基于光IQ调制的OFDR系统定位研究

针对传统内调制光频域反射(OFDR)分布式传感系统中扫频激光存在的频率变化非线性问题及其造成的信噪比降低问题,提出了基于光IQ调制的光频域反射系统,分析了光IQ调制扫频基本原理和光频域反射传感系统基本原理,搭建了基于光IQ调制器的扫频激光生成系统和OFDR温度变化定位实验系统,通过光IQ调制器对稳频激光进行调制以生成线...     

基于光频域反射差分相位解调的分布式折射率传感

提出一种基于光频域反射（OFDR）差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先,理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340μm传感空间分辨率的分布式折射率传感解调,其中有效传感区域的长度为45 mm,相位与外界折射率变化的线性拟合度为0.997,各折射率下的最大标准差为0.0067 rad,灵敏度为1328.6 rad/RIU,接近仿真结果 1483.7 rad/RIU。与互相关解调方法相比,差分相位解调方法的线性拟合度与标准差均较优,且传感空间分辨率提升了10倍。这种基于差分相位的解调方式为实现微米级分布式生物传感提供了思路。     

基于电流内调制DFB激光器的高空间分辨率OFDR

针对光频域反射（OFDR）系统中光源调频非线性导致的传感单元定位误差、传感精度低、传感范围窄、系统适应性差等问题，提出了开环校正结合光电锁相环闭环校正电流内调制分布反馈式半导体（DFB）激光器的方法。该方法用于控制DFB激光器连续、快速、大范围频率扫描线性化，使其成为OFDR系统的优质光源，提高OFDR的分辨率。实验结果表明DFB激光器的扫频非线性度由16.55%下降至0.078%，拍频信号中心频率的功率提升了21.1 dB，探测范围由15 m提升至50 m，测量值与实际值的最大误差为3.79 mm，重复性测量的最大标准偏差为112.2μm。     

基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究

光纤光栅传感技术近年来的快速发展对复用容量和空间分辨率提出了更高的要求。采用超弱反射光纤光栅(FBG)结合光频域反射技术(OFDR),实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调。通过对拍频信号分离的优化和非线性矫正,利用拍频信号的频谱信息,实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取,并进行各个光栅拍频信号时域上的分离,再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息,实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。实验结果表明,在-10℃~80℃的温度范围内,各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6%以上。     

光频域喇曼反射光纤温度传感器的频域参量设计

研究了功率调制型光频域反射技术空间采样函数的基本特征,得到了频域测量参量对测量距离和空间分辨率的基本限制;用数值计算模拟了功率调制型光频域光纤温度传感器的测量过程,通过比较模拟测量得到的喇曼反射强度空间分布因子对实际喇曼反射强度空间分布因子的再现程度,研究了调制频率范围、频率采样间隔以及起始调制频率对测量结果的影响,得出技术可行的最佳频域测量方案.     

基于OFDR/WDM的光纤光栅传感网络研究

应用光频域反射复用技术与波分复用技术,解决了光纤光栅传感网络的寻址问题;使用可调谐滤波器,实现了复用信号的解调;具体地分析了光频域反射复用技术的基本原理,从理论上推算了系统的空间分辨率和测量范围,并进行了3×3光栅阵列传感网络的实验研究. 该方案充分利用了光信号的频率和波长信息,在光源功率足够大的前提下,显示出新设计的传感网络具有寻址和解调几百个光栅信号的潜在能力,在大型建筑设施分布式二维或三维应力监测中有很好的应用前景.     

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。     

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.     

基于光频域反射仪的光纤分布式三维形状传感技术

光纤形状传感技术能够测量姿态、取向、径迹以及位置等三维空间信息,在精准介入医疗、变体飞行器以及连续体机器人等领域具有广泛应用前景。光频域反射仪具有高空间分辨率和分布式测量等特点,相较于光纤光栅的波分复用技术,在提高形状传感空间分辨率、形状重构精度以及传感长度等方面具有明显优势。在阐明光频域反射仪分布式应变传感原理的基础上,建立了弯曲形变与应变以及光纤瑞利散射光谱波长漂移之间的物理关系,同时构建了弯曲大小、弯曲方向以及挠率与空间曲线局域标架三个正交分量的数学关系,最后采用切向分量的线积分实现光纤三维形状重构。实验设计并制备了一种基于镍铬形状记忆合金丝与三根光纤束封装的形状传感器,其二维、三维形状末端的平均最大误差为传感器总长度的0.58%和3.45%。     

混合干涉型分布式光纤传感器PGC信号解调设计与实验分析

对一种基于马赫-曾德尔和萨格纳克混合干涉仪原理的分布式光纤泄漏检测系统调制解调技术进行研究,对PGC解调技术进行理论分析。针对所选泄漏分布式光纤传感特点设计了PGC解调硬件电路,并对PGC解调电路进行了测试。实验中待测信号为0~50 kHz,载波频率为300 kHz,截止频率为50 kHz, 移相后与待测信号的相关系数达到0.95,谐波失真小于3%,泄漏源位置为7.865 km,泄漏检测定位系统绝对定位误差为235 m,相对定位误差为2.35%。本解调定位系统具有稳定性和抗干扰性。     

