基于光频域反射的光源非线性效应补偿加速算法研究.pdf

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基于光频域反射的光源非线性效应补偿加速算法研究

摘要

分布式光纤传感技术具有监测范围广、抗干扰能力强、集传感与传输一体等诸多优

点,被广泛应用于现代工业、交通运输、能源等工程领域。光频域反射技术(Optical

frequencydomainreflectometry,OFDR)具有高空间分辨率、高灵敏度、高信噪比以及高

测量精度等优势,是分布式光纤传感重要的发展方向,具有广阔的应用前景。为实现大

范围、高精度的分布式测试,OFDR系统的测量数据通常较大,所以要求具有很高的数

据处理能力。随着测量速率的提高和传感范围的扩大,数据处理时间成为一个瓶颈,如

何实现更高的测量速率和更长的传感范围也是一个很大的挑战。本文开展了OFDR系统

非线性效应补偿算法和GPU加速计算方法的研究,提出了补偿算法的加速计算方案,

验证了方案的正确性及可行性,提升了程序的运行速度。

本文的主要工作内容如下:

(1)对OFDR系统的信号模型进行了理论分析,厘清了光源非线性调谐效应和偏

振衰落效应对OFDR系统的影响,阐述了光源非线性调谐效应的补偿方法和偏振衰落的

抑制方法。建立了基于去斜滤波器的光源非线性效应补偿模型,搭建了OFDR测试系统,

实验验证了去斜滤波算法的补偿效果。完成了OFDR系统的集成,实测结果表明,信噪

比达到了35dB,测试灵敏度达到了-130dB。

(2)推导了基于三次样条插值的插值计算公式,在此基础上,使用CUDA混合编

程方法设计了插值函数的加速程序,实现了最大3.55的加速比。分析了傅里叶变换的可

并行性,利用CUFFT函数库实现FFT的快速计算,最大可实现28.56的加速比。

(3)提出了OFDR系统非线性效应补偿的加速计算方案以及数据分段处理方法,

采用CPU+GPU的异构技术,将大规模的计算任务由GPU完成,有效提升了程序的运

行速度。测试结果表明,在不分段情况下可实现3倍以上的加速比,分段的情况下可实

现2倍的加速比。

综上所述,本文研究了OFDR系统的测试原理及关键技术,搭建了OFDR分布式

传感系统。在此基础上,开展了系统集成方法研究,完成了OFDR测试系统的仪器化工

作。设计了三次样条插值算法的CUDA加速程序,利用CUFFT函数库实现傅里叶正逆

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

变换的加速计算。提出了数据分段的处理方式,显著提升了程序的运行速度,对OFDR

系统的实时测量具有借鉴意义。

关键词:光频域反射技术;非线性调谐效应;GPU计算;算法加速

基于光频域反射的光源非线性效应补偿加速算法研究

Abstract

Distributedfiberopticsensingtechnology,whichhasmanyadvantagessuchaswide

monitoringrange,stronganti-interferenceabilityandintegrationofsensingandtransmission,

iswidelyusedinmodernindustrial,transportation,energyandotherengineeringfields.With

advantagessuchashighspatialresolution,highsensitivity,highsignal-to-noiseratioandhigh

measurementaccuracy,Opticalfrequencydomainreflection(OFDR)technologyisan

importantdevelopmentdirectionfordistributedfiberopticsensingandhasbroadapplication

prospects.Toachievelarge-scaleandhigh-precisiondistributedtesting,themeasurement

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