光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究

电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究学科专业光学工程学号201221050233作者姓名邓胜强指导教师代志勇副教授分类号密级UDC注1学位论文光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究（题名和副题名）邓胜强（作者姓名）指导教师代志勇副教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业光学工程提交论文日期2015.04论文答辩日期2015.05学位授予单位和日期电子科技大学2015年6月日答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。THERESEARCHONTHEKEYTECHNOLOGIESOFOFDRFORFIBERGRATINGSENSINGMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:OpticalEngineeringAuthor:ShengqiangDengAdvisor:ZhiyongDaiSchool:SchoolofOptoelectronicInformation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要光纤光栅传感因波长编码、测量范围广、抗电磁干扰、长期稳定性好、耐腐蚀，尤其是能阵列复用等优点，在工程结构、石油化工、电力系统等诸多领域的监测中有着十分广泛的应用，是目前最为成熟的光纤传感器。但受光源谱宽与传感器带宽的限制，无法实现高密度传感器阵列复用。将光频域反射计（OFDR）技术应用于光纤光栅传感解调是实现高密度阵列复用最为有效的方法。针对高密度光纤光栅传感系统，论文主要对OFDR的光源特性、光路结构及解调算法中的关键技术进行了研究。论文主要研究工作如下：1.阐述了OFDR的基本原理，推导了OFDR的理论模型，对影响其动态范围、空间分辨率的各种因素进行了分析和讨论。建立了相位噪声理论模型，仿真分析了其在不同的光源相干长度和连接器反射率下对拍频信号的影响。进一步讨论了OFDR系统抑制光谱偏振衰落的方法。2．开展了光纤光栅传感系统OFDR解调算法设计与特性分析。对影响拍频信号的非线性调谐效应进行了分析，并总结了其补偿方法。通过理论推导，讨论了辅助干涉仪触发采样法中调谐光源扫频速率与光路时延间的匹配条件。3．仿真分析验证了非均匀傅里叶变换（NUFFT）和三次样条插值算法能够消除非线性调谐效应，改善系统空间分辨率，并提出采用加汉明（hamming）窗FFT的三次样条插值法，减小信号能量的扩散，进一步提高系统空间分辨率。4．开展了高密度光纤光栅传感OFDR解调实验。一方面，编写了基于NUFFT和加窗三次样条插值补偿算法的信号处理软件，实现空间分辨率1cm的OFDR系统。另一方面，进一步编写了光纤光栅波长偏移量的解调算法，并开展了温度解调实验。OFDR系统成功解调了不同温度下光纤光栅的波长偏移量，通过与光谱分析仪实际测试结果对比，验证了解调算法的正确性。在4个波长一致、间隔为15cm弱反射的光纤光栅传感器阵列上，不增敏的情况下，获得温度灵敏系数9.83Cpm/。实验结果表明该OFDR系统能够应用于高密度光纤光栅传感的解调。关键词：光频域反射仪，线性扫频激光器，非线性调谐补偿，光纤光栅传感ABSTRACTIIABSTRACTDuetotheadvantagesofwavelengthcoding,widemeasurementrange,anti-electromagneticinterference,long-termstability,corrosionresistance,arraymultiplexingespecially,etc,fiberBragggrating(FBG)sensinghasbeenwidelyappliedinmanyfieldssuchasthemonitoringofengineeringstructures,petrochemicalindustry,powersystemsandsoon,anditisthemostdevelopedfibersensorsofar.Butbecauseofthelimitationofthespectralwidthoflasersandthebandwidthofsensor,high-densitymultiplexingofsensorarrayhasn’tbeenrealized.Soitwillbethemosteffectivemethodtoachievehigh-densitymultiplexingofsensorarraythatOFDRisappliedtothedemodulationofFBGsensing.Forthehigh-densityFBGsensing,thisthesisstudiedlasercharacteristic,opticalstructureandthekeytechnologiesindemodulationalgorithmofOFDR.Themainworksofthisthesiswereasfollows:1.ThisthesisexpoundedthebasicprincipleofOFDR.Thefactors,whichaffectthedynamicrangeandthespatialresolution,wereanalyzedanddiscussedbyderivingOFDRtheorymodel.Thetheorymodeloflaserphasenoisewassetupanditsimpactonthebeatsignalwasanalyzedbysimulationinthedifferentlasercoherencelengthandconnectorreflectivity.ThemethodstoinhibitionspectralpolarizationdeclineinOFDRsystemwereanalyzed.2.ThesignaldemodulationalgorithmsofOFDRwereanalyzedanddesigned.Thenonlineartuninglasereffectsandseveralsolutionswereintroduced.Thematchingconditionbetweenlasersweeprateandlightpathdelaywasobtainedinthetriggersamplingmethodbasedonauxiliaryinterferometer.3.Thenon-uniformFouriertransformation(NUFFT)andcubicsplineinterpolationalgorithmtoeliminatethenonlineartuningeffectswasverifiedbysimulationresultsandthesystemspatialresolutionwasimproved.UsingcubicsplineinterpolationmethodbasedonaddinghammingwindowsFFT,whichcouldeffectivelyreducetheenergyspreadofsignal,wasproposedtofurtherimprovethesystemspatialresolution.4.Thedemodulationexperimentsofhigh-densityFBGsensingbasedonOFDRwereillustrated.Ontheonehand,thesignalprocessingsoftwarewaswrittentoobtainthecorrectsignalofOFDR.1cmspatialresolutionofOFDRsystemwasachievedbyusingthecompensationalgorithmsofNUFFTandCubicsplineinterpolationmethodbasedonaddingABSTRACTIIIwindowsFFT.Ontheotherhand,bywritingthedemodulationalgorithmsofFBG’swavelengthshift,temperaturetestexperimentswascarriedoutinfourFBGsensorswhichhaveconsistentwavelength,15cmspacingandweakreflectivity.OFDRsystemsuccessfullydemodulatethewavelengthshiftofFBGatdifferenttemperatures,andthenthecorrectnessofthedemodulationalgorithmwasverifiedbycomparedwithactualmeasurementresultsofFBG’swavelengthontheopticalspectrumanalyzer.TemperaturesensitivityofFBGsensingsystemwas9.83Cpm/inthecaseofnon-sensitizing.Theexperimentalresultsshowthatthesystemcanbeappliedtodemodulationofhigh-densityFBGsensing.Keywords:opticalfrequencydomainreflectometry,linearsweep-frequencylaser,nonlineartuningcompensation,FBGsensing目录IV目录第一章绪论...................................................................................................................................11.1光纤光栅传感技术.........................................................................................................11.2光纤背向散射探测技术................................................................................................21.3OFDR的发展及应用........................................................................................