基于色散调谐宽带扫频光纤激光器及其在光纤光栅解调中的应用

报道了一种基于色散调谐技术的宽带扫频掺铒光纤激光器。通过在主动锁模光纤激光器腔内引入较大色散,利用锯齿波电信号调制电光调制器的调制频率,可以实现激光器扫频输出。应用扫频激光器可将光纤光栅反射中心波长的变化转变为时域上信号间隔变化,适用于光纤光栅传感解调。搭建了扫频光纤激光器,利用掺铒光纤作为增益介质,研究了扫频范围的影响因素。通过优化实验参数,实验得到的扫频带宽达到43 nm,接近增益带宽,扫频速度为50 Hz。利用搭建的扫频激光器进行了光纤光栅传感解调,灵敏度约为0.68 ms/nm,验证了解调原理。     

光强检测型光纤光栅温变不敏感动态压力传感研究

报道了基于光纤光栅反射谱带宽调制和光强差分检测技术实现单一光纤光栅温变不敏感动态压力传感的新方法。设计了一种结构新颖的双孔梁压力传感装置,依据双孔梁有限元受力分析将光纤光栅准确定位于线性梯度应变区,压力作用下光纤光栅反射谱对称展宽,反射光强线性正比于压力变化。基于光波导理论和材料力学原理推导了线性梯度应变场作用下光栅反射谱带宽、反射光强与压力之间的响应关系。利用光强差分检测技术取代传统波长解调方法,简化解调过程的同时传感系统免受温变影响。实验表明,在-10~80℃的温度变化范围内,系统测量误差小于总量程(120kPa)的1.8%,动态响应速度约80Hz,重复测量系统输出稳定,具有较好的应用价值。     

面向管线监测的分布式光纤传感土壤传热研究

现存的管道泄漏监测技术空间分辨率有限,且常规的光纤布置方式难以达到所要求的分辨率。基于此,针对油气管线监测布线问题,在一维平铺式线监测的基础上,提出了正弦式表面监测的光纤铺设方式。以高空间分辨率的光频域反射分布式光纤传感技术为辅助手段,验证了正弦式光纤铺设方法的优越性,其能够全面地反映土壤整个面的温度分布,监测范围变广,漏检可能性降低。采用变量法分析了土壤容重、土壤含水率与土壤导热系数之间的关系以及热源温度对土壤传热的影响,验证了光频域反射分布式光纤传感技术能够精确地监测土壤温度场,并利用土壤温度场的变化规律为其他分布式测温技术在埋地光纤布置时提供指导。     

光纤光栅啁啾化传感研究

提出了光纤光栅啁啾化传感概念和传感机理,将光纤光栅微观分解为栅区长度范围的许多具有独立感知能力且彼此关联的有效作用子栅集,表述了有效作用子栅集与待测环境场空间梯度分布之间的对应关系,从而较好地解释了光纤光栅啁啾谱产生的内在机理.理论推导并实验验证了光栅啁啾谱各谱参量(波长、带宽和反射光强)与待测环境场(温度和应变)之间的对应关系,为利用单一光纤光栅实现多参量同时区分测量、任意非均匀空间分布场传感提供了科学有效的解决方法.     

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.     

基于连续扫频光时域反射的全同弱光栅高速解调方法

具有大容量复用能力的全同弱反射光栅已成为光纤传感领域的研究热点,然而现有的全同弱光栅时分复用解调技术存在解调复杂和响应时间长等问题.针对此问题,本文提出了一种连续扫频光时域反射的高速解调新方法.不同于光时域反射的脉冲光,本方法采用的是连续光扫频,利用光传输延时来实现不同位置的全同光栅在时域上的分离,利用光谱扫频实现光栅波长信息的解调,在系统解调工作阶段,一次扫频就能同时获取所有光栅的位置信息和完整的反射光谱波长信息.针对光谱高速扫频情况下光传输延时所引入的光栅波长解调误差,本文提出在系统初始阶段采用延时校准方法,通过不同的光谱扫频速度,获取各个光栅固有的延时时间参量,确定各光栅位置,消除光传输延时,完成各光栅的波长解调.实验对18个全同弱光栅组成的传感网络进行了初始校准、静态温度和动态振动实验,结果表明,对全同弱光栅的解调误差小于15 pm,分辨率1 pm,线性度达0.998,系统可分析60 kHz内的频谱信息,解调频率高达120 kHz.     

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。     

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1 m的性能指标.     

用于干涉型光纤传感系统的相似性解调方法

基于扫频激光器和马赫-增德尔干涉结构的光纤传感系统,针对扫频激光器的频率步进不够精细导致干涉臂长差解调结果不精确的问题,提出了一种相似性解调方法.该方法通过在频率步进范围内进一步细分,构造相应细分值的模拟函数,与采集到的干涉信号进行相似性对比,相似性最大时所对应的模拟干涉臂长差即为精确结果,并通过仿真与实验验证了该方法的可行性.实验表明该系统中干涉臂长差的解调范围为2~17 mm,该范围内解调结果最小分辨率为1μm,可以达到测试量程万分之一的分辨率,且抗干扰能力强、精度高,可实现信噪比大于6.87 d B时信号的解调.根据解调原理,在不强调实时性的应用中,可以通过提高细分的精细度,进一步提高系统分辨率.