光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究-慧知文库

1、光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究原文地址：/view/0cc25a2b01cd6312d67223eb6df8bd09.html 电 子 科 技 大 学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA硕士学位论文MASTER THESIS论文题目光纤光栅传感 OFDR 解调关键技术研究学科专业 学 号光学工程 201221050233 邓胜强 代志勇 副教授作者姓名 指导教师分类号 UDC注1密级学 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

2、、职称、单位名称）申请学位级别 提交论文日期硕士 2015.04学科专业 论文答辩日期光学工程 2015.05 2015 年 6 月 日学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人电子科技大学注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。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

4、 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

5、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，

6、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

7、，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 9.83 pm / ?C 。 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 录目 录第一章 绪论. 1 1.1 光纤光栅传感技术. 1 1.2 光纤背向散射探测技术 . 2 1.3 OFDR 的发展及应用. 4 1.4 论文的研究目的及主要内容. 7 1.4.1 论文的研究目的. 7 1.4.2 论文的主要研究内容 . 8 第二章 OFDR 的理论模型及特性分析. 9 2.1 OFDR 的理论模型. 9 2.1.1 光外差探测原理.

19、9 2.1.2 OFDR 的工作原理. 12 2.2 OFDR 的主要参数特性分析 . 15 2.2.1 动态范围 . 15 2.2.2 空间分辨率 . 17 2.2.3 光源参数分析. 18 2.3 OFDR 的相位噪声理论模型及影响分析 . 20 2.3.1 OFDR 相位噪声理论模型 . 20 2.3.2 OFDR 相位噪声影响分析 . 23 2.4 OFDR 系统光谱偏振衰落的抑制. 24 2.5 本章小结 . 26 第三章 OFDR 的非线性调谐效应及补偿方法的研究 . 27 3.1 光源非线性调谐效应及补偿方法 . 27 3.1.1 光源非线性调谐效应 . 27 3.1.2 光源非

20、线性调谐效应的补偿方法 . 28 3.2 辅助干涉仪触发采样法 . 29 3.3 基于非均匀傅里叶变换的补偿法 . 31 3.4 基于加窗 FFT 的三次样条插值补偿法 . 35 3.5 NUFFT 和三次样条插值算法仿真. 38 3.6 本章小结 . 45 第四章 高密度光纤光栅传感 OFDR 解调实验 . 46IV目 录4.1 光纤光栅传感原理. 46 4.1.1 温度传感机理. 47 4.1.2 应变传感机理. 47 4.2 OFDR 系统设计及实验 . 48 4.2.1 OFDR 系统设计. 48 4.2.2 OFDR 系统实验及算法验证. 50 4.3 高密度光纤光栅 OFDR 温度

21、解调实验 . 56 4.3.1 实验系统 . 56 4.3.2 实验结果 . 58 4.4 本章小结 . 65 第五章 总结与展望 . 66 5.1 论文工作总结 . 66 5.2 论文工作展望 . 67 致 谢 . 68 参考文献 . 69 攻硕期间取得成果 .74V第一章 绪论第一章 绪论1.1 光纤光栅传感技术1978 年，K. O. Hill 等人发现光纤的光敏性（如外界入射光子和纤芯内锗离子相互 作用引起折射率的永久性变化） ， 首次实现了一种光纤 Bragg 光栅 （Fiber Bragg Grating） 新型光纤内纤型无源器件12， 称之为 “Hill 光栅” ， 开创了光纤光

22、栅研究与应用的先河。 但初期由于制作效率低下，光纤光栅的发展缓慢。1989 年，G. Melt 等人发明了紫外光 外侧写入技术3，该技术采用两束相干紫外光形成干涉条纹，从光纤侧面写入光栅，大 大提高光栅的制作效率，使得光纤光栅技术得到了迅速发展。1993 年，Hill 等人提出 了相位掩模制作技术4。 该方法通过紫外激光照射相位模板， 利用衍射光相干形成的周 期性明暗条纹对光纤曝光，制成光纤光栅，该技术放宽了写入光相干性的要求。随着 光纤光栅写入技术的不断完善，应用成果的日益增多，光纤光栅成为目前最有发展前 途、最具有代表性的光纤无源器件之一。 光纤光栅是利用光纤在紫外光照射下产生的光致折射率

