基于光频域反射计的光纤分布式传感中光谱分辨率提升技术

发布时间：2019-09-15 21:04

【摘要】：为实现对飞行器结构高精度、高分辨率的健康监测,开展了对光频域反射光纤分布式传感技术的研究。介绍了瑞利散射光谱互相关分布式传感的原理,分析了传统互相关法中传感单元长度对光谱分辨率的限制因素,提出利用傅里叶插值法提高光谱分辨率的方法,并进行了实验验证。实验结果表明,采用所提方法可在长度为14.2m的单模光纤上实现传感单元长度为1cm、光谱分辨率为1.6pm的连续分布式传感。所提方法在高精度、高分辨率的短、中程健康监测领域具有广阔的应用前景。
【图文】：

原理图,原理图,传感单元

传感单元模糊了应变的真实分布，降低了定位精度。针对上述问题，，本文首先对ＯＦＤＲ光纤分布式传感原理进行了介绍，然后对提高一定传感单元长度下传感分辨率的方法进行了阐述，并通过实验进行了验证，最后对实验结果进行了分析与讨论。２基本原理２．１传感原理ＯＦＤＲ以扫频激光器为光源，在数十纳米波长范围内进行连续扫描。通过采集参考光和传感光纤反射光的干涉信号并进行快速傅里叶变换（ＦＦＴ），可以得到传感光纤的时域分布，其中包含各反射点的幅值和相位信息。图１为ＯＦＤＲ原理图。图１ＯＦＤＲ原理图Ｆｉｇ．１ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆＯＦＤＲ如图１所示，系统中采用辅助干涉仪产生采样时钟，以消除扫频的非线性影响，该方法是ＯＦＤＲ中的一种通用技术［１４］。为获得稳定的干涉信号，一般还需要采用偏振分集消除偏振衰落的影响［１５］。ＯＦＤＲ光纤分布式传感通过光纤中的背向瑞利散射实现，该散射分布可视为一个反射率较低、周期随机的连续光纤光栅［９］。不同于光纤光栅反射谱的窄带特性，光纤瑞利散射谱为宽带随机光谱，在应变、温度变化时也会产生相应的平移。通过互相关法计算传感光纤瑞利散射分布各处（传感单元）的光谱平移量，可实现应变或温度的连续分布式传感。在计算光谱平移量时，光谱分辨率δλ决定了传感分辨率，对于中心波长为１５５０ｎｍ的光源，光谱分辨率δλ与光频分辨率δｆｓ的关系可近似表示为δλ＝－１１２５δｆｓ。（１）由于光频分辨率δｆｓ与传感单元长度δＬｓ满足傅里叶变换关系，因此可以得到δｆｓ＝ｃ２ｎ０δＬｓ，（２）式中ｎ０为光纤折射率，

流程图,互相关法,傅里叶,插值

）ｅｘｐｊ２πｍｎＴＮ（）－ｊ２πｋｎＴＮ（），（６）此时，频谱右移ｍ点相当于时域信号ｆ（ｔｎ）在Ｎ点内相位线性变化了２ｍπ／Ｔ，傅里叶插值后的光谱互相关法可以反映更小的线性相位变化。当Ｔ为５０时，长度为１ｃｍ的传感单元可以正确反映２π／５０的线性相位变化，即光谱分辨率为１．６ｐｍ，而传统互相关法在相同分辨率下的传感单元长度需达到５０ｃｍ。该方法虽然增加了运算量，但在一定传感单元长度下可以显著提升光谱分辨率。图２为采用傅里叶插值后的互相关法流程图，它与传统互相关法的区别在于：在时域加窗与ＩＦＦＴ间加入了补零操作。图２采用傅里叶插值的ＯＦＤＲ互相关法流程图Ｆｉｇ．２ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＯＦＤＲｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈＦｏｕｒｉｅｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ３实验结果与分析扫频激光器的扫频速度为１００ｎｍ·ｓ－１，波长范围为１５４６～１５５４ｎｍ，辅助干涉仪两臂光纤相差５６．８ｍ。传感光纤的探测量程为１４．２ｍ，距离分辨率为０．１ｍｍ，一次扫频得到光纤量程范围内的点数为０８０６００１－３
【作者单位】：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所;
【基金】：国防预研究基金(6141B05060106)
【分类号】：TP212

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