光频域反射计(OFDR)-周潜
相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法
相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法
郑印;段发阶;涂勤昌;韦波
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2015(0)1
【摘要】在相位敏感光时域反射计识别入侵事件中,基于传统算法研究了时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相互结合的算法,并从算法的识别准确率、实时性、复杂性、定位稳定性等角度,衡量算法的优劣.实验验证发现,时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断结合的算法识别入侵事件准确率最高,达100%,且实时性满足性能要求,算法简单,定位稳定性好.该算法在不同频率下振动事件中适用性较强,可为相位敏感光时域反射计应用于安防监测领域的信号处理部分提供参考.
【总页数】6页(P79-84)
【关键词】光纤传感器;相位敏感光时域反射计;入侵监测;信号处理;识别准确率【作者】郑印;段发阶;涂勤昌;韦波
【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室;浙江中欣动力测控技术有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.14
【相关文献】
1.基于相位敏感光时域反射仪的高灵敏高频振动信号探测 [J], 王延;陈真;刘智超;刘奂奂;庞拂飞
2.基于相位敏感光时域反射计的音频激励信号解调与复现 [J], 张玉晓;陈元林;安博文;梁怡飞
3.相位敏感光时域反射仪的信号处理方法综述 [J], 田曼伶;刘东辉;曹晓敏;余贶琭
4.基于波网络的相位敏感光时域反射系统模式识别方法研究 [J], 张耀鲁;于淼;常天英;李姝凡;郑志丰;杨悦;王忠民;崔洪亮
5.基于短时傅里叶变换的光时域反射计(OTDR)事件分析 [J], 满晓晶;董毅;何浩;胡卫生
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FBG-FP阵列的高空间分辨率高精度分布式传感研究
摘要光纤传感技术以其独特的优势，成为目前智能结构健康监测技术中研究较为广泛的技术。
针对大型结构、复合材料内部裂纹、金属结构腐蚀等主要损伤类型，由于其具有隐蔽性强、结构失效机理复杂、结构破坏程度难以判断等特点，需进行超高空间分辨率、复用容量大、精度高的传感检测。
本文采用间距极小的超短弱反射的光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）构筑的光纤光栅法布里珀罗（Fiber Bragg Grating Fabry-Perot，FBG-FP）阵列搭建传感网络，基于光频域反射技术搭建传感光路，通过对解调原理、解调算法和实验验证等相关问题的研究，实现一种具有超高空间分辨率、超大容量、高精度的全分布式光纤传感新方法与新技术。
主要研究内容如下：（1）FBG-FP阵列的传感机理与复用容量研究。
以FBG的耦合模式方程为基础推导FBG-FP的光谱数学表达式，并分析其温度和应变的传感机理。
数值模拟多重反射效应和光谱阴影效应对FBG-FP传感阵列的复用极限的制约，证明降低反射率可抑制上述两种效应，并进一步提出采用光栅间隔不小于栅长和中心波长随机分布的传感阵列可分别抑制多径反射效应和光谱阴影效应，其中波长随机分布对传感没有坏的影响。
（2）FBG-FP阵列的分布式传感解调系统的研究。
提出基于光频域反射（Optical Frequency-domain Reflectometry，OFDR）技术的FBG-FP阵列的分布式解调系统。
一方面研究传感单元高空间分辨率的定位方法，通过对可调谐光源的非线性调谐效应进行补偿，在50m的传感距离内实现82μm内的超高空间分辨率；通过计算等效光频域调谐速率和可调谐光源的时间波长转换轴，提高系统的定位稳定度和波长解调精度。
另一方面研究传感单元的波长解调方法，推导FBG-FP光谱重构的数学表达式，提出FBG-FP阵列的分布式传感解调算法。
（3）裂纹尖端检测。
温度实验测试系统解调性能，实现8557个长度为400μm、间隔为440μm、反射率约为-42dB的FBG构成的超短弱反射的FBG-FP阵列传感，传感解调空间分辨率达到840μm，温度解调精度小于0.65℃。
频域反射法原理-概述说明以及解释
频域反射法原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容如下：引言部分是文章的开头，旨在给读者一个概述，介绍频域反射法的基本原理、应用领域以及本文的结构和目的。
频域反射法（Frequency Domain Reflectometry，简称FDR）是一种用于测量材料或媒介中电磁波传播特性的一种非侵入性测试方法。
通过对电磁波在材料或媒介中的反射和传播进行频谱分析，可以得到一系列有关材料性质的关键参数和特征。
本文将围绕频域反射法的基本原理、应用领域以及其优势和局限性展开探讨。