23、变化的效应，在纤芯上形 成周期性的折射率调制分布，从而对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射。其典 型反射带宽为10 ?1 10 2 nm ，反射率可达 100%。光纤光栅的这一重要的波长选择特性 实质是在纤芯形成一个窄带的滤波器或反射镜。利用这一特性可构成诸多性能独特的 光纤无源器件，再加上光纤本身具有低传输损耗、抗电磁干扰、轻质、径细、化学稳 定及点绝缘等优点，因此，光纤光栅在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领域得到 了广泛应用。 基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对其 Bragg 波长的调制来获取传感信息， 这是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅的传感机制包括应变引起的弹性形变和弹 光

24、效应， 温度引起的热膨胀效应和热光效应。 光纤光栅传感技术利用光纤光栅的 Bragg 波长与其应变和温度的线性关系实现应变或温度的传感，对于其他被测参量，可采用 其他装置或媒介将变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化实现测量。 目前，光纤光栅已被用于检测应力、应变、温度、压力、振动、磁场和电流等多 种参量的光纤传感器和光纤传感网络。光纤光栅除在航空航天飞行器、舰船及武器系 统等军事应用外，还扩展到诸多如建筑、桥梁、隧道、电力电工业、生物医学工程等 民用领域。 光纤光栅传感器的突出优点之一是可实现准分布式传感，在一根光纤上连续刻入 多个光纤光栅，利用复用技术实现各种传感量的准分布式测量。光

25、纤光栅允许高程度 的多路复用，如波分复用、时分复用、空分复用和混合复用。目前，基于波分复用1电子科技大学硕士学位论文（Wavelength division multiplexing, WDM）的光纤光栅传感器已应用于商业化，其允许 一根光纤中码址十多个光栅5。 在该传感系统中， 工作波长范围是由每个光栅中心波长 所决定的。因此，复用光纤光栅的数量直接受限制于光谱宽度和两个光栅的波长间隔， 而波长间隔又取决于待测物理量的动态范围。波分复用技术的基本原理决定了光栅复 用的数量有限，一般为几十个。 为了打破这一限制，光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometry,

26、 OTDR）被 应用于光纤光栅传感复用技术6。 光时域反射仪在光纤光栅复用量上有所提升， 可达到 近百个7。该传感器的主要限制是基于 OTDR 检测方案中会不可避免的出现盲区，进 而限制了两个传感点的最小物理间隔。 由于在高达几百米的测量范围内可达到毫米级的分辨率，光频域反射仪（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR） 引起了人们的极大关注， 并作为一种测量机制 应用于光纤光栅传感系统中。与其它复用方法，例如，空分复用、时分复用、波分复 用，光时域反射仪等相比，该方法的优点是可实现大容量的光纤光栅复用数量（可达 几千个）和高空间分辨率8。 利用

27、光频域反射复用技术实现的光纤光栅传感系统，可在实现光纤光栅传感器的 优点的前提下，通过复用大容量传感点实现高空间分辨率的特性，使得准分布式传感 器性能更加接近于分布式传感器。1.2 光纤背向散射探测技术基于背向散射的光反射探测技术，具有单端测量的显著技术优势，被广泛地用于 光纤链路特性测试，尤其近几年分布式光纤传感器的飞速发展，使其得到更为广泛而 深入的研究。 散射损耗主要是由光纤的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像 气泡这种不均匀结构引起的，其引起光功率分散，使得能量在各个方向上均有分布。 当然也存在沿光纤轴向向前或着向后的散射，通常称沿后向的散射为背向散射9。 从光纤光学原理

