光纖光柵傳感OFDR解調關鍵技術研究-慧知文庫

1、光纖光柵傳感OFDR解調關鍵技術研究原文地址：/view/0cc25a2b01cd6312d67223eb6df8bd09.html 電 子 科 技 大 學UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA碩士學位論文MASTER THESIS論文題目光纖光柵傳感 OFDR 解調關鍵技術研究學科專業(yè) 學 號光學工程 201221050233 鄧勝強 代志勇 副教授作者姓名 指導教師分類號 UDC注1密級學 位 論 文光纖光柵傳感 OFDR 解調關鍵技術研究（題名和副題名）鄧勝強（作者姓名）指導教師代志勇副教授電子科技大學 成都（姓名

2、、職稱、單位名稱）申請學位級別 提交論文日期碩士 2015.04學科專業(yè) 論文答辯日期光學工程 2015.05 2015 年 6 月 日學位授予單位和日期 答辯委員會主席 評閱人電子科技大學注 1：注明國際十進分類法 UDC的類號。THE RESEARCH ON THE KEY TECHNOLOGIES OF OFDR FOR FIBER GRATING SENSINGMaster Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of ChinaMajor: Author: Advisor: School

3、:Optical Engineering Shengqiang Deng Zhiyong Dai School of Optoelectronic Information獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論 文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果， 也不包含為獲得電子科 技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同 志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：日期：年月日論文使用授權本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、 使用學位論文的規(guī)

4、 定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論 文被查閱和借閱。 本人授權電子科技大學可以將學位論文的全部或部分內 容編入有關數(shù)據庫進行檢索， 可以采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存、 匯編學位論文。 （保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）作者簽名：導師簽名： 日期： 年 月 日摘要摘要光纖光柵傳感因波長編碼、測量范圍廣、抗電磁干擾、長期穩(wěn)定性好、耐腐蝕， 尤其是能陣列復用等優(yōu)點，在工程結構、石油化工、電力系統(tǒng)等諸多領域的監(jiān)測中有 著十分廣泛的應用，是目前最為成熟的光纖傳感器。但受光源譜寬與傳感器帶寬的限 制，無法實現(xiàn)高密度傳感器陣列復用。將光頻域反射計（OFDR）技術應

5、用于光纖光柵 傳感解調是實現(xiàn)高密度陣列復用最為有效的方法。針對高密度光纖光柵傳感系統(tǒng)，論 文主要對 OFDR 的光源特性、光路結構及解調算法中的關鍵技術進行了研究。 論文主要研究工作如下： 1. 闡述了 OFDR 的基本原理，推導了 OFDR 的理論模型，對影響其動態(tài)范圍、空 間分辨率的各種因素進行了分析和討論。建立了相位噪聲理論模型，仿真分析了其在 不同的光源相干長度和連接器反射率下對拍頻信號的影響。進一步討論了 OFDR 系統(tǒng) 抑制光譜偏振衰落的方法。 2開展了光纖光柵傳感系統(tǒng) OFDR 解調算法設計與特性分析。對影響拍頻信號的 非線性調諧效應進行了分析，并總結了其補償方法。通過理論推導，

6、討論了輔助干涉 儀觸發(fā)采樣法中調諧光源掃頻速率與光路時延間的匹配條件。 3仿真分析驗證了非均勻傅里葉變換（NUFFT）和三次樣條插值算法能夠消除非 線性調諧效應，改善系統(tǒng)空間分辨率，并提出采用加漢明（hamming）窗 FFT 的三次 樣條插值法，減小信號能量的擴散，進一步提高系統(tǒng)空間分辨率。 4開展了高密度光纖光柵傳感 OFDR 解調實驗。一方面，編寫了基于 NUFFT 和 加窗三次樣條插值補償算法的信號處理軟件，實現(xiàn)空間分辨率 1cm 的 OFDR 系統(tǒng)。另 一方面， 進一步編寫了光纖光柵波長偏移量的解調算法， 并開展了溫度解調實驗。 OFDR 系統(tǒng)成功解調了不同溫度下光纖光柵的波長偏移量

7、，通過與光譜分析儀實際測試結果 對比，驗證了解調算法的正確性。在 4 個波長一致、間隔為 15cm 弱反射的光纖光柵傳 感器陣列上， 不增敏的情況下， 獲得溫度靈敏系數(shù) 9.83 pm / ?C 。 實驗結果表明該 OFDR 系統(tǒng)能夠應用于高密度光纖光柵傳感的解調。 關鍵詞：光頻域反射儀，線性掃頻激光器，非線性調諧補償，光纖光柵傳感IABSTRACTABSTRACTDue to the advantages of wavelength coding, wide measurement range, anti-electromagnetic interference, long-term sta

8、bility, corrosion resistance, array multiplexing especially, etc, fiber Bragg grating(FBG) sensing has been widely applied in many fields such as the monitoring of engineering structures, petrochemical industry, power systems and so on, and it is the most developed fiber sensor so far. But because o

9、f the limitation of the spectral width of lasers and the bandwidth of sensor, high-density multiplexing of sensor array hasnt been realized. So it will be the most effective method to achieve high-density multiplexing of sensor array that OFDR is applied to the demodulation of FBG sensing. For the h

10、igh-density FBG sensing, this thesis studied laser characteristic, optical structure and the key technologies in demodulation algorithm of OFDR. The main works of this thesis were as follows: 1. This thesis expounded the basic principle of OFDR. The factors, which affect the dynamic range and the sp

