基于相干光时域反射计的光纤温度传感测量

研究了基于相干光时域反射计的光纤传感技术,分析了基于相干光时域反射计的分布式温度传感机理.根据传感系统的组成和原理,建立了仿真模型,利用MATLAB对传感系统的性能进行了仿真与分析,结果表明基于相干光时域反射计的传感系统可以达到温度测量分辨率为0.01℃,空间分辨率为1m的性能指标.     

基于直接检测相干光时域反射计的高分辨率分布式光纤传感技术

研究了基于瑞利散射的高性能定量检测分布式光纤传感技术。在相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的基础上,用窄线宽激光器和微波电光调制实现对光频移的精确控制,构成直接检测相干光时域反射计(COTDR)传感系统。通过分析光频移产生的传感光纤瑞利散射光干涉图样的变化,得到了传感量(温度或应变)的定量信息。对直接检测COTDR传感系统进行了理论分析,并进行了COTDR工作过程和散射信号相关特性的仿真分析,验证了高分辨率分布式光纤传感原理。在此理论分析基础上,采用微波电光调制得到了可变光频移,组建了直接检测COTDR实验系统,实现了25 km分布式光纤温度传感实验,可测量到25 km光纤末端0.1℃的温度变化。     

结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。但布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,两者具有不同的性能特点和使用场合,在实际传感应用中需要加以选择,用以实现有效的长距离光纤传感。如何在一个系统中融合这两种分布式光纤传感技术,其关键是产生传感所需的频移参考光或探测光。采用光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移参考光或探测光,并应用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。在同一系统中实现了25 km普通单模光纤的布里渊光时域分析和光反射计,在5 m空间分辨率下达到3℃的温度分辨率。     

POTDR分布式光纤传感及其在安防监测中的应用

提出了一种基于偏振光时域反射计分布式光纤传感技术的新型安防监测系统.该系统使用偏振分束器获取到具有正交偏振态的两路偏振光时域反射计信号,对比验证以确认是否出现了造成偏振态变化的扰动,提高了系统对扰动远程定位检测的准确度,大幅度减小了误判率和漏报率.同时在偏振光时域反射计系统的扰动探测中创造性的采用差值法和相对坐标相结合的方法,首次可以明显并且直观地检测和定位偏振光时域反射计系统中的扰动.最后采用Visual C++开发了一套实时的数据采集与处理软件.实验结果表明该系统具有较高的灵敏度,并在2 km和14 km处获取到具有较高信噪比的扰动信号.     

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.     

基于多模光纤的分布式喇曼测温系统

基于喇曼散射和光时域反射原理,分析后向散射光中反斯托克斯光和斯托克斯光光强比值,研制了基于多模光纤的分布式喇曼温度传感系统.采用对低、高温段温度分别进行拟合的动态温度标定方案,将测温精度提升至±1℃.分别对系统温度分辨率、测温精度、空间分辨率以及重复性进行了实验,结果表明:系统温度分辨率为1℃,空间分辨率为1m,系统稳定性良好,能够适应复杂环境变化.     

基于IQ调制的OFDR系统仿真研究北大核心CSCD

针对传统外调制光频域反射(OFDR)系统空间分辨率较差的问题,提出了基于IQ调制OFDR系统的方法。分析了OFDR系统基本原理及IQ调制扫频原理,采用IQ调制器调制稳频激光器产生线性扫频光,建立了基于IQ调制的OFDR系统仿真模型;通过改变局部后向散射光相位以模拟待测温度或应变变化,并提出差分FFT解调算法实现对待测参量的快速定位检测。仿真结果表明,模型可以准确检测与定位施加在传感光纤上的模拟待测参量,并在传感距离为100m长的光纤上实现了0.23m的空间分辨率。研究证明,该系统优化了空间分辨率,降低了解调算法复杂度,提高了参量检测准确度,从而为光频域反射技术在短距离高空间分辨率应变、温度等参量检测方面的应用提供理论依据和测量方法。     

基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究

开展了基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究,提出了单端固定开口波纹薄筒光纤声增敏方法,建立了光纤声增敏装置波节间距、单波节轴向刚度、光纤长度等参数对光纤相位灵敏度的影响理论模型.制作了3种规格的光纤声增敏传感装置进行声传感实验.实验结果表明,声增敏传感装置相位灵敏度达到2.975 rad/Pa,最小声探测信号达到60.1 dB,3种规格的声增敏传感装置的灵敏度测试值与理论分析基本一致.研究结果为高灵敏度的光纤分布式声传感的进一步发展提供了理论和实验基础.     

