摘 要

随着光纤光栅传感器的发展，大规模准分布式光纤光栅传感网络越来越受到人们的重视。大规模长距离的全同弱光纤光栅传感网络来说，通常采用光时域反射技术方法解调时，通常采用多次采样取平均的方法来提高信号信噪比，但该方法将会消耗大量的时间，在某些对解调速度有明确要求的实际工程应用中是不可取的。

为解决上述问题，并同时保证高信噪比，本文将Golay互补码引入光纤光栅传感网络解调中，利用互补编码序列自相关特性实现仅四次采样结果下实现信噪比提高，主要研究工作如下：

（1）针对Golay互补码列应用于光纤光栅传感网络系统时，返回光信号出现干涉问题，本文研究干涉产生的原因与解决方法，即搭建半导体光放大器与可调谐滤波器搭建环形腔来实现光源线宽展宽解决干涉问题。验证并分析Golay互补码应用到光纤光栅解调系统中，相对传统系统的解调精度和速率。

（2）搭建基于Golay互补码的光纤光栅传感网络光路系统，测试关键器件性能，完成器件选型。基于Golay互补编码算法，提出解调算法，实现在少量采样次数下，完成高精度快速的光纤光栅阵列解调。

（3）搭建实验平台，对比平均4次采样、32次采样和基于32位Golay互补脉冲序列编码脉冲方法的时域反射信号信噪比。最终完成基于Golay互补序列脉冲编码方式的光纤光栅解调系统的设计，实现了大规模光纤光栅阵列的高精度快速解调。

关键词：非相干光源；弱光纤光栅阵列；Golay互补码

Abstract

With the development of fiber Bragg grating sensors, large-scale quasi-distributed fiber Bragg grating sensor networks have attracted more and more attention. For large-scale and long-distance identical weak fiber Bragg grating sensor networks, the optical time domain reflectance (OTDR) technique is usually used to demodulate the signals. The average method of multiple sampling is usually used to improve the signal-to-noise ratio (SNR). However, this method will consume a lot of time, and it is not advisable in some practical engineering applications where the demodulation speed is clearly required.

In order to solve the above problems and ensure high signal-to-noise ratio, Gray complementary code is introduced into the demodulation of FBG sensor network, and the signal-to-noise ratio is improved by using the autocorrelation of complementary coding sequence under only four sampling results. The main research work is as follows:

(1) Aiming at the interference problem of return optical signal when Gray complementary codes are applied to fiber Bragg grating sensing network system, this paper studies the causes and solutions of interference, that is, to build a semiconductor optical amplifier and a tunable filter to build a ring cavity to realize the line broadening of light source to solve the interference problem. Verify and analyze the demodulation accuracy and rate of various complementary codes applied to FBG demodulation system compared with traditional system.

(2) The optical path system of FBG sensor network based on Gray complementary code is built to test the performance of key devices and complete the selection of devices. Based on Gray complementary coding algorithm, a demodulation algorithm is proposed to achieve high precision and fast demodulation of FBG arrays with a small number of sampling times.

(3) An experimental platform is built to compare the signal-to-noise ratio of time-domain reflected signal based on average 4 sampling, 32 sampling and 32-bit Gray complementary pulse sequence coding pulse method. Finally, the design of FBG demodulation system based on Gray Complementary Sequence Pulse Coding is completed, and the high precision and fast demodulation of large-scale FBG arrays is realized.

Key words: Incoherent light source, Weak Fiber Bragg Grating Array, Gray Complementary Code

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 光纤光栅阵列降噪方法国内外研究现状 2

1.2.2 编码脉冲降噪国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容及组织架构 3

第2章 基于编码脉冲的光纤光栅阵列解调方法研究 5

2.1 基于编码脉冲的光纤光栅阵列降噪方法分析 5

2.2 光脉冲编码方法对解调系统的影响研究 8

2.2.1 光源线宽对解调系统影响分析 8

2.2.2 光源线宽展宽方法研究与实现 9

2.3 本章小结 11

第3章 基于编码脉冲光的光纤光栅解调系统给搭建 12

3.1 基于编码脉冲光的光路系统搭建 12

3.2 解调算法分析与验证 14

3.3 本章小结 15

第4章 系统实验验证 16

4.1 长距离光纤光栅阵列验证实验 16

4.1.1基于编码光脉冲的信噪比验证实验 16

4.1.2光纤光栅阵列温度实验 18

4.2本章小结 18

第5章 总结与展望 19

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

近几年光纤光栅传感器的发展相当迅速，它是基于波长调制的一种传感器件。自研发至今，一直收到广泛关注，并在近些年间由于相关技术的瓶颈突破，得到了巨大的发展与改进。光纤光栅传感器工作过程主要是通过外界的变量作用于光纤光栅传感器，使谐振波长发生变化，从而实现调制^[1]。在光纤光栅传感器的应用中，整个传感系统的性能会有光纤光栅信号解调模块性能直接影响，因此信号的解调在光纤光栅传感器中相当重要。目前，不同的传感系统对光纤光栅阵列解调性能的要求不同，因此采用的解调方式也会不用。常见的解调方式有强度解调、相位解调和波长解调等^[3]，在不同需求的传感系统中得以应用。按照不同工作原理又可以分为干涉法、色散法、衍射法、滤波法等几类，具有不同的精确度以及系统结构简单等不同优点。随着相关技术的发展，大规模光纤光栅传感网络在实际中的应用越来越多，其相关优势越来越明显。在大规模光纤光栅传感网络中，实现高精度快速的光纤光栅阵列解调是光纤光栅应用的重要指标之一。光线光栅传感器在实际的应用中，解调的精度会直接影响整个系统的性能。因此如何更快速精确地完成光纤光栅解调是长期以来研究人员一直要探索的问题。

