光频域反射技术中激光器的非线性调谐效应补偿研究
发布时间：2021-08-18 16:59
光频域反射计（Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR）因其高空间分辨率、高灵敏度、以及高传感精度等优势在结构健康监测等方面得到了广泛的应用。可调谐激光器是OFDR的关键器件,其扫频线性度和扫频范围影响了系统的空间分辨率。可调谐激光器一般都存在非线性扫频现象,导致OFDR的空间分辨率下降,解决这一问题是提高OFDR系统性能的关键。所以本文对补偿激光器的非线性调谐效应进行了研究,以提高系统的空间分辨率。本文具体工作内容如下:首先研究了非均匀傅里叶变换（Non-Uniform Fourier Transform,NUFFT）方法和过零点重采样方法对非线性调谐效应的补偿效果。在NUFFT方法中,非线性的补偿是基于扫频曲线进行重采样,所以无法实现数据采集过程中非线性的实时补偿。实验用60m延迟光纤补偿155m待测光纤中的非线性,实现了0.44mm的空间分辨率;在过零点重采样方法中,待测光纤的长度最多只能达到马赫曾德型辅助干涉仪延迟光纤长度的1/2。实验用200m延迟光纤补偿57m待测光纤中的非线性,实现了0.156mm的空间分辨率。为了解决上述方法...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
拍频过程MATLAB仿真结果
第二章光频域反射技术的原理18此时得到的时域信号就不是单一周期的正弦信号。线性扫频和非线性扫频下的拍频信号时域图分别如图2-6（a）（b）所示。为了更直观地了解激光器非线性扫频对信号产生的影响，将拍频信号从时域变换到频域，得到图2-6（c）（d）所示的结果。其中（c）图表示线性扫频时拍频信号频谱图，反射峰对应一个单一频率，有着较高的空间分辨率；（d）图表示非线性扫频时拍频信号频谱图，可以看出频谱出现了展宽现象，导致系统空间分辨率下降，无法对光纤中的反射点进行精确定位。因此，为了能够对光纤上的反射点进行精确定位，必须要补偿激光器的非线性调谐效应。图2-6拍频时域信号和频域信号。（a）线性扫频下的拍频信号时域图；（b）非线性扫频下的拍频信号时域图；（c）线性扫频下的拍频信号频谱图；（d）非线性扫频下的拍频信号频谱图2.4本章小结本章首先介绍了基于光外差探测的光频域反射技术的理论模型，并对拍频过程进行了MATLAB仿真，通过模拟两列光波拍频过程，得到拍频频率大小等于两叠加光波的频率之差。然后分析了OFDR中的关键器件——可调谐激光器，讨论了它的线宽、扫频线性度及扫频范围等性能与OFDR的性能之间的关系；推导出OFDR的理论空间分辨率主要由激光器的扫频范围决定；重点分析了激光器的非线性调谐效应对系统性能的影响。x(t)x(t)ttffX(f)X(f)(a)(b)(c)(d)
第三章传统的非线性调谐效应补偿方法19第三章传统的非线性调谐效应补偿方法激光器输出非线性扫频信号时，得到的拍频信号频谱被展宽，导致系统的空间分辨率变差。为了提高系统的空间分辨率，我们的目标是实现等频率间隔采样，进行激光器的非线性调谐效应补偿，这是提高OFDR的空间分辨率、传感范围和传感性能的关键技术。本章分析了非均匀傅里叶变换和过零点重采样两种补偿非线性的方法，并进行了MATLAB仿真及实验。3.1实验系统结构介绍根据1.2.2节的介绍，光频域反射技术是基于调频连续波技术实现的，可以通过搭建马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪结构来实现光外差探测。由于激光器存在非线性调谐效应，故而引入辅助干涉仪结构，与主干涉仪信号进行同步采集，体现相同的激光器非线性变化，以对主干涉仪待测信号进行非线性补偿。实验系统结构如图3-1所示，采用的是辅助干涉仪+主干涉仪的结构形式，其中主干涉仪连接待测光纤得到测量信号，辅助干涉仪产生参考信号用于对主干涉仪信号的非线性补偿。图3-1OFDR的系统结构图实验中所使用的可调谐激光器型号是LUNA公司的Phoenix1400HS，该激光器的扫频范围可从1515nm到1565nm，最大能够达到50nm的波长扫频范围，扫频速率可以实现1-100nm/s，输出功率的范围是6-10mW。激光器发出的连续
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感解调算法改进[J]. 魏鹏,刘陶林,夏东,郎昊. 半导体光电. 2018(03)
[2]浅议高分辨率光频域反射计的发展及优点[J]. 马俊平,邓国如,张明昭,陈璞,赵锦辉. 信息通信. 2018(03)
[3]基于光纤延时声光频移自差拍法快速测量激光线宽[J]. 白建东,王杰英,王军民. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[4]基于MATLAB的光学拍频现象的仿真[J]. 赵鑫. 通讯世界. 2015(20)
[5]基于差频原理的声光移频器[J]. 朱吉,傅礼鹏,吴中超,王智林. 压电与声光. 2014(04)
[6]基于窄带光纤激光器的光频域反射计研究[J]. 叶蕾. 光纤与电缆及其应用技术. 2013(05)
博士论文
[1]几种改进OFDR性能方法的提出及验证[D]. 丁振扬.天津大学 2013
硕士论文
[1]OFDR光纤传感技术在复合材料非均匀应变测量中的研究[D]. 李化军.武汉理工大学 2017
[2]基于OFDR的分布式光纤振动传感器研究[D]. 熊竹.电子科技大学 2016
