基于FFTW算法的M-Z周界防护系统

采用FFTW(西方快速傅里叶变换)算法实现了两路接收信号的快速互相关计算,提高了M-Z(马赫-曾德)周界防护系统定位的实时性。搭建了M-Z周界防护实验装置,在6km光缆上进行了振动信号定位测试。在20 MHz采样率条件下实现了21m的定位精度,定位计算时间小于0.5s。实验结果表明,此算法与传统FFT(快速傅里叶变换)算法相比,计算速度显著提高。     

马赫-曾德尔干涉仪的定位技术研究

为了研究不同线宽的激光光源对马赫-曾德尔光纤干涉仪定位精度的影响，采用互相关定位算法原理搭建了一套扰动定位系统。采用3kHz和1MHz的半导体激光器作为系统输出光源，并对其进行多次的定点扰动，将得到的实验数据根据互相关原理做计算，并与理论推导结果进行了对比分析。结果表明，在时间域采样速率都为100MHz的情况下，系统采用3kHz的激光器时，平均定位误差为34.4m，远小于采用1MHz光源下225.4m的定位误差；在干涉仪信号臂中接入3m单模光纤，使信号臂长度和参考臂长度基本相同，可以很大程度上抑制了系统的共模噪声；窄线宽激光器可以提高系统的定位精度。该研究对于干涉仪激光器的选取、系统性能参量的评估是有积极意义的。     

布里渊谱信号的提升方法研究

在布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)光纤传感系统中,自发布里渊后向散射信号非常微弱,尤其是光纤远端的布里渊散射信号,信噪比非常差,分析难度非常高。提出了一种基于互相关理论的布里渊谱信号质量提升方法,通过与理想布里渊散射谱进行互相关运算,降低了对光纤远端极微弱布里渊散射信号应变分析的难度。经试验验证,该方法可以有效提升信噪比较差时应变分布数据的信号质量以及BOTDR的应变传感精度。     

三元阵被动定位中时延差估计算法研究

为了提高三元阵被动定位精度,该文对互谱法时延差估计进行了研究改进。改进算法解决了单独采用互谱法进行时延差估计存在的相位模糊问题,增强了互谱法在实际应用的鲁棒性。该算法所得时延差由周期值和修正值构成;时延差周期值是通过对阵元间互谱信号进行时延补偿所得,时延差修正值是采用最小二乘法对补偿后互谱信号拟合所得。理论分析和实验结果表明:采样率为103 Hz时的时延差估计精度可以达到10-6 s,该方法具有很强的实用性。能有效提高三元阵被动定位精度。     

基于互相关运算的扫频光学相干层析成像延时校正算法

提出了一种扫频光学相干层析成像k-clock延时校正算法,该算法基于互相关运算,能够有效校正光源自带k-clock信号的延时。由于扫频光源的不稳定性、同步触发硬件的精度不足以及外界环境影响,扫频光源自带的kclock信号在重采样干涉信号时很可能与干涉信号之间有一个不确定的延时,导致系统分辨率下降。通过实验获得一个标准k-clock信号,然后利用互相关运算计算出需要校正的k-clock信号的延时。由计算出的延时,将kclock信号进行左右移动从而对其进行校正,再利用三次样条插值获得波数域等间隔的干涉信号。实验结果表明,该算法平均运行时间为0.18s,能够将系统分辨率提高18.2%,改善系统性能。     

长距离双M-Z干涉型振动传感器实时定位算法研究

提出了一种基于离散小波预处理的长距离双Mach-Zehnder(M-Z)干涉型振动传感器实时定位算法。在进行互相关时延估计前,首先利用离散小波分解寻找振动起始点,并提取出有效数据域,在显著提高运算速度的同时,有效降低了各类相干噪声和干扰引入的定位误差。利用总长30.498km的普通室外光缆进行了现场实验,结果表明,算法在2MHz采样率情况下达到了50m的定位精度,定位时间不超过1s。     

