一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

脉冲编码瑞利布里渊光时域分析温度传感技术

瑞利布里渊光时域分析系统(BOTDA)存在信号小、噪声大的问题,会导致系统空间分辨率与信噪比难以同时提高。将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,可在不降低空间分辨率的前提下有效地提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理,介绍了Golay互补序列的特性,并给出了单脉冲和编码脉冲系统的信噪比表达式;搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,测量了单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性及脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率和温度测量精度。实验结果表明,由瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010)MHz·℃-1;当采用10ns脉冲宽度、64bit格雷编码时,在1.77km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1m、温度测量精度为1.39℃的传感测量。     

光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统的影响

报道了光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA)的影响. 实验表明,光脉冲编码能够在保证较高空间分辨率的同时减小布里渊频移的不确定性. 实验实现了49.6 km传感距离, 在整段传感光纤上温度分辨率1 ℃,空间分辨率2.5 m. 本文实验测量并分析了系统的信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼散射 布里渊增益 布里渊光时域分析系统(BOTDA)     

提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法

由于探测光脉冲宽度受到限制,布里渊光时域反射仪(BOTDR)在对光纤上的应变进行分布式测量时,空间分辨力只能达到1 m。针对布里渊光时域反射仪单次采样接收背向布里渊散射信号(BBS)需要一定的时间,提出了基于等效脉冲光的多洛仑兹拟合法以提高其应变测量的空间分辨力。该方法将探测光脉冲在布里渊光时域反射仪完成单次采样所需的时间上进行积分,将积分函数作为等效脉冲光的表达式,再根据等效脉冲光的形状将布里渊光时域反射仪接收到的背向布里渊散射谱(BBS)细分,并对它进行多洛仑兹迭代拟合,准确求得每个细分布里渊散射谱的中心频率,进而利用光纤中布里渊频移与应变的对应关系,得到光纤中与细分布里渊散射谱对应的细分光纤单元上的应变情况。实验结果表明,利用这种方法,可使布里渊光时域反射仪应变测量的空间分辨力提高至0.05 m。     

基于布里渊光时域分析传感系统的格雷-差分脉冲混合编码技术

鉴于布里渊光时域分析(BOTDA)传感系统中空间分辨率和传感距离存在相互制约的关系,提出了一种结合格雷(Golay)编码技术与差分脉冲对(DPP)技术的混合编码方法。该方法结合了Golay编码可提高系统信噪比以及DPP可改善系统空间分辨率的优点,相对于Golay-BOTDA的DPP方法能进一步提高系统信噪比,理论上在相同采样次数下信噪比可提升6dB。实验结果表明,采用改进的混合编码可以在25km光纤末端获得1.6m的空间分辨率。同时,与基于Golay-BOTDA的DPP方法相比,在相同的采样次数下系统信噪比提升了4.08dB。     

采用单工循环编码解码的分布式光纤喇曼温度传感器

针对连续脉冲编码解码技术在分布式光纤喇曼温度传感器应用中出现被测光纤非线性峰值阀值光功率变低、编码过程较复杂等问题,提出了一种将光脉冲码均匀分布在整条被测光纤的单工循环编码解码技术和应用方案,并在27km单模系统中与传统单脉冲技术系统做了对比实验.结果表明:相比连续编码解码技术,单工循环编码解码技术不仅保持了编码解码技术相对于传统单脉冲技术的信噪比改善能力,而且有效地提高了光纤的非线性峰值阀值光功率.在编码时只需循环发送一组码,就可使系统的信噪比和测量距离获得极大的提高.采用211位循环编码解码技术的多模系统经16万次重复测量后,可在25km处获得±1.5℃的温度不确定度,空间分辨率为3m.     

基于实时小波变换信号处理的相干检测布里渊光时域反射计

布里渊光时域反射计检测信号较微弱的自发布里渊散射光,其布里渊频移只有11 GHz左右.相干检测是一较好的方法,但其接收信号是一宽带的幅度调制信号,难以直接解调.采用实时小波变换对传感信号进行处理,设计了布里渊光时域反射计传感器实验系统,实现了25 km的分布式温度传感,在5 m的空间分辨率和1 min的响应时间下,达到40 με的应变分辨率.     