11、atial resolution, were analyzed and discussed by deriving OFDR theory model. The theory model of laser phase noise was set up and its impact on the beat signal was analyzed by simulation in the different laser coherence length and connector reflectivity. The methods to inhibition spectral polarizati

12、on decline in OFDR system were analyzed. 2. The signal demodulation algorithms of OFDR were analyzed and designed. The nonlinear tuning laser effects and several solutions were introduced. The matching condition between laser sweep rate and light path delay was obtained in the trigger sampling metho

13、d based on auxiliary interferometer. 3. The non-uniform Fourier transformation(NUFFT) and cubic spline interpolation algorithm to eliminate the nonlinear tuning effects was verified by simulation results and the system spatial resolution was improved. Using cubic spline interpolation method based on

14、 adding hamming windows FFT, which could effectively reduce the energy spread of signal , was proposed to further improve the system spatial resolution. 4. The demodulation experiments of high-density FBG sensing based on OFDR were illustrated. On the one hand, the signal processing software was wri

15、tten to obtain the correct signal of OFDR. 1cm spatial resolution of OFDR system was achieved by using the compensation algorithms of NUFFT and Cubic spline interpolation method based on addingIIABSTRACTwindows FFT. On the other hand, by writing the demodulation algorithms of FBGs wavelength shift,

16、temperature test experiments was carried out in four FBG sensors which have consistent wavelength, 15cm spacing and weak reflectivity. OFDR system successfully demodulate the wavelength shift of FBG at different temperatures, and then the correctness of the demodulation algorithm was verified by com

17、pared with actual measurement results of FBGs wavelength on the optical spectrum analyzer. Temperature sensitivity of FBG sensing system was 9.83 pm / ?C in the case of non-sensitizing. The experimental results show that the system can be applied to demodulation of high-density FBG sensing. Keywords

18、: optical frequency domain reflectometry, linear sweep-frequency laser, nonlinear tuning compensation, FBG sensingIII目 錄目 錄第一章 緒論. 1 1.1 光纖光柵傳感技術. 1 1.2 光纖背向散射探測技術 . 2 1.3 OFDR 的發(fā)展及應用. 4 1.4 論文的研究目的及主要內容. 7 1.4.1 論文的研究目的. 7 1.4.2 論文的主要研究內容 . 8 第二章 OFDR 的理論模型及特性分析. 9 2.1 OFDR 的理論模型. 9 2.1.1 光外差探測原理.

19、9 2.1.2 OFDR 的工作原理. 12 2.2 OFDR 的主要參數(shù)特性分析 . 15 2.2.1 動態(tài)范圍 . 15 2.2.2 空間分辨率 . 17 2.2.3 光源參數(shù)分析. 18 2.3 OFDR 的相位噪聲理論模型及影響分析 . 20 2.3.1 OFDR 相位噪聲理論模型 . 20 2.3.2 OFDR 相位噪聲影響分析 . 23 2.4 OFDR 系統(tǒng)光譜偏振衰落的抑制. 24 2.5 本章小結 . 26 第三章 OFDR 的非線性調諧效應及補償方法的研究 . 27 3.1 光源非線性調諧效應及補償方法 . 27 3.1.1 光源非線性調諧效應 . 27 3.1.2 光源非

20、線性調諧效應的補償方法 . 28 3.2 輔助干涉儀觸發(fā)采樣法 . 29 3.3 基于非均勻傅里葉變換的補償法 . 31 3.4 基于加窗 FFT 的三次樣條插值補償法 . 35 3.5 NUFFT 和三次樣條插值算法仿真. 38 3.6 本章小結 . 45 第四章 高密度光纖光柵傳感 OFDR 解調實驗 . 46IV目 錄4.1 光纖光柵傳感原理. 46 4.1.1 溫度傳感機理. 47 4.1.2 應變傳感機理. 47 4.2 OFDR 系統(tǒng)設計及實驗 . 48 4.2.1 OFDR 系統(tǒng)設計. 48 4.2.2 OFDR 系統(tǒng)實驗及算法驗證. 50 4.3 高密度光纖光柵 OFDR 溫度

21、解調實驗 . 56 4.3.1 實驗系統(tǒng) . 56 4.3.2 實驗結果 . 58 4.4 本章小結 . 65 第五章 總結與展望 . 66 5.1 論文工作總結 . 66 5.2 論文工作展望 . 67 致 謝 . 68 參考文獻 . 69 攻碩期間取得成果 .74V第一章 緒論第一章 緒論1.1 光纖光柵傳感技術1978 年，K. O. Hill 等人發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性（如外界入射光子和纖芯內鍺離子相互 作用引起折射率的永久性變化） ， 首次實現(xiàn)了一種光纖 Bragg 光柵 （Fiber Bragg Grating） 新型光纖內纖型無源器件12， 稱之為 “Hill 光柵” ， 開創(chuàng)了光纖光

22、柵研究與應用的先河。 但初期由于制作效率低下，光纖光柵的發(fā)展緩慢。1989 年，G. Melt 等人發(fā)明了紫外光 外側寫入技術3，該技術采用兩束相干紫外光形成干涉條紋，從光纖側面寫入光柵，大 大提高光柵的制作效率，使得光纖光柵技術得到了迅速發(fā)展。1993 年，Hill 等人提出 了相位掩模制作技術4。 該方法通過紫外激光照射相位模板， 利用衍射光相干形成的周 期性明暗條紋對光纖曝光，制成光纖光柵，該技術放寬了寫入光相干性的要求。隨著 光纖光柵寫入技術的不斷完善，應用成果的日益增多，光纖光柵成為目前最有發(fā)展前 途、最具有代表性的光纖無源器件之一。 光纖光柵是利用光纖在紫外光照射下產生的光致折射率