首先，在第2节中，我们将介绍频域反射法的基本原理，包括电磁波在材料中的传播和反射机制。
然后，在第3节中，我们将探讨频域反射法在不同领域的应用，包括材料科学、通信工程等。
在第4节中，我们将重点讨论频域反射法的优势和局限性，以便读者更全面地了解该方法的适用范围和局限性。
最后，在结论部分，我们将对全文进行总结，回顾我们所探讨的内容，并对频域反射法未来的发展和应用进行展望。
同时，我们也将就频域反射法的优势和局限性进行更深入的思考，以便读者对该方法有一个更清晰的认识和理解。
通过本文的阅读，读者将能够对频域反射法有一个全面的认识，了解其基本原理、应用领域和优势局限性。
我们希望本文能为读者对该方法的研究和应用提供一些启示，并促进其在相关领域的进一步发展和探索。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在向读者介绍本篇长文的组织结构和各个部分的内容概述。
文章按照以下大纲进行组织，主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的。
概述部分将简要介绍频域反射法的原理和应用，引起读者对该主题的兴趣。
文章结构部分则将阐明整篇长文的组织结构，让读者了解各个部分所涉及的内容。
目的部分将说明本文撰写的目的和意义，以引导读者对本文的重点关注。
正文部分是本篇长文的主体部分，主要分为频域反射法的基本原理、应用领域以及优势和局限性三个方面。
OFDR
光频域反射计(OFDR)是20世纪90年代以来的一个新技术，因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。
OFDR系统需要的光源应该为线性扫频窄线宽单纵模激光器，所以对光源的要求很高，这也导致了国内对OFDR研究的缺乏。
由于OFDR能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围，还是吸引了众多研究者的兴趣。
随着国内光源调频技术的日益成熟，其发展和应用前景相当广阔。
目前使用较多的是光时域反射计(OTDR)。
OTDR是通过分析后向散射光的时间差和光程差进行检测。
探测分辨率的提高依赖于探测脉冲宽度的减小，但是，在激光功率一定的条件下。
会造成探测脉冲能量的降低和噪声电平的增加，从而引起动态范围的减小。
为了解决这个问题，其他的时域反射方法也在不断地研究中。
光频域反射计结构包括线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和频谱仪(或信号处理单元)等，基于光外差探测，其原理可用下图进行分析。
以频率为中心进行线性扫频的连续光，经耦合器进入迈克尔逊干涉仪结构分成两束。
一束经反射镜返回，其光程是固定的，称为参考光，另一束则进入待测光纤。
由于光纤存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射。
其中部分后向散射光满足光纤数值孔径而朝注入端返回，称为信号光。
如果传播长度满足光的相干条件，则信号光和参考光就会在光电探测器的光敏面上发生混频。
待测光纤上任一点X处的瑞利后向散射信号所对应的光电流的频率设置为0时，频率大小则正比于散射点位置x。
只要该频率小于光电探测器的截止响应频率。
光电探测器就会输出相应频率的光电流，其幅度正比于光纤x处的后向散射系数和光功率的大小，从而得到沿待测光纤各处的散射衰减特性，同时可以通过测试频率的最大值来推导出待测光纤的长度。
空间分辨率是指测量系统能辨别待测光纤上两个相邻测量点的能力。
空间分辨率高意味着能辨别的测量点间距短，即光纤上能测量的信息点就多，更能反映整条待测光纤的特性。
在OTDR系统中分辨率受探测光脉冲宽度的限制，探测光脉冲宽度窄，则分辨率高，同时光脉冲能量变小，信噪比减小。
光频域反射仪(OFDR)在军事装备中的应用
光频域反射仪（OFDR）在军事装备中的应用摘要：随着光纤应用面的扩大，一个很重要的问题随之产生：如何在日常维护保养中对基于光纤技术的装备或系统进行有效的检测。
目前市场上比较常用的代表性技术有：基于瑞利散射的用于干线光缆故障检测的OTDR；基于布里渊散射的用于分布式应力测量的BOTDR；基于拉曼散射的用于分布式温度测量的ROTDR。
它们的优点是技术难度相对低、测量距离长（百公里级），但距离分辨率有限。
而OFDR是一种基于频域分析的后向反射测量技术，从原理上克服了OTDR在距离分辨率上的不足，可实现高距离分辨率、高灵敏度、中等距离的测量。
关键词：光频域反射仪；军事装备；应用一、应用背景概述1.1、海上军事装备的应用美国海军在80年代初就实施了开发大型新舰船用光纤区域网作为计算机数据总线的计划（AEGIS（宇斯盾）计划），他们意识到了将舰艇中的同轴电缆更换为光缆的巨大价值。
1986年初，美国海军海洋系统司令部又在此基础上成立了SAFENET（能抗毁的自适应光纤嵌入网）委员会。
并于1987年成立工作组指导制定了SAFENET－I和SAFENE-II两套标准并开发出了相应系统。
这些系统已安装在CG 47 级导弹巡洋舰、DDG 51级导弹驱逐舰、“乔治·华盛顿号”航空母舰等舰艇上。
随后实施的高速光网（HSON）原型计划，在实现了 1.7Gb／S的第一阶段目标后，美国“小石城号”军舰上的雷达数据总线传输容量就达到了1Gb／S，并使原来重量达90吨的同轴电缆被0.5吨重的单模光缆所代替。