28、可知10，光纤中存在三种主要的散射，分为瑞利散射，布里渊散 射以及拉曼散射，如图 1-1 所示。瑞利散射是光子与光纤介质中的微观粒子相互作用， 发生弹性碰撞引起的，特点是散射光的频率与入射光的频率相同。当入射光强大到一 定程度时，光纤中将会产生拉曼散射和布里渊散射。拉曼散射是入射光与介质中的光 声子产生非弹性碰撞引起的，波长大于入射光的称为斯托克斯光，波长小于入射光的 称为反斯托克斯光。拉曼散射的反斯托克斯光对温度敏感，基于拉曼散射的分布式光 纤温度传感器原理在于此11。布里渊散射是光子与光纤因自发热运动产生的声子发生 非弹性碰撞引起的，其机理是晶体中的声波参与了能量的交换，并在光纤中产生新频

29、2第一章 绪论率成分。布里渊频移分量携带了光纤的局部温度和应力信息，据此可制作出基于布里 渊散射的分布式温度或者应力传感器。三种散射损耗中，瑞利散射为最基本散射形式。入射光波长 光功率P 瑞利散射 布里渊散射反斯托克斯斯托克斯波长 ?图 1-1 光纤中的背向散射光目前基于背向散射的探测技术中最基本的方法为光时域反射计（ Optical Time Domain Reflectometry, OTDR） 。 光时域反射计是在背向散射理论用于测量损耗的基础上 发展起来的，并被广泛应用于光纤链路测量中，利用该技术监控光纤通讯线路中的损 耗和断点12。OTDR 的基本原理如图 1-2 所示，激光器发出一

30、系列光脉冲，光脉冲经 过耦合器进入光纤中传输，光脉冲在光纤中传输时，由于待测光纤自身的性质、熔接 头、连接器、弯曲或者是其它类似事件从而发生瑞利散射亦或是菲涅尔反射。这部分 与光脉冲传播方向相反的光，即背向散射光经耦合器进入光电探测器，转变为电信号13。通过对电信号进行高速采集，得到一系列采样点的数据，每个数据都代表光纤中某点的后向散射光功率值，从而反映出该点的损耗情况。因为采集速率是固定的，可 通过该点采样时间进行定位。 将采样到的每个采样点的背向散射光功率值作为纵坐标， 与其相对应的距离作为横坐标作图，绘制出 OTDR 特性曲线。脉冲激 光器 光电探 测器 弯曲 数据采 集卡 连接点 末端

31、背 向 散 射 光 功 率 距离图 1-2 OTDR 原理及特性曲线图3电子科技大学硕士学位论文根据 OTDR 原理可知，OTDR 的空间分辨率与脉冲光的宽度成反比，而其动态范 围与激光脉宽成正比，因此 OTDR 的两个主要性能参数空间分辨率和动态范围两者不 可兼得14。在保证 OTDR 的空间分辨率不变前提下，为了提高其测量的动态范围，研 究人员广泛采用现代数字信号处理技术 （即编码的方式） 。 2004 年时， D. Lee 和 H. Yoon 等人提出了基于简单编码 OTDR 的理论算法，并首次通过实验验证了简单编码用于 OTDR 算法的正确性，得到在相同实验条件下，用阶数为 255 的

32、简单编码作为探测脉 冲信号使 OTDR 的单程动态范围比传统单脉冲 OTDR 的动态范围增加了 4.5dB15。 随着基于 OTDR 技术的一系列分布式光纤传感技术的不断发展，其动态范围和分 辨率不可兼得的问题日益突出。尽管研究人员通过各种技术（脉冲编码法、累加平均 法、相干法等）在测试距离，传感灵敏度和精度，空间分辨率，动态响应等方面取得 较大突破，但是这些指标仍难满足更为广泛的应用需求。 为解决这一问题，研究人员将背向散射法应用于光频域，研制出了光频域反射计 （Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR） 。OFDR 采用相干外差探测技术，在

33、已知光纤中光速和扫频速率的前提下，利用线性扫频光源，测得的拍频信号频率可映 射为物理距离，信号拍频大小与反射光的位置成线性正比关系，而拍频信号幅度的平 方值则反应了出其相对反射点的反射率16。与 OTDR 相比，OFDR 的相干检测方案有 许多内在的优势： （1）OFDR 的空间分辨率与接收机带宽成反比，而噪声与接收机带宽成正比，因 此 OFDR 的信噪比可以做到很高。 （2）OFDR 的动态范围取决于扫频光源的相干长度，因此在空间分辨率不变的前 提下，可通过提高光源的相干性以实现大动态范围，空间分辨率和动态范围二者兼得。 （3）OFDR 基本原理决定了其具有高精度，高灵敏度，高空间分辨率和高