23、變化的效應，在纖芯上形 成周期性的折射率調制分布，從而對入射光波中相位匹配的頻率產生相干反射。其典 型反射帶寬為10 ?1 10 2 nm ，反射率可達 100%。光纖光柵的這一重要的波長選擇特性 實質是在纖芯形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。利用這一特性可構成諸多性能獨特的 光纖無源器件，再加上光纖本身具有低傳輸損耗、抗電磁干擾、輕質、徑細、化學穩(wěn) 定及點絕緣等優(yōu)點，因此，光纖光柵在光纖通信、光纖傳感和光信息處理等領域得到 了廣泛應用。 基于光纖光柵的傳感過程是通過外界參量對其 Bragg 波長的調制來獲取傳感信息， 這是一種波長調制型光纖傳感器。光纖光柵的傳感機制包括應變引起的彈性形變和彈 光

24、效應， 溫度引起的熱膨脹效應和熱光效應。 光纖光柵傳感技術利用光纖光柵的 Bragg 波長與其應變和溫度的線性關系實現(xiàn)應變或溫度的傳感，對于其他被測參量，可采用 其他裝置或媒介將變化轉化為作用于光纖光柵上的應變或溫度的變化實現(xiàn)測量。 目前，光纖光柵已被用于檢測應力、應變、溫度、壓力、振動、磁場和電流等多 種參量的光纖傳感器和光纖傳感網絡。光纖光柵除在航空航天飛行器、艦船及武器系 統(tǒng)等軍事應用外，還擴展到諸多如建筑、橋梁、隧道、電力電工業(yè)、生物醫(yī)學工程等 民用領域。 光纖光柵傳感器的突出優(yōu)點之一是可實現(xiàn)準分布式傳感，在一根光纖上連續(xù)刻入 多個光纖光柵，利用復用技術實現(xiàn)各種傳感量的準分布式測量。光

25、纖光柵允許高程度 的多路復用，如波分復用、時分復用、空分復用和混合復用。目前，基于波分復用1電子科技大學碩士學位論文（Wavelength division multiplexing, WDM）的光纖光柵傳感器已應用于商業(yè)化，其允許 一根光纖中碼址十多個光柵5。 在該傳感系統(tǒng)中， 工作波長范圍是由每個光柵中心波長 所決定的。因此，復用光纖光柵的數(shù)量直接受限制于光譜寬度和兩個光柵的波長間隔， 而波長間隔又取決于待測物理量的動態(tài)范圍。波分復用技術的基本原理決定了光柵復 用的數(shù)量有限，一般為幾十個。 為了打破這一限制，光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometry,

26、 OTDR）被 應用于光纖光柵傳感復用技術6。 光時域反射儀在光纖光柵復用量上有所提升， 可達到 近百個7。該傳感器的主要限制是基于 OTDR 檢測方案中會不可避免的出現(xiàn)盲區(qū)，進 而限制了兩個傳感點的最小物理間隔。 由于在高達幾百米的測量范圍內可達到毫米級的分辨率，光頻域反射儀（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR） 引起了人們的極大關注， 并作為一種測量機制 應用于光纖光柵傳感系統(tǒng)中。與其它復用方法，例如，空分復用、時分復用、波分復 用，光時域反射儀等相比，該方法的優(yōu)點是可實現(xiàn)大容量的光纖光柵復用數(shù)量（可達 幾千個）和高空間分辨率8。 利用

27、光頻域反射復用技術實現(xiàn)的光纖光柵傳感系統(tǒng)，可在實現(xiàn)光纖光柵傳感器的 優(yōu)點的前提下，通過復用大容量傳感點實現(xiàn)高空間分辨率的特性，使得準分布式傳感 器性能更加接近于分布式傳感器。1.2 光纖背向散射探測技術基于背向散射的光反射探測技術，具有單端測量的顯著技術優(yōu)勢，被廣泛地用于 光纖鏈路特性測試，尤其近幾年分布式光纖傳感器的飛速發(fā)展，使其得到更為廣泛而 深入的研究。 散射損耗主要是由光纖的非結晶材料在微觀空間的顆粒狀結構和玻璃中存在的像 氣泡這種不均勻結構引起的，其引起光功率分散，使得能量在各個方向上均有分布。 當然也存在沿光纖軸向向前或著向后的散射，通常稱沿后向的散射為背向散射9。 從光纖光學原理

28、可知10，光纖中存在三種主要的散射，分為瑞利散射，布里淵散 射以及拉曼散射，如圖 1-1 所示。瑞利散射是光子與光纖介質中的微觀粒子相互作用， 發(fā)生彈性碰撞引起的，特點是散射光的頻率與入射光的頻率相同。當入射光強大到一 定程度時，光纖中將會產生拉曼散射和布里淵散射。拉曼散射是入射光與介質中的光 聲子產生非彈性碰撞引起的，波長大于入射光的稱為斯托克斯光，波長小于入射光的 稱為反斯托克斯光。拉曼散射的反斯托克斯光對溫度敏感，基于拉曼散射的分布式光 纖溫度傳感器原理在于此11。布里淵散射是光子與光纖因自發(fā)熱運動產生的聲子發(fā)生 非彈性碰撞引起的，其機理是晶體中的聲波參與了能量的交換，并在光纖中產生新頻