1997年11月，美国在核动力航空母舰“杜鲁门号”（CVN75）上采用气送光纤技术完成了光纤敷设。
后来又成功地在“企业号”（CVN 65）上进行了敷设。
还计划在“里根号”（CVN 76）、“尼米兹号”（CVN68）及“USSWasp”号（LHD－1）上用气送光纤技术敷设光纤系统。
其中“杜鲁门号”上所用光纤达67.58kM。
高频相位激光测距系统的高精度鉴相
第 31 卷第 15 期2023 年 8 月Vol.31 No.15Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高频相位激光测距系统的高精度鉴相孟语璇1，2，董登峰1，2*，周维虎1，2，纪荣祎1，2，朱志忠1，2（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。
提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。
针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。
在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。
当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。
实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。
关键词：相位测距；欠采样；全相位频谱分析法；高精度；鉴相系统中图分类号：TN249；TH711 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233115.2193High-precision phase discrimination for high-frequency phaselaser ranging systemMENG Yuxuan1，2，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，JI Rongyi1，2，ZHU Zhizhong1，2（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： dongdengfeng@Abstract：Phase laser ranging is an important means of absolute ranging and an important guarantee for large-scale precision measurement. One of the most effective ways to improve the precision of phase laser ranging is to increase the laser modulation frequency and use high-performance devices to achieve high-fre⁃quency sampling analysis. However， the maximum sampling frequency of high-performance devices is lim⁃ited. To solve the problem that existing devices have difficulty in the sampling of high modulation frequen⁃cies， the feasibility of an undersampling method for phase ranging was analyzed and verified. The advan⁃tages of all-phase fast Fourier transform （apFFT） analysis was examined to improve the precision of phase laser detection. Based on this idea， the method of undersampling and apFFT was developed， and a phase detection system for laser phase ranging was constructed. When the modulation frequency is 201 MHz and the undersampling frequency is 100 MHz，the system phase discrimination accuracy is higher than 文章编号1004-924X（2023）15-2193-10收稿日期：2023-02-13；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2020YFB1710500，No.2019YFB2006100）；国家高质量发展专项（No.TC220H05T）第 31 卷光学精密工程±0.04°， and the corresponding