提高布里渊光时域反射系统传感性能的方法

根据谱整形的思想将脉冲预抽运的概念引入布里渊光时域反射系统,提出了一种提高传感性能的方法。该方法利用由预抽运脉冲和传感脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过预抽运脉冲和传感脉冲的受激布里渊作用实现布里渊谱的整形和传感信号的放大,可有效地解决系统空间分辨率和测量精度的矛盾,并可提高系统信噪比,增加传感距离。通过受激布里渊稳态方程的瞬态分析对阶梯脉冲调制布里渊光时域反射系统中的受激布里渊散射模型进行了求解,对阶梯脉冲进行了最佳化设计,比较了矩形脉冲、洛伦兹形脉冲和阶梯脉冲调制时的系统性能。结果表明,当预抽运脉冲和传感脉冲参数为50ns、0.2W和2ns、1W时,采用阶梯脉冲时的布里渊谱宽约为44MHz,10km光纤末端信噪比较采用矩形脉冲时提高了7.97dB。最后,通过实验验证了所提方法的可行性。     

基于高斯白噪声调制的布里渊光相干反射温度传感器

根据光纤布里渊频移量随温度变化的特性,提出一种基于布里渊光相干反射技术的分布式光纤温度传感器.利用噪声信号的无周期特性,采用高斯白噪声信号对系统的光源进行电流调制,克服了现有布里渊光相干反射技术无法同时兼顾传感距离和空间分辨率的问题.实验研究表明,该传感器在253m的普通单模光纤上实现了分布式温度测量,获得了54.6cm的空间分辨率和±1.07℃的温度测量准确度.     

高分辨率调频连续波激光绝对测距研究

大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用,激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题.调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点,它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题的缺点,有着测量精度高、量程大的优点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,分析了影响其测距分辨率的主要原因,证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性.该方法可以提高测距分辨率,且系统构成简单、实用性强.搭建了光纤调频连续波激光测距系统,并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样.利用该系统进行了测距分辨率实验,实验结果表明,本系统测量分辨率可以达到50μm,测量范围达到了10m.     

基于灰度相关的高分辨率红外图像重建

介绍了提高空间分辨率的受控和不受控的微扫描法。基于空间灰度相关分布特性,提出了一种微扫描误差修正算法,该算法利用灰度相关特性匹配低分辨率图像的位置关系。为准确评估成像质量,利用高精度METS-L型红外测试系统对MTF进行了测试。测试结果显示,该算法能较好抑制微扫描位移误差引起的图像模糊,有效提高了空间分辨率。     

毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术

近年来,随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用,人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长.本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术.实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数,产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光,并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量.同时,为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化,在泵浦路中引入了时间门控技术,其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB,同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内,从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB,最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.     

Design of Header Recognition Filter for Binary Phase Shift Keying in Header Recognition Unit using Time-Space Conversion

Optical header recognition is one key function that enables ultrafast optical routing in photonic packet-switched networks. Especially, optical header recognition based on optical correlation processing has attracted much attention. Header signals using optical codes are decoded using optical correlation processing. We improve the decoding method for Binary Phase Shift Keying (BPSK) header signals in order to suppress crosstalk caused by matched filtering in the header recognition unit. We design a header recognition filter using the technique of a multiple-object discriminant filter (MODF). Results of preliminary experiments show that the designed header recognition filter can suppress crosstalk. The intensity ratio of correlation signals of a target header signal to non-target ones is higher than 1.95 : 1 in case of 4-bits BPSK header signals.     