29、2第一章 緒論率成分。布里淵頻移分量攜帶了光纖的局部溫度和應力信息，據此可制作出基于布里 淵散射的分布式溫度或者應力傳感器。三種散射損耗中，瑞利散射為最基本散射形式。入射光波長 光功率P 瑞利散射 布里淵散射反斯托克斯斯托克斯波長 ?圖 1-1 光纖中的背向散射光目前基于背向散射的探測技術中最基本的方法為光時域反射計（ Optical Time Domain Reflectometry, OTDR） 。 光時域反射計是在背向散射理論用于測量損耗的基礎上 發(fā)展起來的，并被廣泛應用于光纖鏈路測量中，利用該技術監(jiān)控光纖通訊線路中的損 耗和斷點12。OTDR 的基本原理如圖 1-2 所示，激光器發(fā)出一

30、系列光脈沖，光脈沖經 過耦合器進入光纖中傳輸，光脈沖在光纖中傳輸時，由于待測光纖自身的性質、熔接 頭、連接器、彎曲或者是其它類似事件從而發(fā)生瑞利散射亦或是菲涅爾反射。這部分 與光脈沖傳播方向相反的光，即背向散射光經耦合器進入光電探測器，轉變?yōu)殡娦盘?3。通過對電信號進行高速采集，得到一系列采樣點的數(shù)據，每個數(shù)據都代表光纖中某點的后向散射光功率值，從而反映出該點的損耗情況。因為采集速率是固定的，可 通過該點采樣時間進行定位。 將采樣到的每個采樣點的背向散射光功率值作為縱坐標， 與其相對應的距離作為橫坐標作圖，繪制出 OTDR 特性曲線。脈沖激 光器 光電探 測器 彎曲 數(shù)據采 集卡 連接點 末端

31、背 向 散 射 光 功 率 距離圖 1-2 OTDR 原理及特性曲線圖3電子科技大學碩士學位論文根據 OTDR 原理可知，OTDR 的空間分辨率與脈沖光的寬度成反比，而其動態(tài)范 圍與激光脈寬成正比，因此 OTDR 的兩個主要性能參數(shù)空間分辨率和動態(tài)范圍兩者不 可兼得14。在保證 OTDR 的空間分辨率不變前提下，為了提高其測量的動態(tài)范圍，研 究人員廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術 （即編碼的方式） 。 2004 年時， D. Lee 和 H. Yoon 等人提出了基于簡單編碼 OTDR 的理論算法，并首次通過實驗驗證了簡單編碼用于 OTDR 算法的正確性，得到在相同實驗條件下，用階數(shù)為 255 的

32、簡單編碼作為探測脈 沖信號使 OTDR 的單程動態(tài)范圍比傳統(tǒng)單脈沖 OTDR 的動態(tài)范圍增加了 4.5dB15。 隨著基于 OTDR 技術的一系列分布式光纖傳感技術的不斷發(fā)展，其動態(tài)范圍和分 辨率不可兼得的問題日益突出。盡管研究人員通過各種技術（脈沖編碼法、累加平均 法、相干法等）在測試距離，傳感靈敏度和精度，空間分辨率，動態(tài)響應等方面取得 較大突破，但是這些指標仍難滿足更為廣泛的應用需求。 為解決這一問題，研究人員將背向散射法應用于光頻域，研制出了光頻域反射計 （Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR） 。OFDR 采用相干外差探測技術，在

33、已知光纖中光速和掃頻速率的前提下，利用線性掃頻光源，測得的拍頻信號頻率可映 射為物理距離，信號拍頻大小與反射光的位置成線性正比關系，而拍頻信號幅度的平 方值則反應了出其相對反射點的反射率16。與 OTDR 相比，OFDR 的相干檢測方案有 許多內在的優(yōu)勢： （1）OFDR 的空間分辨率與接收機帶寬成反比，而噪聲與接收機帶寬成正比，因 此 OFDR 的信噪比可以做到很高。 （2）OFDR 的動態(tài)范圍取決于掃頻光源的相干長度，因此在空間分辨率不變的前 提下，可通過提高光源的相干性以實現(xiàn)大動態(tài)范圍，空間分辨率和動態(tài)范圍二者兼得。 （3）OFDR 基本原理決定了其具有高精度，高靈敏度，高空間分辨率和高

34、響應度 的特性。 基于上述眾多優(yōu)點，OFDR 作為一種高性能背向測量方法在光纖傳感、生物醫(yī)療 以及光纖通信等領域都廣泛的應用。1.3 OFDR 的發(fā)展及應用自 OFDR 技術出現(xiàn)以來，由于其可實現(xiàn)極高的空間分辨率及高靈敏度等鮮明的特 點和廣泛的應用空間，引起了人們的極大興趣，國內外不斷對其進行研究和改進。 1981 年，OFDR 技術最早由 W. Eickhoff 等人提出，并闡述了其基本原理11。1990 年，Sorin 等人在 W. Eickhoff 的 OFDR 理論基礎上，采用溫度調制 Nd:YAG 晶體實現(xiàn) 了工作中心波長為 1320nm、 帶寬為 2KHz 的可調激光器。 光源的調