基于PSO算法的DTS传感模型的参数辨识与优化

基于光纤拉曼散射效应和Monte-Carlo法,建立了一种分布式光纤拉曼温度传感系统(DTS)传感模型。应用改进的PSO算法对所建立的传感模型进行参数辨识,分析了种群数目、迭代次数、惯性权重、加速度因子等参数选值对算法的影响,选取了最佳参数组合。搭建了分布式光纤温度传感系统实验平台,运用所建立的DTS传感模型对分布式光纤温度传感系统进行相关的仿真及预测。实验及仿真结果表明,传感模型在空间分辨率为1m时,预测误差≤±0.25%;该分布式光纤温度传感系统测温误差≤±0.40℃。     

密集切趾光纤光栅阵列制备及其准分布温度传感的实验研究

针对小范围热源温度探测的需求,在线制备了密集切趾的光纤光栅阵列,采用光波长时域反射解调技术和光时域分段解调技术对切趾光栅阵列传感网络信号进行解调,实现了对小范围热源温度变化的精确测量。模拟了高斯切趾光栅的旁瓣抑制效果,结果显示高斯系数G=4时,可获得较好的谱型和较高的旁瓣抑制比。采用在线光栅阵列制备系统制备了旁瓣抑制比为20.74 dB的密集切趾光栅阵列,温度实验结果显示,传感网络的时域分段精度可达1 m,空间分辨率可达10 cm,温度灵敏度为10.15 pm/℃。该系统可应用于电缆廊道、地铁等环境下的小范围热源温度探测。     

High-resolution correlation OTDR for distributed fiber-optic sensors and mobile cabling

Distributed fiber-optic sensing systems require a spatial resolution of less than 1 meter, which cannot easily be reached by conventional optical time domain reflectometry (OTDR) because of present electronics response times limited to about 10 ns corresponding to a few meter resolution. Correlation optical time domain reflectometry (COTDR) is a powerful technique for high-resolution test of distributed single-mode fiber sensors in the long wavelength range 1.3-1.6 μm.

This article describes the realization of a 1.3-μm COTDR using a 200-Mb/s pseudorandom sequence that allows a spatial resolution of 50 cm and gives results obtained on a short single-mode fiber length with localized defects simulating a distributed line of sensors.     

基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器

针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变（或温度）的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25km的分布式温度传感,达到5m的空间分辨力和3℃的温度分辨力。     

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。     

分布式光纤布拉格光栅解调系统

提出并实现了一种可满足工程实用要求的分布式光纤布拉格光栅解调系统。该系统通过可调谐光纤F-P滤波器的连续扫描实现波长信号的解调。该传感系统扫描带宽50nm,单点工作带宽5nm,对一股应用系统每根单纤可设20∽30个点,分辨力5pm。     

光学综合孔径望远镜成像分析及计算机仿真

阐述了光学综合孔径(OSA)望远镜成像原理以及综合孔径望远镜的几种实现形式；采用快速傅里叶变换(FFT)算法得到了任意子孔径综合模式下的点扩展函数(PSF)和光学传递函数(OTF)分布；从子孔径结构排列、共相位、图像恢复几个方面论述了光学综合孔径的成像特征。初步分析了稀疏率、填充因子、“实际截止频率”等因素对光学综合孔径望远镜成像的影响。分析和仿真结果表明：光学综合孔径通过相干成像不但可以突破传统单孔径系统的口径局限获得极高的成像分辨率，而且对于实现空间光学遥感系统轻量化和模块化都具有重要意义。     

分布式光纤布里渊散射温度传感实验系统

提出一种基于布里渊光时域反射计法的分布式光纤布里渊散射温度传感系统.光源采用窄谱半导体激光器.声光调制器将光源调制成窄脉冲,并由高增益光纤放大器放大,产生高功率光脉冲信号,提高了自发布里渊散射信号的强度.采用双通马赫-曾德干涉仪将布里渊散射从瑞利散射中分离出来,在一段4.25 km长的光纤上进行分布式温度传感的实验研究.双通马赫-曾德干涉仪对瑞利散射进行了很好的抑制,得到了比较纯净的随温度变化的布里渊散射信号.     

基于经典小波变换的布里渊光时域反射计光信号处理

布里渊光时域反射计结构的布里渊散射分布式光纤传感器检测的是自发散射光,信号非常微弱,而且频带在几十兆赫兹以上,难以应用普通相干解调方法。针对传感散射光信号特点,提出基于经典(Morlet)小波变换的光相干检测方法。首先采用微波电光调制产生频移参考光和自发布里渊散射光进行相干检测,再应用经典小波变换进行散射光信号的幅度解调,得到信噪比改善的布里渊散射传感光信号。给出了数值模拟和实验数据处理结果,表明经典小波变换能较好地处理布里渊光时域反射计检测信号。并和基于希尔伯特(Hilbert)变换的传感信号处理方法进行了对比,发现此方法优于基于希尔伯特变换的信号处理。     

基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪

报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大, 补偿了光纤传输损耗.实验表明, 该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性, 实现了74 km的超长传感距离和20 m的空间分辨率, 同时, 试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响. 关键词： 相位敏感光时域反射仪 分布式光纤传感 拉曼放大     

基于宽带光源和自外差检测的布里渊光时域反射温度传感系统

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响,提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理,研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统,获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱,验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.     

Optical heterodyne grating shearing interferometry for long-range positioning applications

We develop a displacement measurement and positioning system with nanometer resolution over the millimeter traveling range. The method is based on a heterodyne grating shearing interferometry, a homemade lock-in amplifier and a servo control loop for displacement sensing and positioning. The quasi-common optical path configuration of our system provides better immunity against environmental disturbances. The experimental results demonstrate that our system can measure small and long displacement with nanometric resolution. The device achieves a positioning resolution of 2.3 nm over a traveling range of 20 mm.