正向扫频参考数据的第一段和正向扫频测量数据的第一段称为参考数据和测量数据。
75.第四步，数据类型强制转换核函数：为了后面核函数的运算，对分段后进入gpu的参考数据和测量数据进行数据类型由short至float的强制转换。
76.第五步，快速正向傅里叶变换库函数：对第二步处理以后的参考数据和测量数据进行正向快速傅里叶变换，变换后为沿光纤测试距离对应各个位置的复信号。
77.第六步，分段补零核函数：这里我们取分段的窗点数为n，每段数据的补零点为m，补零过程，实际上是对频域信号进行了插值，这样能够实现更高的应变分辨率。这样将快速正向傅里叶变换后的参考数据和测量数据各自被分成了每m+n点为一组的数据。
78.第七步，分段快速逆向傅里叶变换库函数：将分段补零后的参考数据和测量数据各自每 m+n个点进行快速逆向傅里叶变换，由距离域转到频域上复信号。
79.第八步，取幅值核函数：对第七步处理后的参考数据和测量数据取幅值。
80.第九步，规约去均值核函数：这一步将会去除参考数据和测量数据中的直流分量。gpu 中核函数的执行需要用到线程块和线程，每个线程对应着一个数据，一个线程块由多个线程组成。但是线程块之间无法同步(即不能够实现数据的互相访问)，所以我们一般使用线程块为单位对数据求和。因此，我们需要对两组数据各自每组m+n个点进行提前的补零，使得每段成为块中线程数目的整数倍。而后，我们将补零后的每一小段数据分成多个线程块进行规约求和。而每个线程块中会得到一个结果，我们将每个小段数据中的几个结果再以循环的方式求和，即可得到每个小段的各自的和。将每个小段的数据减去平均数就得到了去完直流项的参考数据和测量数据。
81.第十步，互相关核函数：我们利用卷积定理将互相关算法变换为距离域的相乘进行计算。这里我们对第九步处理过后的参考数据和测量数据每m+n个点进行处理，首先，将参考数据每m+n个翻转补零一倍。其次，对测试数据每m+n个补零一倍。而后同时对两组数据做正向快速傅里叶变换，相乘，并对乘积结果进行逆向快速傅里叶变换。
82.第十一步：寻峰核函数：经过第十步的参考数据和测量数据各自对应的m+n个点一组做互相关运算，计算结束会出现2*(m+n)个点。寻找每2*(m+n)个点峰值的位置，确定光频域移动结果。将数据结果由gpu传回cpu的rom内存进行储存，得到一次光纤上的应变信息。
83.以上第三步到第十一步是对正向扫频参考数据和正向扫频测量数据的第一段进
行处理的，其余五段的正向扫频数据也是按照上述步骤进行处理，故一个ram中存储的数据可以得到六次应变信息。反向扫频参考数据和反向扫频测量数据也是按照上述的步骤分成六段数据进行处理，只不过在第十一步寻峰时要对峰的最大值位置进行取反操作。
84.以上gpu核函数处理传感数据过程中，除了规约去均值核函数和寻峰核函数部分语句需要进行串行运算之外，其余核函数和库函数均是进行速度极快的并行计算。在数据采集模块将数据传输到cpu的一个ram分区时，gpu同时将另一个ram分区数据进行处理，所以整个应变测量过程是实时的、高速的，数据采集的同时就完成了对应变数据的处理。
85.本专利提出了基于光频域反射高速分布式应变测量系统和方法。在装置中，采用保偏光纤耦合器与光混合器结构，能够克服使用偏振控制器和50:50耦合器的缺点，实现主干涉仪的偏振分集探测。在偏振分束时，两个正交方向上光强大小误差很小，并且能够很好的解决偏振衰落噪声带来的问题。为了进一步提升数据处理速度，我们通过gpu中的核函数和库函数实现数据的并行运算，此外利用采集卡的传递程序，将数据传递和数据处理并行，因此极大提升了数据速度,测量速度达到60hz。基于此，我们实现了实时测量200m光纤且空间分辨率为20cm的20hz振动频率正弦应变的测量，而最小测量应变峰峰值是2.5με。
86.下面结合具体的试验对传感系统的高速应变频率测量进行可行性验证，参见图4，详见下文描述：
87.本发明实施例验证实验为采用传感光纤18为连续光栅光纤，所述长距离光纤光栅为长度为200m，由20000段组成，每段长10mm，其中光栅长度为9mm，中心波长1550nm。
88.为了验证系统测量的线性关系，我们首先对系统进行了标定。我们测量了静态应变 2.5με，7.5με,12.5με，17.5με，22.5με，27.5με下的光频域移动。其关系如图2所示：从图中，我们可以看到，经过拟合，系统的线性程度很高，r值达到0.9972，而光频域移动与应力之间也有着固定系数关系。
89.将传感光纤18中末端的100cm，一端固定，距离40cm处另一端粘在拉伸位移台上，隔20cm，再将剩余的40cm光纤固定在拉伸位移台上，见图3。我们对拉伸位移台施加一个以15με为基准，峰峰值为27.5με的正弦应变。其频率为12hz、16hz、20hz，而整个系统的理论测量最大值为30hz。
90.在实验中，我们使用ofdr系统，起始频率为1551nm，终止频率为1601nm，扫频速率为500nm/s,采样点数为15m，附加干涉仪光纤长度为500m。
91.从图4的a，c，d可知，由于实验仅有两处位置设置有应变变化，因此有两处颜色变化的彩带，彩带颜色的变化代表应变的变化。又因为每处的应变长度为40cm，因此每个彩带拥有两个点。由于两处应变相距20cm，因此，彩带之间相距1个无应变的点。从时间轴上看，随着频率的增加，颜色变化越来越密集。
92.我们对其进行傅里叶变换，其结果如图4的b,e,f所示。位置a和b即代表了两个不同位置的频谱图。随着频率的增加，频谱图的峰值不断变化，分别为12hz，16hz，20hz，这与我们设定的频率完全相同，而且两个位置a和b频谱图基本相同。因此，我们确定系统有能力测量频率为20hz的应变。
93.实施实例三
94.为了测量系统的极限应变分辨率，我们测量了20hz，基准应力为12.5με，峰峰值分别为3.75με,2.5με,1.25με的正弦应变，其测量结果如图5所示。
95.从图5的a,c,e中，随着应变的不断减小，我们可以看到的应变变化也在不断减小，系统渐渐达到极限。在3.75με时，颜色交替明显，可以看到应变变化。在2.5με时，由于应力变小，颜色相近使得变化不明显，但是仍有相同频率变化。在1.25με时，颜色均一，无法测量到应变。
96.此外，根据图5中b,d,f的频谱图，我们可以得知，随着应变的不断减小，频谱峰值也在不断减小，当应变为1.25με时，我们已经无法观测到20hz的频谱峰值了。因此，我们可以得到，系统最小可以测量20hz频率下，应变峰峰值为2.5με的应变。
97.综上所述，我们系统基于gpu并行运算，通过程序优化，实现了实时测量200m光纤且分辨率为20cm的20hz正弦应变的测量，而最小测量应变峰峰值是2.5με。根据拟合情况，我们得到系统的线性程度很高，r值达到0.9972。
98.本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。