35、頻速率為 260MHz/s， 掃頻范圍 13GHz，在 50Km 的光纖末端獲得了 130KHz 的最大拍頻分量。然而由于掃4第一章 緒論頻范圍的限制， 其 OFDR 試驗系統(tǒng)的分辨率為 380m。 采用溫度調頻的方式本身限制了 輸出光源的最高掃頻速率，進而使得其分辨率受到限制17。 1991 年，Shimizu 等人采用由多量子井分布式反饋激光二極管實現(xiàn)了分辨率為 50cm、量程為 500m 的 OFDR 系統(tǒng)。分布式反饋激光二極管的掃頻速率由注入電流控 制，可在光源相干長度一定的情況下，通過增加電流，提高掃頻速率，進而實現(xiàn)系統(tǒng) 的高分辨率。另外，相比 Nd:YAG 激光器，分布式反饋激光二

36、極管的性能更加可靠， 成本較低。 但是分布式反饋激光二極管的相干長度較短（100m） ，可在參考光路添加延 遲光纖避其劣勢18。 1992 年， Venkatesh 等人采用壓電式實現(xiàn)單模 Nd:YAG 環(huán)形激光器的線性掃頻， 相 鄰兩個輸出波長間的頻率跨度為 1.6G，OFDR 系統(tǒng)分辨率為 5cm，量程為 21m。光源 實現(xiàn)掃頻是通過壓電方式改變光源諧振腔的腔長，從而達到輸出波長變化的目的19。 相對于溫度調頻方式的緩慢性，壓電式掃頻可以實現(xiàn)較高的掃頻速率，其典型的掃頻 速率在幾十個 GHz/s 的數(shù)量級。 1994 年，Huang 等人采用在 GaAs 量子井激光二極管的輸出端焊接一個光

37、纖光柵 以形成外腔激光器，實現(xiàn)了量程為 115m、分辨率為 2m 的 OFDR 系統(tǒng)。外腔激光器腔 長大約為 10cm，其掃頻調諧機制是將光纖外腔的大部分光纖纏繞在壓電陶瓷(PZT)上， 通過 PZT 電壓的改變實現(xiàn)光纖的伸縮， 即光纖外腔長的變化， 從而使得輸出波長變化， 實現(xiàn)掃頻。光纖光柵保證了輸出光的單模特性，通過延遲自差檢測技術測量出激光線 寬為 10KHz 。使用分辨率小于 50M 的法布里珀羅干涉儀分析光譜，在掃頻范圍 200-300MHz，輸出激光沒有模式跳變。光纖光柵外腔激光器有兩個對于 OFDR 系統(tǒng)的 關鍵性優(yōu)點，分別是光源相干長度長和線性啁啾。然而由于光纖本身的伸縮量有限

38、制， 即限制外腔腔長的改變，導致光源的無模式跳變掃頻范圍有限，影響系統(tǒng)的分辨率20。 1997 年， Tsuji 等人采用外部電光相位調制器對工作波長為 1.55um 的窄線寬 Er-Yb 激光器進行邊帶調制， 在 30km 的測量量程上獲得了分辨率為 5m 的 OFDR 系統(tǒng)。 光纖 延遲線為 60km 的延遲自差譜分析得出光源帶寬為 3kHz。通過摻有 Ti 的 LiNbO3 的電 光相位調制器對光源進行正弦相位調制，調制器是由帶有電流放大器的掃頻儀進行驅 動的。通過相位調制使得測量在超過光源相干長度獲取的信號的解調成為了可能，盡 管參考光和信號光的相位不相關， 這點不同于傳統(tǒng)的 OFDR

39、 機制， 擴大了測量量程21。 2000 年，Oberson 等人采用線寬為 10kHz 壓電式可調諧窄線寬光纖激光器，實現(xiàn) 了量程為 150m、分辨率為 16cm 的 OFDR 系統(tǒng)，另外對于短距離測量，實現(xiàn)了量程為 5m、分辨率小于 cm 級別的 OFDR 系統(tǒng)22。壓電式可調諧窄線寬光纖激光器的諧振腔 是在摻 Er 或 Er 和 Yb 混摻的光纖兩邊用紫外線輻射技術刻入光柵形成的。 兩光柵間的 光纖長度直接決定激光的輸出波長，通過調諧 PZT（壓電陶瓷）改變光柵間光纖的長5電子科技大學碩士學位論文度，實現(xiàn)掃頻。2005 年，Geng 等人在此激光器的原理上，制成窄線寬光纖激光器，獲 得了

40、 95km 處光纖中的信號23。 2003 年，Myoung Sook Oh 等人采用三角波調制 FPF 制成中心波長在 1562nm、掃 頻范圍為 20nm 的鎖模光纖激光器，掃頻時間小于 10ms，并在幾 cm 的量程上實現(xiàn)了 分辨率為 100um 的 C-OFDR 系統(tǒng)。鎖模光纖激光器是由 1480nm 激光二極管泵浦的摻 鉺光纖、輸出 10%的耦合器、隔離器、偏振控制器和掃頻法布里光纖濾波器(FPF)組成 的單向環(huán)。 FPF 為實現(xiàn)掃頻的關鍵器件， 其 3dB 帶寬為 0.4nm、 自由光譜掃描范圍 40nm。 鎖模光纖激光器的優(yōu)點是在短時間內可實現(xiàn)較大的掃頻范圍，即可獲得較高的掃頻速

