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性扫频激光, 并将线性扫频激光导入OFDR系统实现对待测光纤上温度变化的定位检测。实验结果证明, 基于光IQ调制器的OFDR系统可以准确定位待测光纤上的温度变化位置, 在1000m光纤上定位误差为0.0606m。研究表明, 基于光IQ调制的光频域反射系统可以实现中长距离的高精度温度变化定位传感。

针对传统外调制光频域反射 (OFDR)系统空间分辨率较差的问题, 提出了基于IQ调制OFDR系统的方法。分析了OFDR系统基本原理及IQ调制扫频原理, 采用IQ调制器调制稳频激光器产生线性扫频光, 建立了基于IQ调制的OFDR系统仿真模型; 通过改变局部后向散射光相位以模拟待测温度或应变变化, 并提出差分FFT解调算法实现对待测参量的快速定位检测。仿真结果表明, 模型可以准确检测与定位施加在传感光纤上的模拟待测参量, 并在传感距离为100m长的光纤上实现了0.23m的空间分辨率。研究证明, 该系统优化了空间分辨率, 降低了解调算法复杂度, 提高了参量检测准确度, 从而为光频域反射技术在短距离高空间分辨率应变、温度等参量检测方面的应用提供理论依据和测量方法。

针对长距离分布式拉曼测温系统(R-OTDR)中数据量大影响系统实时性的问题, 提出通过并行运算实现高次累加平均算法提高系统信噪比和系统实时性能的方法。采用中央处理器(CPU)与图形处理器(GPU)协同合作的方式来提高系统的数据处理速度。传感数据由CPU控制数据采集端读取, 然后使用累加平均算法对传感数据进行去噪。在统一计算设备架构(CUDA)中, 通过调用GPU上的kernel函数对累加平均算法次数进行多线程分配, 以10线程的模式进行并行运算以提高数据处理速度。实验结果表明, 在10km传感距离下, 相比于原系统30000次累加平均算法, 采用50000次累加平均算法使系统测量误差由±1.1℃降至±0.5℃, 并且采用CPU和GPU协同合作的方式使50000次累加平均算法的运算时间由3890ms降至1.472ms, 提升了系统实时性能。

针对马赫泽德干涉系统振动事件定位性能有待改进的问题, 构建了双路马赫泽德振动检测系统, 分析了时延估计振动定位原理, 提出了用于双路探测信号时延估计的广义互相关算法, 增加了信号频域分析的灵活性和可行性, 通过数字滤波减小了系统的定位误差。实验结果表明, 系统可以准确检测与定位施加在传感光纤上的方波信号、冲击信号及敲击信号, 并在传感距离为940m长的光纤上实现了小于20m的定位误差和可重复的稳定检测。从而为光纤振动传感技术在矿业与工业等领域的推广应用提供了一种新的解决思路。

设计了一种扫描激光器型光纤光栅波长解调仪, 采用滑动平均滤波方法拟合光纤布拉格光栅反射谱, 基于扫描激光器输出的同步触发信号与波长对应性, 计算得到光纤布拉格光栅反射谱的中心波长, 简化了解调过程。相比传统的宽带光源解调方法, 降低了解调的复杂度和不稳定性, 实现对布拉格波长的高精度、快速解调。实验结果表明, 解调仪对光纤布拉格光栅波长的解调稳定性可达±2pm, 温度与波长变化的线性度达到0.9984, 温度测量误差小于0.5℃,能够满足实际应用的需要。

提出了一种基于混沌激光干涉的分布式光纤声音传感系统, 利用外腔反馈式半导体混沌激光作为传感光源, 借助非等长的马赫-曾德尔双臂引入干涉光程差, 通过直线型Sagnac结构克服了环形干涉系统的互易效应, 利用频谱的零频点实现了声音信号的分布式定位。实验结果表明, 该系统可实时提取1 kHz的单音信号及200~900 Hz频率范围内的语音信号。与传统的宽带放大自发辐射激光相比, 基于混沌激光干涉的传感系统具有更好的声音频响曲线、更高的检测灵敏度以及均匀的平面指向性, 并在12 km长的单模光纤上实现了宽谱声音定位, 为分布式光纤声音传感系统提供了一种新的灵敏度提升方案。