光頻域反射的頻譜分析技術(shù)研究.pdf

1、光頻域反射（OFDR）技術(shù)源于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)技術(shù)，與光時(shí)域反射（OTDR）相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于具有更高的空間分辨率和探測(cè)靈敏度，因此被廣泛用于專用光纖通信網(wǎng)光纖鏈路故障監(jiān)測(cè)、高精度光纖傳感和激光三維成像等領(lǐng)域。OFDR是一種頻率分析的測(cè)量技術(shù)，采用頻率線性調(diào)制的掃頻激光為光源，光源的輸出被分成兩部分，一部分作為參考光信號(hào)，另一部分作為探測(cè)光信號(hào)。從待檢測(cè)光纖（FUT）返回的回波信號(hào)在接收端與參考信號(hào)進(jìn)行相干光混頻。拍頻信號(hào)頻

2、率對(duì)應(yīng)于待測(cè)光纖中回波的位置，利用快速傅里葉變換（FFT）獲得拍頻信號(hào)的頻譜，從而獲得待測(cè)光纖上的散射或反射分布情況。但是由于FFT固有不足，如：輸入點(diǎn)數(shù)目必須限定為2的整數(shù)次冪；在數(shù)據(jù)接收全部完成前不能進(jìn)行計(jì)算；只能通過(guò)增大采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)提高頻率精度等，增加了運(yùn)算的代價(jià)和對(duì)硬件的要求。
　　在多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，用戶只希望在某些特定的頻帶內(nèi)提高精度，而非整個(gè)頻帶。例如，在供電網(wǎng)絡(luò)的電磁諧波分析中，通常只有很少的幾個(gè)頻率成分需要加以研究，

3、并且這些分量稀疏地分布在很寬的頻帶內(nèi)。又如，在FMCW雷達(dá)中常常只需獲得目標(biāo)附近的高分辨頻譜，以精確測(cè)量目標(biāo)的位置，而不需要提高整個(gè)頻帶的分辨率。針對(duì)這一實(shí)際應(yīng)用需要，有很多新型算法被提出以彌補(bǔ)傳統(tǒng)FFT的不足，其中，代表性的是線性調(diào)頻變換（CZT），它是一種經(jīng)典的選帶頻譜細(xì)化算法，能夠在預(yù)先給定的任意頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行較高分辨率的頻譜分析。但是，這種算法在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的運(yùn)算量與復(fù)雜度要遠(yuǎn)超過(guò) FFT，其實(shí)現(xiàn)代價(jià)較高，處理速度較慢。

4、>　　為了降低CZT算法的內(nèi)存開(kāi)銷，并使其能夠處理大點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)。1990年，T.T. Wang提出分段式線性調(diào)頻變換（SCZT）的算法。然而，該算法要求細(xì)化范圍必須是提前預(yù)知的。此外，SCZT算法需要的參數(shù)較多，如不做好規(guī)劃，很容易造成計(jì)算效率急劇下降，甚至超過(guò)直接使用CZT的計(jì)算量。
　　本文首先介紹了分布式傳感與測(cè)量技術(shù)，并對(duì)光頻域反射及其頻譜分析技術(shù)予以較為詳細(xì)的介紹。討論了常見(jiàn)的傅里葉變換、窗函數(shù)等頻譜分析方法。進(jìn)一步研究了

5、若干提高OFDR頻率分辨率的方法及其仿真和分析。最后，本文提出了可以在大頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精確頻率分析的FFT-SCZT組合算法。FFT-SCZT組合算法可用較少頻率點(diǎn)反映頻譜的局部細(xì)微特征，其基本思路是：第一步，通過(guò)對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)做一次粗略的FFT分析估計(jì)出需要細(xì)化分析的頻率范圍；第二步，對(duì)SCZT算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；第三步，在數(shù)據(jù)采樣的同時(shí)進(jìn)行分段，并將每一分段數(shù)據(jù)送至獨(dú)立的分析運(yùn)算單元。第四步，使用多核多線程技術(shù)對(duì)在每個(gè)運(yùn)算單元內(nèi)進(jìn)行參

6、數(shù)優(yōu)化的SCZT算法，最后，累加完成細(xì)化范圍內(nèi)高精度頻譜分析。在處理大量時(shí)序數(shù)據(jù)的頻譜分析時(shí)，F(xiàn)FT-SCZT組合算法顯著提高了計(jì)算效率。SCZT的分段特性使本方法便于實(shí)現(xiàn)頻譜分析的實(shí)時(shí)處理和并行計(jì)算，以提高效率、縮短運(yùn)算時(shí)間。為了驗(yàn)證FFT-SCZT組合算法的有效性，本文將它應(yīng)用于OFDR測(cè)量系統(tǒng)中，完成了待測(cè)光纖中5個(gè)級(jí)聯(lián)光纖光柵（FBG）的測(cè)量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用本論文提出的FFT-SCZT算法，僅需2秒，即可完成所有FBG的

7、檢測(cè)，空間分辨率達(dá)到了2 mm，處理速度較CZT提高了大約4倍，較FFT提高了~30%。
　　FFT-SCZT組合算法的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：第一，本方法可以對(duì)正在接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析；第二，在進(jìn)行頻譜細(xì)化分析前，對(duì) SCZT算法參數(shù)進(jìn)行了最優(yōu)化篩選，使算法處于最優(yōu)計(jì)算狀態(tài)；第三，分段計(jì)算使大量數(shù)據(jù)能夠被一段一段地依次處理，而不是一次性完成計(jì)算，這樣就減小了內(nèi)存的占用，為頻譜并行化高速運(yùn)算提供了可行的技術(shù)途徑。FFT-SCZT算法