41、 率，并且掃頻期間可以保持穩(wěn)定的輸出功率24。 2005 年，Ndiaye 等人使用工作波長為 1550nm、掃頻范圍為 50GHz 的移頻反饋激 光器，實現(xiàn)測量量程為 1m、分辨率小于 50um 的 C-OFDR 系統(tǒng)。移頻反饋激光器的諧 振腔為包含半導體激光放大器的光纖環(huán)形腔， 工作在 80MHz 的聲光移頻器通過反饋一 級衍射光實現(xiàn)移頻。 由于其環(huán)形腔長遍歷時間為 5.4ns， 則掃頻速率可達14 ? 1015 Hz / s ， 這也是實現(xiàn)高分辨率的原因25。 2009 年，Yusuke Koshikiya 等人運用三階邊帶掃頻的相位補償 OFDR 技術實現(xiàn)了 分辨率為 1mm 和傳感距

42、離為 10km。通過移相器對三階邊帶進行調制，實現(xiàn)掃頻速率260GHz / s 26。2012 年，他們在此單邊帶掃頻光源的基礎上，采用輔助干涉儀作為相位補償?shù)姆椒?，實現(xiàn)了光源掃頻速率為1THz / s ，最大掃頻范圍為12GHz ，結合偏振分 集探測器在 40km 的光纖上獲得了 8mm 的分辨率27。 由上可得，伴隨 OFDR 技術的不斷發(fā)展和完善，線性掃頻光源的實現(xiàn)方法與原理 也在不斷的提高。OFDR 系統(tǒng)對光源有著非?？量痰囊?。光源要求窄線寬以保證更 長的相干長度，要求線性掃頻并且沒有模式跳變以保證定位精度，要求大的掃頻范圍 以保證高的掃頻速率下激光可以遍歷整個系統(tǒng)。因此，線性掃頻激

43、光器也是 OFDR 系 統(tǒng)中重要的研究部分。 OFDR 方法首先被應用于光纖網絡和光學器件測量中。隨著光網絡的大規(guī)模鋪設， 其故障診斷的問題也越來越凸顯。光通信網絡的診斷量程要求很大。大量程的測量要 求有高的動態(tài)范圍和足夠的分辨率，OFDR 相比 OTDR，可實現(xiàn)在保證分辨率的前提 下，增大測量量程，并且在相同的動態(tài)范圍條件下，需要的光功率卻要小得多。在集 成光學模塊和組件的測量方面，由于其分辨率要求小于 1mm，甚至更小，對于復雜光 學模塊系統(tǒng)，動態(tài)范圍是必須考慮的指標。鑒于 OFDR 的超高分辨率以及大的動態(tài)范 圍，可用來測量集成光學模塊和復雜光學器件系統(tǒng)，如一些波分復用器、調制器的復 雜

44、系統(tǒng)和摻鉺光纖放大器(EDFA)等。Mark 等人采用 OFDR 測量出 EDFA 增益曲線的 相位和幅度特性，得出沿光纖長度的增益譜特性28。6第一章 緒論其次在生物醫(yī)學成像方面，OFDR 以其超高的空間分辨率的特性得到了廣泛的應 用。生物醫(yī)學成像技術，即光學相干層析技術，是一種新的光學診斷技術，可檢測生 物組織不同深度層面對入射光的背向發(fā)射或幾次散射信號，通過掃面，可得到生物組 織的二維或三維結構圖像。Yun 等人實現(xiàn)了分辨率 13.5um，靈敏度達-110dB 的 OCT 系統(tǒng)，相對以前的系統(tǒng)參數(shù)提高了一個數(shù)量級29。 此外，OFDR 還被用來測量溫度、壓力和振動等，在分布式光纖傳感器中

45、等到了 廣泛的應用。 Joseph Bos 等人測得了置于高溫下的表面涂有絕熱材料的不銹鋼測試板超 過 1000的溫度，表面溫度的分辨率為 5mm，在涂層缺陷的位置有大的空間和時間溫 度梯度，并且做了在不同負載下關于形變和光纖扭曲的試驗30。另外布拉格光柵(Fiber Bragg Gratings，F(xiàn)BG)與 OFDR 的結合應用于傳感領域也是非常廣泛的，在光纖中刻入 密集陣列光柵制成光纖分布式應變傳感器，可用來監(jiān)測結構應變、疲勞裂紋擴張和氣 載負荷等，例如應用于高速公路、橋梁、水壩和機翼的建造及健康程度的評估31。1.4 論文的研究目的及主要內容 1.4.1 論文的研究目的由于輕重量、小尺寸

46、和對電磁不敏感等特點，光纖傳感器成為一個強大的技術來 替代傳統(tǒng)的電子傳感器。在所有光纖傳感器中，基于光纖布拉格光柵的傳感器具有巨 大的潛力，并且已經在很多方面有了廣泛的應用，例如在高速公路、橋梁、水壩等民 用建造方面的監(jiān)測，在復合材料方面的智能生產和層壓制品中的無損檢測，在油井、 電力電纜、管道、空間站等方面的遙測，在機翼、船舶體、建筑和體育器材等方面的 智能結構制作，以及傳統(tǒng)的張力、壓力和溫度測量。據報道，每年 FBG 傳感器的全球 市場值在 1500 萬到 3500 萬美元內， 并以每年 15%-25%的速度增長32。 其快速增長歸功 于布拉格光柵波長線性響應、低成本以及可大規(guī)模生產等多種