34、响应度 的特性。 基于上述众多优点，OFDR 作为一种高性能背向测量方法在光纤传感、生物医疗 以及光纤通信等领域都广泛的应用。1.3 OFDR 的发展及应用自 OFDR 技术出现以来，由于其可实现极高的空间分辨率及高灵敏度等鲜明的特 点和广泛的应用空间，引起了人们的极大兴趣，国内外不断对其进行研究和改进。 1981 年，OFDR 技术最早由 W. Eickhoff 等人提出，并阐述了其基本原理11。1990 年，Sorin 等人在 W. Eickhoff 的 OFDR 理论基础上，采用温度调制 Nd:YAG 晶体实现 了工作中心波长为 1320nm、 带宽为 2KHz 的可调激光器。 光源的调

35、频速率为 260MHz/s， 扫频范围 13GHz，在 50Km 的光纤末端获得了 130KHz 的最大拍频分量。然而由于扫4第一章 绪论频范围的限制， 其 OFDR 试验系统的分辨率为 380m。 采用温度调频的方式本身限制了 输出光源的最高扫频速率，进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馈激光二极管实现了分辨率为 50cm、量程为 500m 的 OFDR 系统。分布式反馈激光二极管的扫频速率由注入电流控 制，可在光源相干长度一定的情况下，通过增加电流，提高扫频速率，进而实现系统 的高分辨率。另外，相比 Nd:YAG 激光器，分布式反馈激光二

36、极管的性能更加可靠， 成本较低。 但是分布式反馈激光二极管的相干长度较短（100m） ，可在参考光路添加延 迟光纤避其劣势18。 1992 年， Venkatesh 等人采用压电式实现单模 Nd:YAG 环形激光器的线性扫频， 相 邻两个输出波长间的频率跨度为 1.6G，OFDR 系统分辨率为 5cm，量程为 21m。光源 实现扫频是通过压电方式改变光源谐振腔的腔长，从而达到输出波长变化的目的19。 相对于温度调频方式的缓慢性，压电式扫频可以实现较高的扫频速率，其典型的扫频 速率在几十个 GHz/s 的数量级。 1994 年，Huang 等人采用在 GaAs 量子井激光二极管的输出端焊接一个光

37、纤光栅 以形成外腔激光器，实现了量程为 115m、分辨率为 2m 的 OFDR 系统。外腔激光器腔 长大约为 10cm，其扫频调谐机制是将光纤外腔的大部分光纤缠绕在压电陶瓷(PZT)上， 通过 PZT 电压的改变实现光纤的伸缩， 即光纤外腔长的变化， 从而使得输出波长变化， 实现扫频。光纤光栅保证了输出光的单模特性，通过延迟自差检测技术测量出激光线 宽为 10KHz 。使用分辨率小于 50M 的法布里珀罗干涉仪分析光谱，在扫频范围 200-300MHz，输出激光没有模式跳变。光纤光栅外腔激光器有两个对于 OFDR 系统的 关键性优点，分别是光源相干长度长和线性啁啾。然而由于光纤本身的伸缩量有限

38、制， 即限制外腔腔长的改变，导致光源的无模式跳变扫频范围有限，影响系统的分辨率20。 1997 年， Tsuji 等人采用外部电光相位调制器对工作波长为 1.55um 的窄线宽 Er-Yb 激光器进行边带调制， 在 30km 的测量量程上获得了分辨率为 5m 的 OFDR 系统。 光纤 延迟线为 60km 的延迟自差谱分析得出光源带宽为 3kHz。通过掺有 Ti 的 LiNbO3 的电 光相位调制器对光源进行正弦相位调制，调制器是由带有电流放大器的扫频仪进行驱 动的。通过相位调制使得测量在超过光源相干长度获取的信号的解调成为了可能，尽 管参考光和信号光的相位不相关， 这点不同于传统的 OFDR

