光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究-光学工程专业论文.docxVIP

摘要 摘要 I 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 9.83 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 ABSTRACT ABSTRACT II II ABSTRACT Due to the advantages of wavelength coding, wide measurement range, anti-electromagnetic interference, long-term stability, 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 of the limitation of the spectral width of lasers and the bandwidth of sensor, high-density multiplexing of sensor array hasn’t 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 high-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: This thesis expounded the basic principle of OFDR. The factors, which affect the dynamic range and the spatial resolution, were analyze