Comparison of spatial resolution in internal and external electro-optic probing

A new method, based on zero point of longitudinal electric field, was used to determine the spatial resolution of internal and external electro-optic (EO) probing systems. An interdigital structure electrode was fabricated on GaAs substrate to examine the spatial resolution of internal and external EO probing system. Considering the air gap between the electrode under test and the probe tip, the result of EO probing was simulated which is well accorded with experiment. The result indicates that spatial resolution of less than 0.5 and 1 m are obtained in internal and external EO probing system respectively.     

一种基于多级小波域分解的时域扩散光学层析成像方法的研究

面向基于有限差分光扩散模型的平板乳腺扩散光学层析反演问题,提出了一种有效提高图像重建质量的方法.与基于全空间域离散像点的传统重建算法不同,本方法采用小波函数对吸收系数和散射系数在空间域进行多尺度分解,在减少低分辨率重建中光学参量的个数、有效改善重建过程病态性的同时,通过逐级细化分解尺度,最终提高了图像的量化度和空间分辨率.数值模拟表明,该方法可实现目标体边对边4 mm的空间分辨率,量化度明显高于传统算法.     

基于拉曼散射的光纤分布式温度测量系统的空间分辨力

基于自发拉曼散射的光纤分布式温度测量系统是一种真正的分布传感系统且已商品化。本文从光学的角度出发较详细地分析了此类系统的空间分辨力理论极限及其影响因素。分析表明， 对于一个１ ｋｍ 的多模系统， 若接收机的最小可分辨光功率优于３．５ ｐＷ， 则其在０～４００℃的范围内且温度精度为±１℃时的空间分辨力极限为２ ｃｍ ； 当接收机的最小可分辨光功率小于０．５ ｐＷ， 单模系统的空间分辨力极限优于对应的多模系统。因此， 把基于自发拉曼散射机理的光纤分布式温度测量系统用于短距离高分辨力的系统理论上是可行的。     

一种成像光谱仪前置物镜的设计

未来的成像光谱仪要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。提出了一种无遮栏三反射镜系统的设计方法。所设计的三反射镜消像散系统包括两个非球面凹反射镜和一个凸球面反射镜。系统的视场角可达到5°,并实现了平场、远心光路的设计,可满足大视场高分辨成像光谱仪前置物镜的使用要求。     

Transillumination Laser Computed Tomography System with Fiber-Optic-Based Coherent Detection Imaging Method - High Spatial-Resolution and Quantitative Tomographic Imaging of Highly Scattering Objects -

We recently proposed and developed a novel transillumination laser computed tomography (CT) imaging system using a fiber-optic method based on coherent detection imaging (CDI) for biomedical use. Use of optical fibers enables portability and robustness against environmental changes in a room, such as variable temperature, air-flow shifts, and unexpected vibrations. In addition, motion-artifact-free images can be obtained because measurements can be performed with the object fixed. In the present paper, we experimentally investigate in detail the fundamental imaging properties of the system, which has a spatial resolution of 500 μm, a dynamic range of approximately 120 dB, and a minimum-detectable-optical power of 10⁻¹⁴W as a result of the excellent properties of the heterodyne detection. Based on experimental observations, the proposed system can reconstruct tomographic images of highly scattering objects in the transillumination mode, similar to X-ray CT, at sub-millimeter spatial resolution and with quantitativeness. Finally, we demonstrate with experiments using a physical phantom that the imaging system possesses high resolution and quantitative imaging abilities for highly scattering objects.     

调制度测量轮廓术的系统标定

调制度测量轮廓术是一种采用垂直测量方式的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化区域的复杂物体。提出了一种基于调制度测量轮廓术测量系统的标定方法,其纵向标定是利用几个相互平行的标定平面建立与CCD像面各像素点对应的测量高度与实际高度之间的映射关系,并利用映射关系确定每一像素点对应的映射关系系数,然后建立映射关系系数查找表,存人测量系统中,完成纵向标定。首先分析了测量系统的误差来源,然后给出了标定方法和标定过程,最后给出了实测结果。结果表明,利用提出的系统标定方法可以有效消除调制度测量轮廓术测量系统误差,显著地提高了系统测量精度。