[3]光频域反射仪的平衡混频式偏振分集光外差相干接收技术研究[D]. 王维康.上海交通大学 2015
[4]光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究[D]. 邓胜强.电子科技大学 2015
[5]全光信号处理辅助的高空间分辨率OFDR技术研究[D]. 许聃.上海交通大学 2015
[6]二维应变场测量的光纤光栅传感理论与实验研究[D]. 樊鹏.武汉理工大学 2013
本文编号：3350272
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
拍频过程MATLAB仿真结果
第二章光频域反射技术的原理18此时得到的时域信号就不是单一周期的正弦信号。线性扫频和非线性扫频下的拍频信号时域图分别如图2-6（a）（b）所示。为了更直观地了解激光器非线性扫频对信号产生的影响，将拍频信号从时域变换到频域，得到图2-6（c）（d）所示的结果。其中（c）图表示线性扫频时拍频信号频谱图，反射峰对应一个单一频率，有着较高的空间分辨率；（d）图表示非线性扫频时拍频信号频谱图，可以看出频谱出现了展宽现象，导致系统空间分辨率下降，无法对光纤中的反射点进行精确定位。因此，为了能够对光纤上的反射点进行精确定位，必须要补偿激光器的非线性调谐效应。图2-6拍频时域信号和频域信号。（a）线性扫频下的拍频信号时域图；（b）非线性扫频下的拍频信号时域图；（c）线性扫频下的拍频信号频谱图；（d）非线性扫频下的拍频信号频谱图2.4本章小结本章首先介绍了基于光外差探测的光频域反射技术的理论模型，并对拍频过程进行了MATLAB仿真，通过模拟两列光波拍频过程，得到拍频频率大小等于两叠加光波的频率之差。然后分析了OFDR中的关键器件——可调谐激光器，讨论了它的线宽、扫频线性度及扫频范围等性能与OFDR的性能之间的关系；推导出OFDR的理论空间分辨率主要由激光器的扫频范围决定；重点分析了激光器的非线性调谐效应对系统性能的影响。x(t)x(t)ttffX(f)X(f)(a)(b)(c)(d)
第三章传统的非线性调谐效应补偿方法19第三章传统的非线性调谐效应补偿方法激光器输出非线性扫频信号时，得到的拍频信号频谱被展宽，导致系统的空间分辨率变差。为了提高系统的空间分辨率，我们的目标是实现等频率间隔采样，进行激光器的非线性调谐效应补偿，这是提高OFDR的空间分辨率、传感范围和传感性能的关键技术。本章分析了非均匀傅里叶变换和过零点重采样两种补偿非线性的方法，并进行了MATLAB仿真及实验。3.1实验系统结构介绍根据1.2.2节的介绍，光频域反射技术是基于调频连续波技术实现的，可以通过搭建马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪结构来实现光外差探测。由于激光器存在非线性调谐效应，故而引入辅助干涉仪结构，与主干涉仪信号进行同步采集，体现相同的激光器非线性变化，以对主干涉仪待测信号进行非线性补偿。实验系统结构如图3-1所示，采用的是辅助干涉仪+主干涉仪的结构形式，其中主干涉仪连接待测光纤得到测量信号，辅助干涉仪产生参考信号用于对主干涉仪信号的非线性补偿。图3-1OFDR的系统结构图实验中所使用的可调谐激光器型号是LUNA公司的Phoenix1400HS，该激光器的扫频范围可从1515nm到1565nm，最大能够达到50nm的波长扫频范围，扫频速率可以实现1-100nm/s，输出功率的范围是6-10mW。激光器发出的连续
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感解调算法改进[J]. 魏鹏,刘陶林,夏东,郎昊. 半导体光电. 2018(03)
[2]浅议高分辨率光频域反射计的发展及优点[J]. 马俊平,邓国如,张明昭,陈璞,赵锦辉. 信息通信. 2018(03)
[3]基于光纤延时声光频移自差拍法快速测量激光线宽[J]. 白建东,王杰英,王军民. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[4]基于MATLAB的光学拍频现象的仿真[J]. 赵鑫. 通讯世界. 2015(20)
[5]基于差频原理的声光移频器[J]. 朱吉,傅礼鹏,吴中超,王智林. 压电与声光. 2014(04)
[6]基于窄带光纤激光器的光频域反射计研究[J]. 叶蕾. 光纤与电缆及其应用技术. 2013(05)
博士论文
[1]几种改进OFDR性能方法的提出及验证[D]. 丁振扬.天津大学 2013
硕士论文
[1]OFDR光纤传感技术在复合材料非均匀应变测量中的研究[D]. 李化军.武汉理工大学 2017
[2]基于OFDR的分布式光纤振动传感器研究[D]. 熊竹.电子科技大学 2016
[3]光频域反射仪的平衡混频式偏振分集光外差相干接收技术研究[D]. 王维康.上海交通大学 2015
[4]光纤光栅传感OFDR解调关键技术研究[D]. 邓胜强.电子科技大学 2015
[5]全光信号处理辅助的高空间分辨率OFDR技术研究[D]. 许聃.上海交通大学 2015
[6]二维应变场测量的光纤光栅传感理论与实验研究[D]. 樊鹏.武汉理工大学 2013
本文编号：3350272
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3350272.html
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