47、優(yōu)點。此外，光柵允許 高程度的多路復用，如波分復用，時分復用、空分復用和混合復用。因此，光柵傳感 器可以使用多點傳感的準分布式方案，即在一根光纖中刻入多個光柵作為傳感點。 波分復用傳感器是最常見的商業(yè)系統(tǒng)，其傳感點的數(shù)量直接受限制于光源的頻譜 范圍和兩個光柵間的波長間隔，而波長間隔又取決于待測物理參量的范圍。為了解決 此問題，OFDR 復用技術被應用于光纖光柵傳感系統(tǒng)中，可實現(xiàn)大容量的光纖光柵復 用數(shù)量和高空間分辨率。 基于 OFDR 復用的高密度光纖光柵傳感技術已經被研究和實驗證明了其可行性8。 OFDR 采用相干外差探測技術，與傳統(tǒng)的 OTDR 相比，具有高精度，高靈敏度，高空 間分辨率和

48、高響應度的特性。 因此，針對光纖光柵傳感系統(tǒng)中傳感點的復用數(shù)量受限的問題，本論文主要研究7電子科技大學碩士學位論文高密度光纖光柵傳感系統(tǒng) OFDR 復用的關鍵技術及其解調算法。1.4.2 論文的主要研究內容本論文將主要針對 OFDR 系統(tǒng)中關鍵技術以及其在高密度光纖光柵傳感系統(tǒng)中應 用的研究，完成 OFDR 的基本理論分析，關鍵技術分析及仿真實現(xiàn)，搭建基本實驗平 臺并完成高密度光纖光柵傳感 OFDR 解調實驗。論文的主要結構安排如下： 第一章為緒論。首先介紹了光纖光柵傳感技術的發(fā)展狀態(tài)及應用，并指出其復用 技術中的局限性，引出基于 OFDR 復用的光纖光柵傳感技術；其次全面介紹光纖的背 向散射

49、探測技術，得出 OFDR 的內在優(yōu)點并總結了其發(fā)展現(xiàn)狀和應用；最后闡述了本 課題的研究意義所在。 第二章主要闡述了 OFDR 的基本原理。通過相干 OFDR 理論模型的推導，對影響 其性能動態(tài)范圍、空間分辨率的各種因素進行分析和討論。建立相位噪聲理論模型， 并對其影響進行了仿真分析。討論了 OFDR 系統(tǒng)抑制光譜偏振衰落的方法，包括偏振 分集接收技術和添加偏振控制器法。 第三章對 OFDR 拍頻信號的解調算法分析和設計。介紹影響拍頻信號的非線性調 諧效應，總結補償方法。去斜濾波器法用來補償相位的非線性；獲取輔助干涉儀觸發(fā) 采樣法中調諧光源掃頻速率與光路時延的匹配條件；通過兩種算法實現(xiàn)和仿真，驗

50、證 非均勻傅里葉變換和三次樣條插值算法消除非線性調諧效應的有效性；提出采用加漢 明窗 FFT 的三次樣條插值法進一步改善系統(tǒng)空間分辨率。 第四章開展高密度光纖光柵傳感 OFDR 解調實驗。 使用 VC6.0 編寫信號處理軟件， 獲取 OFDR 信號，驗證實驗平臺的正確性；采用 C+編程語言實現(xiàn) NUFFT 和加窗三 次樣條插值補償算法，實驗驗證算法的有效性。在高密度光纖光柵 OFDR 系統(tǒng)下，開 展溫度測試實驗，并解調光纖光柵波長偏移量，通過對比實驗，驗證解調算法的正確 性。 第五章對本文的研究工作進行總結，并對下一步的工作進行展望。8第二章 OFDR 的理論模型及特性分析第二章 OFDR 的

51、理論模型及特性分析2.1 OFDR 的理論模型OFDR 是基于光外差探測基本原理的，其高性能源自光外差探測具有的內在優(yōu)勢。 因此在闡述 OFDR 工作原理前，了解光外差探測原理是十分必要的。2.1.1 光外差探測原理光外差探測基于兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應，其探測原理與微波 及無線電外差探測原理相似，又稱為光波的相干探測33。激光的出現(xiàn)，使得光波的相 干性有了明顯的提升，從而使光外差探測技術得以實現(xiàn)。信號光束 f sf s ? fl本 振 光 束圖 2-1 光外差探測原理光電探測器fl頻譜分析儀光外差探測基本原理如圖 2-1 所示，信號光 f s 與作為基準的本振光 f l 在滿足

52、波前 匹配的條件下，經過分光鏡入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。經探測器變 換，在頻譜分析儀中可獲得外差信號，即差頻信號 f c ? f s ? f l ，該信號具有調制信號 的相位、頻率和振幅等特征34。 設信號光電場為 Es (t ) ，本振光電場為 El (t ) ，兩者均為同方向到達且同偏振方向：Es (t ) ? Es 0 exp( j 2?f s t ? j? s ) El (t ) ? El 0 exp( j 2?f l t ? j?l )（2-1） （2-2）兩束光入射到光電探測器上，并且滿足相干條件的情況，由于光電探測器的響應與光 電場的平方成正比，所以光電流為:i ?