39、 机制， 扩大了测量量程21。 2000 年，Oberson 等人采用线宽为 10kHz 压电式可调谐窄线宽光纤激光器，实现 了量程为 150m、分辨率为 16cm 的 OFDR 系统，另外对于短距离测量，实现了量程为 5m、分辨率小于 cm 级别的 OFDR 系统22。压电式可调谐窄线宽光纤激光器的谐振腔 是在掺 Er 或 Er 和 Yb 混掺的光纤两边用紫外线辐射技术刻入光栅形成的。 两光栅间的 光纤长度直接决定激光的输出波长，通过调谐 PZT（压电陶瓷）改变光栅间光纤的长5电子科技大学硕士学位论文度，实现扫频。2005 年，Geng 等人在此激光器的原理上，制成窄线宽光纤激光器，获 得了

40、 95km 处光纤中的信号23。 2003 年，Myoung Sook Oh 等人采用三角波调制 FPF 制成中心波长在 1562nm、扫 频范围为 20nm 的锁模光纤激光器，扫频时间小于 10ms，并在几 cm 的量程上实现了 分辨率为 100um 的 C-OFDR 系统。锁模光纤激光器是由 1480nm 激光二极管泵浦的掺 铒光纤、输出 10%的耦合器、隔离器、偏振控制器和扫频法布里光纤滤波器(FPF)组成 的单向环。 FPF 为实现扫频的关键器件， 其 3dB 带宽为 0.4nm、 自由光谱扫描范围 40nm。 锁模光纤激光器的优点是在短时间内可实现较大的扫频范围，即可获得较高的扫频速

41、 率，并且扫频期间可以保持稳定的输出功率24。 2005 年，Ndiaye 等人使用工作波长为 1550nm、扫频范围为 50GHz 的移频反馈激 光器，实现测量量程为 1m、分辨率小于 50um 的 C-OFDR 系统。移频反馈激光器的谐 振腔为包含半导体激光放大器的光纤环形腔， 工作在 80MHz 的声光移频器通过反馈一 级衍射光实现移频。 由于其环形腔长遍历时间为 5.4ns， 则扫频速率可达14 ? 1015 Hz / s ， 这也是实现高分辨率的原因25。 2009 年，Yusuke Koshikiya 等人运用三阶边带扫频的相位补偿 OFDR 技术实现了 分辨率为 1mm 和传感距

42、离为 10km。通过移相器对三阶边带进行调制，实现扫频速率260GHz / s 26。2012 年，他们在此单边带扫频光源的基础上，采用辅助干涉仪作为相位补偿的方法，实现了光源扫频速率为1THz / s ，最大扫频范围为12GHz ，结合偏振分 集探测器在 40km 的光纤上获得了 8mm 的分辨率27。 由上可得，伴随 OFDR 技术的不断发展和完善，线性扫频光源的实现方法与原理 也在不断的提高。OFDR 系统对光源有着非常苛刻的要求。光源要求窄线宽以保证更 长的相干长度，要求线性扫频并且没有模式跳变以保证定位精度，要求大的扫频范围 以保证高的扫频速率下激光可以遍历整个系统。因此，线性扫频激

43、光器也是 OFDR 系 统中重要的研究部分。 OFDR 方法首先被应用于光纤网络和光学器件测量中。随着光网络的大规模铺设， 其故障诊断的问题也越来越凸显。光通信网络的诊断量程要求很大。大量程的测量要 求有高的动态范围和足够的分辨率，OFDR 相比 OTDR，可实现在保证分辨率的前提 下，增大测量量程，并且在相同的动态范围条件下，需要的光功率却要小得多。在集 成光学模块和组件的测量方面，由于其分辨率要求小于 1mm，甚至更小，对于复杂光 学模块系统，动态范围是必须考虑的指标。鉴于 OFDR 的超高分辨率以及大的动态范 围，可用来测量集成光学模块和复杂光学器件系统，如一些波分复用器、调制器的复 杂