限制光纤光栅传感器大量实际应用的一个关键问题是传感信号降噪。由于噪声对光纤光栅传感测量精度产生干扰，从而影响光纤光栅传感性能。因此，提高光纤光栅传感网络的信噪比在相关的实际应用和研究中具有很重要的意义，提高整个系统的精确行和稳定性要通过提升系统信噪比来实现，这是实际应用的关键技术。

目前大规模传感网络随传感距离的增大，光纤光栅阵列末端存在信噪比差等问题，这将限制光纤光栅传感网络的有效复用容量与解调精度。为了实现大规模光纤光栅阵列信噪比的提高，目前研究人员大多采用采样取平均的方式来提高信噪比，然而，采用大量采样取平均的方式，将会大大降低系统的解调速度，在对速度与精度有要求的实际工程应用中，这是不可取的方法。本论文提出了一种基于非相干光源用Golay互补码的编码光纤光栅调制解调方法，实现在更少的采样次数下，提高解调效率，降低解调信噪比，最终完成了系统的搭建与实验验证。基于非相干光源的光纤光栅脉冲编码解调系统相对于传统的解调系统、解调方式在性能指标上有很大的提升，这对光纤光栅阵列解调在实际工程中的应用有着重大意义。

1.2 国内外研究现状

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）具有着一定的自身优势，得以在大量的实际工程中和相应的研究中应用。目前，FBG传感器的复合模式是长距离、大容量、准分布式全同等间距光纤光栅阵列。为了达到上述目的，FBG阵列应为弱反射率光纤光栅阵列。对于弱反射率的光纤光栅，在组建大规模光纤光栅传感网络时，会使末端信号信噪比低。光纤光栅传感技术结合了灵敏度高、传感距离长、响应速度快等优点，使用多很多场合下的轻微扰动监测。常见的应用主要有桥梁监测，大型建筑物的结构稳定性检测；一些重要场所的安防也可以应用光纤光栅，如监狱、银行外围可预先铺设光纤光栅传感系统，可以实现危险情况预警。

1.2.1 光纤光栅阵列降噪方法国内外研究现状

早期，研究人员提出利用滤波方式，来提高信号的信噪比，这样可以提高信号的精度，减小误差^[2]。另外武汉理工大学学报上有发表关于光纤光栅波长的高斯拟合曲线降噪方法^[3]。文中作者实验利用15个采样值，序列长度1001个点，数据点波长间距取2 pm,即波长分辨率为2 pm，将拟合后的曲线和原曲线进行对比，利用最小二乘法计算得到的相关指数为0.9923，说明拟合后的结果，明显降低了信噪比。

在光纤光栅传感中最早用傅里叶变换进行去噪声，来提高传输信号的质量，但是傅里叶变换分解信号的比较粗糙，无法高效率的消除光纤光栅传感信号的噪声。为避免傅里叶变换所带来的局限性，有研究者用小波变换进行去噪声处理^[4]，峰值信噪比达到了20.33 dB。小波阈值算法对信号处理的精度有明显提升，但是阈值选择极其关键，所以在实际应用中存在问题。

1.2.2 编码脉冲降噪国内外研究现状

从目前的技术发展来看，编码脉冲技术应用于光纤光栅阵列解调系统中已经有较多的研究。目前用于光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometer, OTDR)的光纤光栅阵列脉冲编码解调的主要有：Simplex码、周期伪随机码、Golay互补码以及CCPONS(Complementary Corelated Prometheus Orthonormal Sequence)码等相关技术^[5][6]。周期伪随机码序列(Periodicpseudo random Bit Sequences, PRBSs)被最早应用于OTDR的光纤光栅解调相关技术。1989年M. Nazarathy和S. A. Newton等人提出了用基于Golay码(Golay codes)的来提高OTDR的动态范围^[7]，主要利用其互补序列的相关性。2011年,电子科技大学的刘宏明的硕士论文中指出他所做的基于Golay码的嵌入式OTDR的单程动态范围达到14 dB左右^[8],在相同采样次数下，比传统单脉冲采样取平均的方式的解调精度高出近7 dB。在1993年的时候,Michael D. Jones提出将S编码(Simplex codes)用于提高OTDR的动态范围^[9]；2005年,G. Bolognini和J. Park等人将长度为63的S编码用于拉曼分布式温度传感器^[10],在测量距离为17 km,空间、温度分辨率分别分15 m/5 ℃的系统中将动态范围提高了5.8dB; 2010年,Marcelo A. Soto和Gabriele Bolognini,将S(511位)编码用于基于BOTDA的分布式温度传感器中^[11],得到了沿50km传输的单模光纤的空间分辨率为1 m,温度分辨率为2.2 °C。2010年,P. K. Sahu,和S. C. Gowre使用64位CCPONS编码^[12],在相同测试条件下(即相同的测量时间和相同的峰值功率),与传统OTDR相比动态范围有3.7 dB的改善。