53、 Es (t ) ? El (t )2（2-3）式中方括號上的橫線表示在激光幾個光周期上的時間平均。由于光電探測器響應時間 有限，則光電轉換是一個時間的平均過程。9電子科技大學碩士學位論文將（2-1）和（2-2）代入（2-3）中，并經展開得到：i ? El2 ? Es2 ? 2 El Es cos2? ( f s ? f l )t ? (? s ? ?l ) ? 2 Es 0 El 0 cos(2? ( f s ? f l )t ? (? s ? ?l )（2-4）式中前兩項為直流項，第三項是信號光和本振光的和頻，由于頻率太高，不被光電探 測器所響應，第四項為差頻項。因此光電探測器的輸出光電流

54、應該為：iIF ? El2 ? Es2 ? 2Es 0 El 0 cos(2?f IF t ? ? )（2-5）其中 f IF ? fs ? f l 為差頻項， 式中前兩項為直 ? ? ?s ? ?l 是本振光與信號光的相位差。 流功率項，最后一項為中頻信號。利用帶通濾波器與光電探測器交流耦合，即可獲得 中頻分量信號：iIF ? ?Es 0 El 0 cos(2?f IF t ? ? )（2-6）其中? 光電轉換效率。 當 f s ? f l ，即信號光和本振光的頻率相等時， （2-6）變?yōu)椋篿IF ? ?Es 0 El 0 cos(? )zkq20151125（2-7）這是光頻外差的一種特殊

55、形式， 被稱為零差探測， 也有著廣泛的應用。 由 （2-6） 和 （2-7） 可知，光外差探測中，光頻電場的振幅、頻率、相位所攜帶的信息均可探測出來，因 此光外差探測為一種全息探測技術35。從式（2-6）出發(fā)，光外差探測具有如下的一些 優(yōu)良特性： （1）高的轉換增益 在光外差探測中，信號光功率和本振光功率與相應電場振幅的關系為Ps ? 1 2 1 2 Es ， Pl ? El 2 2（2-8）而中頻段輸出對應的功率為2 PIF ? iIF RL（2-9）式中 RL 是光電探測器的負載電阻。把（2-7）代入（2-9）中，并結合(2-8)可得PIF ? 2? 2 Ps PL RL在直接探測中，負載

56、為 RL 的探測器輸出的電功率為（2-10）10第二章 OFDR 的理論模型及特性分析POS ? is2 RL ? ? 2 Ps2 RL（2-11）直接探測方式的光電流隨時間變化反應在光功率隨時間的變化，該方式只能響應光強 的變化，丟失了相位、頻率信息。通過將兩種方式的輸出功率進行比較，可得到光外 差探測的轉換增益：G ? PIF POS ? 2PL Ps（2-12）因為本振光的功率可以達到幾十毫瓦量級，屬于較強光信號，而光纖的瑞利背向散射 的功率相當小，即信號光屬于微弱光信號，因此 G 的數(shù)值可以相當大。因此光外差探 測具有相當高的轉換增益，其靈敏度遠高于直接探測方式的靈敏度，這也是 OFD

57、R 相 比 OTDR 具有極高靈敏度的原因。 （2）良好的濾波性能 由式（2-6）可知，光外差探測中，只有與本振信號混頻后仍在頻帶 f IF 內的雜散 背景光才能夠進入系統(tǒng)，而其他的雜散光中的噪聲均被濾除掉。而在直接探測中，在 十分寬的頻帶內的雜散噪聲均進入探測系統(tǒng)中。因此，外差探測相對直接探測有窄的 接收帶寬，對背景光有良好的濾波性能。 （3）小的信噪比損失zkq20151125在理想情況下，本振光是純正弦形式，不引入噪聲。令輸入端信號場、本振場以 及噪聲場分別用符號 si ， r ， ni 表示，則入射到探測器上的總輸入場可表示為ei ? si ? r ? ni根據光電探測器的平方規(guī)律特性

58、，輸出信號為eo ? so ? no ? ?ei2 ? ? (si ? ni ? r ) 2 ? ? (si ? ni ) 2 ? 2?r (si ? ni ) ? ?r 2（2-13）（2-14）在這三項中，?r 2 項為直流項，因為 r ? (si ? ni ) ，所以第一項相比第二項可以忽略。 唯有第二項才能通過中頻放大器，因此（2-14）變?yōu)椋簊o ? no ? 2?r (si ? ni )（2-15）因此可得輸出信噪比為：so ? s ? ? ? no ? n ?i（2-16）這個結果說明，在理想情況下，外差探測對輸入信號和噪聲的放大倍數(shù)相同，因11電子科技大學碩士學位論文而沒有信噪

59、比的損失。 而采用直接探測方式得出的輸出信噪比為：so si2 ( si ni ) 2 ? ? no 2si ni ? ni2 1 ? 2( si ni )（2-17）當 si ni ? 1 時，式（2-17）變?yōu)椋簊o ? si ? ? ? ? no ? ? ni ?2（2-18）可見，輸出信號的信噪比近似為輸入信噪比的平方。當輸入信噪比小于 1 或者對非常 微弱的信號進行探測時，輸出信噪比將會產生非常大的損失，這表明直接探測方式不 適用于微弱信號的探測。 在 si ni ? 1 時，式（2-17）變?yōu)椋簊o 1 ? si ? ? ? ? ? no 2 ? ? ni ?（2-19）此時，輸出

60、信噪比近似等于輸入信噪比的一半，光電轉換后的信噪比損失不大。即在 強信號條件下，直接探測是完全可以被接受的。zkq20151125經上述信噪比的分析可知，直接探測方式適合強光信號的探測，其實現(xiàn)十分簡單， 可靠性好，因此有廣泛的應用。但當信號十分微弱時，直接探測有非常大的信噪比損 失，無法達到探測靈敏度的理論極限，光外差探測方式具有天然的探測微弱信號的能 力。2.1.2 OFDR 的工作原理OFDR 原理如圖 2-2 所示，由光源發(fā)出的線性掃頻激光經過光纖耦合器分為兩路， 一路進入待測器件 DUT（即待測光纖）中，作為信號臂；另一路進入末端置有法拉第 旋轉鏡的長度固定的光纖鏈路中，作為參考臂。信