无小角度近似的光纤电压互感器信号处理算法研究

阐述了光纤电压互感器的基本原理,并给出了检测信号的解析表达式。对光纤电压互感器的基本原理进行了理论分析,分析了常用算法中进行小角度近似所引起的检测误差。提出了无小角度近似的检测算法,利用贝塞尔函数将检测信号进行展开并结合正交矢量互相关检测方法得出有效信号的幅值、相位。在Matlab/Simulink中完成了系统仿真模型的设计,进行了仿真分析,并对输入噪声的影响进行了分析。仿真结果表明,该相关检测方法能很好的区分系统的噪声信号和所探测的光信号,整个系统具有良好的可行性。     

环境温度对单模光纤中光信号传输延时的影响

分析了单模光纤中光信号传输延时随环境温度变化的原因,通过实验方法研究了单模光纤中光信号传输延时和环境温度变化的数值关系,给出了温度漂移系数的取值区间.     

双M-Z型光纤微振动传感器光波随机偏振分析

对应用于分布式微振动传感的双M-Z型光纤传感器进行偏振分析,阐明光波偏振态随机变化导致时间差振动定位方法失效的原因。分析表明,光波偏振态随机变化引起两干涉输出的幅值波动,同时在两干涉输出间引入取值范围是-π~π的相位差,可使双M-Z型光纤传感器处于两个不同的工作点,造成同一相位调制产生两个不相关的干涉输出,导致基于信号相关的时间差振动定位方法失效。光路实验验证了理论分析的结果。     

基于MZ干涉仪的光纤法珀传感器解调方法

该文研究了一种基于马赫曾德尔干涉仪(MZI)结构的光纤法珀(FP)传感器扫描式互相关解调方法。解调系统中的光源采用C+L波段放大自发辐射(ASE)宽带光源,用于匹配FP腔的MZI采用可调光纤延时线与压电陶瓷(PZT)式光纤相位调制器等集成光学器件构成,解调系统整体实现相对简便。实验中搭建的MZI,其臂长差在16.8 cm范围内连续可调,并可在15 μm范围实现重复扫描,扫描速度达到50 Hz。理论仿真分析及实验验证表明,该套解调系统可以实现对FP传感器的信号解调。     

M-Z干涉仪型光纤分布式扰动传感系统模式识别方法

针对M-Z干涉仪型光纤分布式扰动传感系统输出信号短时频率随外界扰动变化的特征,提出了基于短时频率-时间特性的模式识别算法。采用提取短时过电平率来描述传感信号的短时平均频率-时间特性,并将提取出来的时频特性分段后建立相应的特征元素模型,通过动态规划算法（DTW）筛选出最优特征元素模型,将信号所有最优模型的参数作为信号特征输入到人工神经网络（ANN）进行学习和判决,降低了ANN的训练难度以及对时间的敏感性,提高了系统的环境适应能力。实验结果表明:该方法可以有效区分瞬时作用、长时作用、径向作用和不规则作用等多种不同扰动事件,平均识别速度在0.26 s之内,平均识别准确度在97%以上。     

用于BOTDR的双通道可调M-Z干涉仪研究

针对BOTDR分布式光纤传感技术中背向散射光中布里渊散射信号光的分离提取问题,设计了一种高消光比双通道可调M-Z干涉仪,该干涉仪由两个3 dB耦合器、电动光纤延迟线、偏振控制器及光隔离器构成。使用C波段宽带光源(ASE)对M-Z干涉仪性能进行了检测。并将脉宽为100 ns,重复频率为20 kHz的脉冲光入射到长度为5 km的普通单模光纤中,将其产生的背向散射光经过M-Z干涉仪滤波后,通过光谱仪检测其输出的光谱信号。实验结果表明该干涉仪能够实现大范围高精度可调节滤波功能,对瑞利散射光的抑制超过20 dB,可以有效地将背向散射光中的布里渊散射光信号分离提取出来。     

双波长补偿光纤M-Z干涉仪偏置相位漂移

为克服原补偿方法在某些相位点的失效,提出采用双波长法,并进行了实验验证。实验中,固定一个波长,调整另一波长直至两波长达到特定间隔,此时在任意的偏置相位下均能获得没有衰落的补偿后的信号。实验结果表明,这种新的双波长补偿方法可以适合干涉仪偏置相位任意变化的情况,可有效地克服环境温度变化等因素引起干涉仪输出信号的衰落。     

Bragg光纤光栅构成的合成光源进行位移测量的研究

给出了一种基于布喇格光纤光栅技术进行位移测量的方法.合成光源由宽带光源经不同的布喇格光栅而得到,波长稳定性由温度稳定器进行控制.合成光源的波长要比常规光源的波长长,所以允许的光程差测量范围提高了几百倍.布喇格光纤光栅的波长准确性提高了干涉仪的测量准确性.此外,本文还利用了光外差法马赫-曾德干涉仪精密测量位移变化.     