关于光纤传感领域的降噪方法，研究人员借鉴了编码技术。特别在光纤散射降噪方面，光脉冲编码技术已经成熟地用于改善信噪比和动态范围。M. Nazarathy首先提出了一种新的相关技术^[13]，该技术使用具有互补自相关特性的编码序列来提高OTDR系统的性能。此外，大量研究人员人员探索了具有自相关互补性质的Simplex码, CCPON码与Golay码等编码序列，将其用于生成编码光脉冲，以改善信噪比、动态范围和空间分辨率^[14][15]。在这些互补序列中，由于Golay Code编码方式简单且解调算法易于实现^[16][17]，因而在众多的降噪系统中常使用Golay Code，本文中即采用Golay互补序列调制光脉冲来降低系统噪声。

在FBG阵列中使用编码光脉冲技术方面，已报到了许多关于不同中心波长和高反射率的FBG阵列解调相关的报道。M. M. Elgaud等人使用了256位Golay互补码实现了9dB信噪比改善^[18]，同时和传统的单脉冲多次采样取平均的方式相比，Golay互补码还将应变响应度扩展了高达30%。武汉理工大学黎威等人作者利用CDMA技术与Golay Code技术设计了具有不同中心波长FBG阵列的解调系统，仿真实验表明将CDMA技术与光纤光栅传感系统结合在一起是成功的。

目前关于长距离、弱反射率全同FBG阵列而言，报道很少。使用Golay序列的方法在光纤散射和全同弱光纤光栅阵列解调之间存在差异，在全同弱光纤光栅阵列中，当光源线宽较窄时，编码光脉冲的光纤光栅阵列响应中会存在干涉效应，这将对解调系统引入很大的干扰，进而使得解调结果错误。为了解决这个问题，需研究编码光脉冲和全同弱光纤光栅阵列的特性，解决干涉带来的影响。

1.3 本文研究内容及组织架构

本论文旨在设计一个基于Golay互补码的光纤光栅解调系统，前文针对光纤光栅解调的现状以及存在的主要问题进行了分析，针对其中的问题，提出了相应的解决方案，最终通过搭建实验平台，完成了基于系统功能性的验证。本论文共五章，将分别从相关原理介绍、系统关键部分设计、系统完整设计及分析、实验验证部分和总结几个主要部分进行构建。论文的主要内容以及结构如下：

第一章：介绍了本系统设计的目的和意义；根据相关文献，总结了光纤光栅传感器目前常见的解调方法以及脉冲编码在光纤光栅阵列解调中的应用。其中国内外现状包含常见的波长解调等方法以及多种常见的脉冲码在光纤光栅之中的应用，阐述了长久以来众多研究人员对相关技术的应用进展和实验验证。

第二章：针对本文所提出的基于Golay互补码的光纤光栅解调系统进行了关的理论分析。比较并分析了光纤光栅解调系统中基于Golay互补码的方法和传统的单脉冲多次采样取平均的方式之间的信噪比与采样耗时。验证了基于Golay互补码解调的方式具有更快的解调速度和更高的精确度。针对光源的线宽展宽系统，提出了三种线宽展宽方案：基于半导体放大器和可调谐滤波器的环形腔线宽展宽、基于混沌原理的光源线宽放大系统以及基于噪声调制的DFB激光器的光源线宽展宽系统。

第三章：设计了系统光路图，对光路的关键部分进行分析以及具体器件的选型和测试。根据搭建的光路系统，提出了相应的解调算法。完成了相关的理论推导。

第四章：搭建了完整的实验平台，进行了基于Golay互补码的光纤光栅解调实验，同传统的单脉冲多次采样取平均的方法进行比较信噪比以及相关技术指标。其次，对基于Golay互补码方式的光线光栅解调系统和传统单脉冲的OTDR解调系统进行了温度步进下的对比试验，探究温度对两者是否有较大的差异。

第五章：总结与展望。对系统设计过程中的工作进行总结，对以后的工作进行展望。

第2章 基于编码脉冲的光纤光栅阵列解调方法研究

2.1 基于编码脉冲的光纤光栅阵列降噪方法分析

在光纤光栅阵列解调系统中引入Golay互补序列，可以通过编码序列的自相关特性实现系统信噪比的提高^[19][20]。将Golay互补序列直接应用到系统中会由于存在干涉进而带来非相关信号，影响最终的解调结果。为了避免引入基于Golay互补码之后给系统带来干涉问题，要研究如何通过对光源系统进行改进，可以消除光干涉对光纤光栅解调系统带来的影响。同时，Golay互补码在光纤光栅阵列解调中的应用，要实现在相同采样次数下，可以提高系统的信噪比。

Golay互补码的定义如下：

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