ranging accuracy is approximately ±0.08 mm. The experimental results show that the phase ranging method based on undersampling and apFFT has the comprehensive advantag⁃es of high accuracy and strong anti-interference ability， making it valuable for scientific research and engi⁃neering applications.Key words： phase ranging；under-sampling；all-phase fast fourier transform；high precision；phase dis⁃crimination system1 引言相位式激光测距技术具有响应快、量程大、抗干扰能力强、精度高等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等大型装备制造领域［1-6］。
高分辨率光频域反射计的发展和应用
高分辨率光频域反射计的发展和应用1引言光频域反射计(OFDR)、光时域反射计(OTDR)和光学相干域反射计(OCDR)作为精确的测量方法已被广泛应用于从工程学到医学的各个领域。
OTDR是通过分析后向反射光的时间差和光程差之间的关系来进行测量的，它的分辨率依赖于光源的脉冲宽度。
OCDR和OFDR 都是通过用宽带光源进行层析而得到非常高的分辨率的。
其中，OFDR因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。
OTDR是目前较为普遍的测量方法，但由于它的分辨率依赖于光源的脉冲宽度，因此只适合于较长距离的测量，同时它的分辨率也比OFDR的差。
比如，MW9076型OTDR在用于测量10 km左右的光纤时，所需要的脉冲宽度为l0 ns，空间分辨率为>=0.1 m。
而在2000年，KoichiroNakamura用FSF激光器作为光源，得到了分辨率为20mm、测量量程为18.5km 的OFDR系统.由此可见，OFDR技术的分辨率达到了cm量级，比OTDR的精确。
因此OFDR 技术的发展和应用前景相当广阔。
2基本原理OFDR系统(结构见图l)是基于光源扫频和光外差探测等原理建立的高分辨率测量系统。
它的分辨率和测量量程主要取决于光源的调频调制方式和光外差探测的分辨率。
下面主要介绍光源调制方式和光外差探测的原理和方法。
2.1光源的调制方式OFDR系统的光源需要一定的频率啁啾，但为了方便OFDR系统的商业化应用，大部分实验系统都是采用半导体激光器作为光源，然后再运用各种方法对光源进行频域调制的。
光源频域调制结果的好坏会直接影响整个系统的分辨率和测量范围，因此光源的调制是OFDR系统中最重要的一个环节。
图2所示为众多方法中一种较为成功的光源调制方式，该调制方式采用声光调制技术。
光源扫频后的输出特性如图3所示，其中AOM v 是声光调制的声波频率；RT τ为光子在腔内的往返时间；γ为斜率。
运用这种调制方式，能够得到较高的分辨率和较大的测量范围。
第六章光电检测电路的设计
S max /[U b (1 G / G0 ) S max / G0 ]
当
R
＝1/
L
G
L
已知时，可计算偏置电源
电压 U b为
用解析法计算输入电路
U b S max(GL G0 ) / GL (G0 G)
a) 确定线性区 b) 计算输出信号
3）计算输出电压幅度 由图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压
b) 相对探测灵敏度曲线 1-检测型Si光电二极管
2-照相用Si光电二极管 3-平面型Si光电池 4-光电三极管
5-台面型光电二极管 6-视见函数
7-CdS光敏电阻
2）探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配
根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输 及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失 的影响，可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量， 通常它们是很微弱的，探测器的选择应充分利用这些有用的信 号能量，为此要考虑：
为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电检测器 件不仅要和被测辐射源及光学系统，而且要和后续的电子系统 在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最 佳的工作状态。光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光 路进行光谱分析和能量计算的基础上，通过合理选择光路和器 件的光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。而光电 检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数， 通过正确选择和设计电路来完成。