基于XPM的锁相光纤光栅传感器解调系统

将XPM技术首次应用于光纤光栅传感器解调系统.在采用干涉解调的基础上依据XPM原理,采用反馈控制的方式改变辅助光强度,应用锁相方法调制M Z干涉仪信号光相位,使系统相位差始终锁定在灵敏度最高的位置.解决了干涉法解调精度非线性的问题;解决了只能在很小范围解调的问题;避免了背景光和解调电路暗电流对测量结果的影响和使用PZT调谐引入的迟滞效应和机械装置带来的误差.该系统温度测量精度可达0.1 ℃,不确定度为±0.3 ℃.     

相关峰插值的二次相关锐化时延估计方法

时延估计作为一种目标定位技术广泛应用于各种领域,而其估计精度却会受到各种因素的影响,使得定位的准确度受限。因此,本文主要针对采样率受限和噪声影响等问题,提出了一种高精度的时延估计方法。它以相关峰精确插值法为基础,利用二次相关和希尔伯特差值进行改进。仿真结果表明,该法不仅可以在已有采样率的基础上提高相关函数的分辨率,而且还具有较强的抗噪声性能和峰值检测能力。它在高信噪比环境下可以得到相当精确的时延值,在低信噪比环境下时延估计性能改善显著。因此,本文所提的算法是一种能精确进行时延估计的有效方法。      

基于马赫-曾德尔干涉仪和光纤光栅的光分插复用器

光分插复用器(OADM)是波分复用(WDM)系统中的关键器件之一。提出了一种结构新颖的基于马赫-曾德尔(M—Z)干涉仪和光纤光栅(FBG)的光分插复用器，它由两个三端口光环形器、一个光纤光栅和一个马赫-曾德尔干涉仪组成，马赫-曾德尔干涉仪起着光开关的作用。对光分插复用器的输出特性进行了实验研究，实验中调节干涉仪的臂长差，可以实现信号的上下载或直通功能，上下载时通道的隔离度大于20dB。这种结构的光分插复用器具有结构简单、体积小、价格低等优点，在波分复用技术中具有实际应用价值。     

MOEMS三分量加速度地震检波器简谐振子设计

采用惯性力与简谐振子相垂直及差动检测技术的方法,设计基于光弹效应的三分量加速度地震检波器简谐振子。对于简谐振子中的双M-Z干涉仪而言,光功率的均分和光的单模传输是实现正确检测加速度的基础。介绍了M-Z干涉仪的结构和工作原理。用波导光学模拟软件OptiBPM v9.0对双M-Z干涉仪光场传输进行仿真,得到双M-Z干涉仪的光场传输图。从仿真结果可以看出,从激光器LD发出的光经过双M-Z干涉仪后,1/4分支波导的光场峰值都达到了0.52,分光比达到了1：1：1：1,实现了光功率的均分,设计的简谐振子满足三分量加速度地震检波器实现正确检测加速度的要求。     

Novel Distributed Fiber Bragg Grating Sensing System Based on M-Z Interferometer

One of the problems in using grating sensors is how to measure a small Bragg wavelength shift accurately. Nowadays demodulation techniques are mainly based on the edge filter, tunable filter, or interferometric scanning methods. Interferometric demodulation is widely accepted as the technology which can provide the high sensitivity. An interrogation system using the interferometric scanning method is presented, in which an unbalanced fiber M-Z interferometer is used as the wavelength scanner for temperature measurement. A novel fiber Bragg grating sensor system based on M-Z interferometric demodulation technique is presented in this paper. The temperature sensitivity measured in the experiment is almost consistent with that obtained from the theoretic calculation.