44、系统和掺铒光纤放大器(EDFA)等。Mark 等人采用 OFDR 测量出 EDFA 增益曲线的 相位和幅度特性，得出沿光纤长度的增益谱特性28。6第一章 绪论其次在生物医学成像方面，OFDR 以其超高的空间分辨率的特性得到了广泛的应 用。生物医学成像技术，即光学相干层析技术，是一种新的光学诊断技术，可检测生 物组织不同深度层面对入射光的背向发射或几次散射信号，通过扫面，可得到生物组 织的二维或三维结构图像。Yun 等人实现了分辨率 13.5um，灵敏度达-110dB 的 OCT 系统，相对以前的系统参数提高了一个数量级29。 此外，OFDR 还被用来测量温度、压力和振动等，在分布式光纤传感器中

45、等到了 广泛的应用。 Joseph Bos 等人测得了置于高温下的表面涂有绝热材料的不锈钢测试板超 过 1000的温度，表面温度的分辨率为 5mm，在涂层缺陷的位置有大的空间和时间温 度梯度，并且做了在不同负载下关于形变和光纤扭曲的试验30。另外布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings，FBG)与 OFDR 的结合应用于传感领域也是非常广泛的，在光纤中刻入 密集阵列光栅制成光纤分布式应变传感器，可用来监测结构应变、疲劳裂纹扩张和气 载负荷等，例如应用于高速公路、桥梁、水坝和机翼的建造及健康程度的评估31。1.4 论文的研究目的及主要内容 1.4.1 论文的研究目的由于轻重量、小尺寸

46、和对电磁不敏感等特点，光纤传感器成为一个强大的技术来 替代传统的电子传感器。在所有光纤传感器中，基于光纤布拉格光栅的传感器具有巨 大的潜力，并且已经在很多方面有了广泛的应用，例如在高速公路、桥梁、水坝等民 用建造方面的监测，在复合材料方面的智能生产和层压制品中的无损检测，在油井、 电力电缆、管道、空间站等方面的遥测，在机翼、船舶体、建筑和体育器材等方面的 智能结构制作，以及传统的张力、压力和温度测量。据报道，每年 FBG 传感器的全球 市场值在 1500 万到 3500 万美元内， 并以每年 15%-25%的速度增长32。 其快速增长归功 于布拉格光栅波长线性响应、低成本以及可大规模生产等多种

47、优点。此外，光栅允许 高程度的多路复用，如波分复用，时分复用、空分复用和混合复用。因此，光栅传感 器可以使用多点传感的准分布式方案，即在一根光纤中刻入多个光栅作为传感点。 波分复用传感器是最常见的商业系统，其传感点的数量直接受限制于光源的频谱 范围和两个光栅间的波长间隔，而波长间隔又取决于待测物理参量的范围。为了解决 此问题，OFDR 复用技术被应用于光纤光栅传感系统中，可实现大容量的光纤光栅复 用数量和高空间分辨率。 基于 OFDR 复用的高密度光纤光栅传感技术已经被研究和实验证明了其可行性8。 OFDR 采用相干外差探测技术，与传统的 OTDR 相比，具有高精度，高灵敏度，高空 间分辨率和

48、高响应度的特性。 因此，针对光纤光栅传感系统中传感点的复用数量受限的问题，本论文主要研究7电子科技大学硕士学位论文高密度光纤光栅传感系统 OFDR 复用的关键技术及其解调算法。1.4.2 论文的主要研究内容本论文将主要针对 OFDR 系统中关键技术以及其在高密度光纤光栅传感系统中应 用的研究，完成 OFDR 的基本理论分析，关键技术分析及仿真实现，搭建基本实验平 台并完成高密度光纤光栅传感 OFDR 解调实验。论文的主要结构安排如下： 第一章为绪论。首先介绍了光纤光栅传感技术的发展状态及应用，并指出其复用 技术中的局限性，引出基于 OFDR 复用的光纤光栅传感技术；其次全面介绍光纤的背 向散射