载电阻RL的减小会增大输出信号电流 而使输出电压减小。但RL的减小会受 到最大工作电流和功耗的限制。为了
提高输出信号电压应增大RL ，但过大 的RL会使负载线越过特性曲线的转折 点M进入非线性区，而在这个范围内
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Optical Signal
3dB PMC
A
x
Local Oscillator
2
45
20MHz AOFS
A
LPF
PBS
1 PLO 1 x Ps 2
BPF 平衡接收
1 x PLO Ps
分布式光纤后向散射测量
7
OFDR 激光相位噪声建模
SI f
*《光子学报》 vol.34,No.1
14
谢
谢！
上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室 周潜
分布式光纤后向散射测量
15
光纤本征 测量技术
布 里 渊 散 射
拉 曼 散 射
分布式传感、连续测量 损耗 应力 温度 光纤
分布式光纤后向散射测量
偏振
3
OFDR应用
理想的高精度、 高灵敏度分布式测量
光频域反射计 （OFDR）
分布式光纤后向散射测量
4
OFDR 基本原理
线性扫频 驱动控制 扫频激光源
迈克尔逊干涉
待测光纤
信号处理 频谱分析
X0处反射系数
冲击响应项
X0处拍频信号分量
连续谱函数
激光相位噪声 在拍频分量附近的分布特性
幅度以回波信号延迟和 激光相干时间之比 0 c 呈指数衰减
8
分布式光纤后向散射测量
OFDR 激光相位噪声仿真(1)
0 c
0 c
0 c
Phase Noise vs. Coherent Length 延迟 小于 激光相干时间时： 拍频信号附近相位噪声很小 延迟 约等于 激光相干时间时： 相位噪声呈现在拍频信号附近 延迟 大于 激光相干时间时： 相位噪声几乎将拍频信号淹没
尾端反射强度较弱时： 前端的微弱反射点 能清晰分辨出
尾端反射强度较强时： 前端的微弱反射点 几乎无法分辨
尾端反射强度较弱时： 前端能清晰分辨出 连续的反射事件
高相干性激光源：线宽压缩技术和窄线宽激光器 减小无必要反射：低反射的终端连接器或光纤匹配液
分布式光纤后向散射测量
11
OFDR在光纤接入网中的应用
2
2 0 c
f fb
sin 2 f fb 0 2 0 c 1 e cos 2 f f b 0 f f b c
冲击响应项
混频后直流信号
参考臂 光电检测器
FMCW
瞬时光频率
fb
t
0
T
2T
分布式光纤后向散射测量
5
OFDR 系统架构
相干接收
基于Hilbert变换非线性校准算法
激光器线性扫频反馈校准
环形器
偏振分集 辅助干涉仪
待测光纤
200GH z
激光相位噪声
差分接收
双平衡 接收
窄线宽扫 频激光器
模拟信号调理 非线性 扫频校正
激光频率 控制
RI T e 2 jfT dT 2 jfT dT e
1 2 I t I t T E 0
2
激光线宽有限 （相干长度、相干时间） X0处PSD
1 R0 f 2 R 0e 1 2 c2 f fb 2 R0 c
光频域反射计(OF提
纲
分布式光纤后向散射测量技术研究背景 光频域反射计 （Optical Frequency Domain Reflectometer） 光频域反射计在光接入网络中的应用
分布式光纤后向散射测量
2
OFDR背景
瑞 利 散 射 菲 涅 尔 反 射
1. 接入网故障监测及定位：
W D M
...
FFT
分布式光纤后向散射测量
12
2. 结合接入网构建光纤传感网络
利用OFDR的高分辨率和高灵敏度，可以在现有的光 纤接入网的基础上低成本地构建光纤传感网络，避免 重建网络通道。
分布式光纤后向散射测量
13
3. OFDR/WDM复用光纤光栅传感网络*
扫频激光源
PBS
A
参考臂
LPF
x2
BPF
平衡接收 3dB PMC
45
20MHz AOFS
A
BPF
平衡接收
PBS
分布式光纤后向散射测量
10
OFDR 激光相位噪声结论
SSMF APC 1m APC 3km APC APC 1m APC 3km SSMF PC
SSMF APC 1m PC 1m APC 3km APC
FPGA DSP 数字信 号处理
ADC
控制总线
数据总线
分布式光纤后向散射测量
6
ARM 总体控制 界面处理
OFDR 相干接收
交叉干涉：交叉干涉信号混叠
外差检测
相干衰弱噪声：强度随机起伏
偏振失配：强度噪声
PBS
平衡混频接收
偏振分集接收
BPF
1 PLO xPs 2
平衡接收
xPLO Ps
Phase Noise vs. Reflectivity Factor
反射信号的增强 相位噪声影响程度和范围随之增大
分布式光纤后向散射测量
9
OFDR 激光相位噪声实验
c s c 2s
DC Bias1
c s
c
s c 2 c 3s c 2s c s c 3s
c 3s
c s
c
c
b
Input
a c
90
DC Bias2 DC Bias3
d
c 3s s c 2
Output
c s
c
线性扫频 驱动控制
c 2s c 3s
c 3s s c 2
90
DP-MZM 待测光纤 PC DC-Bias
c s