49、探测技术，得出 OFDR 的内在优点并总结了其发展现状和应用；最后阐述了本 课题的研究意义所在。 第二章主要阐述了 OFDR 的基本原理。通过相干 OFDR 理论模型的推导，对影响 其性能动态范围、空间分辨率的各种因素进行分析和讨论。建立相位噪声理论模型， 并对其影响进行了仿真分析。讨论了 OFDR 系统抑制光谱偏振衰落的方法，包括偏振 分集接收技术和添加偏振控制器法。 第三章对 OFDR 拍频信号的解调算法分析和设计。介绍影响拍频信号的非线性调 谐效应，总结补偿方法。去斜滤波器法用来补偿相位的非线性；获取辅助干涉仪触发 采样法中调谐光源扫频速率与光路时延的匹配条件；通过两种算法实现和仿真，验

50、证 非均匀傅里叶变换和三次样条插值算法消除非线性调谐效应的有效性；提出采用加汉 明窗 FFT 的三次样条插值法进一步改善系统空间分辨率。 第四章开展高密度光纤光栅传感 OFDR 解调实验。 使用 VC6.0 编写信号处理软件， 获取 OFDR 信号，验证实验平台的正确性；采用 C+编程语言实现 NUFFT 和加窗三 次样条插值补偿算法，实验验证算法的有效性。在高密度光纤光栅 OFDR 系统下，开 展温度测试实验，并解调光纤光栅波长偏移量，通过对比实验，验证解调算法的正确 性。 第五章对本文的研究工作进行总结，并对下一步的工作进行展望。8第二章 OFDR 的理论模型及特性分析第二章 OFDR 的

51、理论模型及特性分析2.1 OFDR 的理论模型OFDR 是基于光外差探测基本原理的，其高性能源自光外差探测具有的内在优势。 因此在阐述 OFDR 工作原理前，了解光外差探测原理是十分必要的。2.1.1 光外差探测原理光外差探测基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应，其探测原理与微波 及无线电外差探测原理相似，又称为光波的相干探测33。激光的出现，使得光波的相 干性有了明显的提升，从而使光外差探测技术得以实现。信号光束 f sf s ? fl本 振 光 束图 2-1 光外差探测原理光电探测器fl频谱分析仪光外差探测基本原理如图 2-1 所示，信号光 f s 与作为基准的本振光 f l 在满足

52、波前 匹配的条件下，经过分光镜入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变 换，在频谱分析仪中可获得外差信号，即差频信号 f c ? f s ? f l ，该信号具有调制信号 的相位、频率和振幅等特征34。 设信号光电场为 Es (t ) ，本振光电场为 El (t ) ，两者均为同方向到达且同偏振方向：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）两束光入射到光电探测器上，并且满足相干条件的情况，由于光电探测器的响应与光 电场的平方成正比，所以光电流为:i ?

53、 Es (t ) ? El (t )2（2-3）式中方括号上的横线表示在激光几个光周期上的时间平均。由于光电探测器响应时间 有限，则光电转换是一个时间的平均过程。9电子科技大学硕士学位论文将（2-1）和（2-2）代入（2-3）中，并经展开得到：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）式中前两项为直流项，第三项是信号光和本振光的和频，由于频率太高，不被光电探 测器所响应，第四项为差频项。因此光电探测器的输出光电流

54、应该为：iIF ? El2 ? Es2 ? 2Es 0 El 0 cos(2?f IF t ? ? )（2-5）其中 f IF ? fs ? f l 为差频项， 式中前两项为直 ? ? ?s ? ?l 是本振光与信号光的相位差。 流功率项，最后一项为中频信号。利用带通滤波器与光电探测器交流耦合，即可获得 中频分量信号：iIF ? ?Es 0 El 0 cos(2?f IF t ? ? )（2-6）其中? 光电转换效率。 当 f s ? f l ，即信号光和本振光的频率相等时， （2-6）变为：iIF ? ?Es 0 El 0 cos(? )zkq20151125（2-7）这是光频外差的一种特殊

55、形式， 被称为零差探测， 也有着广泛的应用。 由 （2-6） 和 （2-7） 可知，光外差探测中，光频电场的振幅、频率、相位所携带的信息均可探测出来，因 此光外差探测为一种全息探测技术35。从式（2-6）出发，光外差探测具有如下的一些 优良特性： （1）高的转换增益 在光外差探测中，信号光功率和本振光功率与相应电场振幅的关系为Ps ? 1 2 1 2 Es ， Pl ? El 2 2（2-8）而中频段输出对应的功率为2 PIF ? iIF RL（2-9）式中 RL 是光电探测器的负载电阻。把（2-7）代入（2-9）中，并结合(2-8)可得PIF ? 2? 2 Ps PL RL在直接探测中，负载

56、为 RL 的探测器输出的电功率为（2-10）10第二章 OFDR 的理论模型及特性分析POS ? is2 RL ? ? 2 Ps2 RL（2-11）直接探测方式的光电流随时间变化反应在光功率随时间的变化，该方式只能响应光强 的变化，丢失了相位、频率信息。通过将两种方式的输出功率进行比较，可得到光外 差探测的转换增益：G ? PIF POS ? 2PL Ps（2-12）因为本振光的功率可以达到几十毫瓦量级，属于较强光信号，而光纤的瑞利背向散射 的功率相当小，即信号光属于微弱光信号，因此 G 的数值可以相当大。因此光外差探 测具有相当高的转换增益，其灵敏度远高于直接探测方式的灵敏度，这也是 OFD

57、R 相 比 OTDR 具有极高灵敏度的原因。 （2）良好的滤波性能 由式（2-6）可知，光外差探测中，只有与本振信号混频后仍在频带 f IF 内的杂散 背景光才能够进入系统，而其他的杂散光中的噪声均被滤除掉。而在直接探测中，在 十分宽的频带内的杂散噪声均进入探测系统中。因此，外差探测相对直接探测有窄的 接收带宽，对背景光有良好的滤波性能。 （3）小的信噪比损失zkq20151125在理想情况下，本振光是纯正弦形式，不引入噪声。令输入端信号场、本振场以 及噪声场分别用符号 si ， r ， ni 表示，则入射到探测器上的总输入场可表示为ei ? si ? r ? ni根据光电探测器的平方规律特性

58、，输出信号为eo ? so ? no ? ?ei2 ? ? (si ? ni ? r ) 2 ? ? (si ? ni ) 2 ? 2?r (si ? ni ) ? ?r 2（2-13）（2-14）在这三项中，?r 2 项为直流项，因为 r ? (si ? ni ) ，所以第一项相比第二项可以忽略。 唯有第二项才能通过中频放大器，因此（2-14）变为：so ? no ? 2?r (si ? ni )（2-15）因此可得输出信噪比为：so ? s ? ? ? no ? n ?i（2-16）这个结果说明，在理想情况下，外差探测对输入信号和噪声的放大倍数相同，因11电子科技大学硕士学位论文而没有信噪

59、比的损失。 而采用直接探测方式得出的输出信噪比为：so si2 ( si ni ) 2 ? ? no 2si ni ? ni2 1 ? 2( si ni )（2-17）当 si ni ? 1 时，式（2-17）变为：so ? si ? ? ? ? no ? ? ni ?2（2-18）可见，输出信号的信噪比近似为输入信噪比的平方。当输入信噪比小于 1 或者对非常 微弱的信号进行探测时，输出信噪比将会产生非常大的损失，这表明直接探测方式不 适用于微弱信号的探测。 在 si ni ? 1 时，式（2-17）变为：so 1 ? si ? ? ? ? ? no 2 ? ? ni ?（2-19）此时，输出

60、信噪比近似等于输入信噪比的一半，光电转换后的信噪比损失不大。即在 强信号条件下，直接探测是完全可以被接受的。zkq20151125经上述信噪比的分析可知，直接探测方式适合强光信号的探测，其实现十分简单， 可靠性好，因此有广泛的应用。但当信号十分微弱时，直接探测有非常大的信噪比损 失，无法达到探测灵敏度的理论极限，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能 力。2.1.2 OFDR 的工作原理OFDR 原理如图 2-2 所示，由光源发出的线性扫频激光经过光纤耦合器分为两路， 一路进入待测器件 DUT（即待测光纤）中，作为信号臂；另一路进入末端置有法拉第 旋转镜的长度固定的光纤链路中，作为参考臂。信