【摘要】：為實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)高精度、高分辨率的健康監(jiān)測(cè),開展了對(duì)光頻域反射光纖分布式傳感技術(shù)的研究。介紹了瑞利散射光譜互相關(guān)分布式傳感的原理,分析了傳統(tǒng)互相關(guān)法中傳感單元長(zhǎng)度對(duì)光譜分辨率的限制因素,提出利用傅里葉插值法提高光譜分辨率的方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用所提方法可在長(zhǎng)度為14.2m的單模光纖上實(shí)現(xiàn)傳感單元長(zhǎng)度為1cm、光譜分辨率為1.6pm的連續(xù)分布式傳感。所提方法在高精度、高分辨率的短、中程健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

傳感單元模糊了應(yīng)變的真實(shí)分布，降低了定位精度。針對(duì)上述問(wèn)題，，本文首先對(duì)ＯＦＤＲ光纖分布式傳感原理進(jìn)行了介紹，然后對(duì)提高一定傳感單元長(zhǎng)度下傳感分辨率的方法進(jìn)行了闡述，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析與討論。２基本原理２．１傳感原理ＯＦＤＲ以掃頻激光器為光源，在數(shù)十納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描。通過(guò)采集參考光和傳感光纖反射光的干涉信號(hào)并進(jìn)行快速傅里葉變換（ＦＦＴ），可以得到傳感光纖的時(shí)域分布，其中包含各反射點(diǎn)的幅值和相位信息。圖１為ＯＦＤＲ原理圖。圖１ＯＦＤＲ原理圖Ｆｉｇ．１ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆＯＦＤＲ如圖１所示，系統(tǒng)中采用輔助干涉儀產(chǎn)生采樣時(shí)鐘，以消除掃頻的非線性影響，該方法是ＯＦＤＲ中的一種通用技術(shù)［１４］。為獲得穩(wěn)定的干涉信號(hào)，一般還需要采用偏振分集消除偏振衰落的影響［１５］。ＯＦＤＲ光纖分布式傳感通過(guò)光纖中的背向瑞利散射實(shí)現(xiàn)，該散射分布可視為一個(gè)反射率較低、周期隨機(jī)的連續(xù)光纖光柵［９］。不同于光纖光柵反射譜的窄帶特性，光纖瑞利散射譜為寬帶隨機(jī)光譜，在應(yīng)變、溫度變化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的平移。通過(guò)互相關(guān)法計(jì)算傳感光纖瑞利散射分布各處（傳感單元）的光譜平移量，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或溫度的連續(xù)分布式傳感。在計(jì)算光譜平移量時(shí)，光譜分辨率δλ決定了傳感分辨率，對(duì)于中心波長(zhǎng)為１５５０ｎｍ的光源，光譜分辨率δλ與光頻分辨率δｆｓ的關(guān)系可近似表示為δλ＝－１１２５δｆｓ。（１）由于光頻分辨率δｆｓ與傳感單元長(zhǎng)度δＬｓ滿足傅里葉變換關(guān)系，因此可以得到δｆｓ＝ｃ２ｎ０δＬｓ，（２）式中ｎ０為光纖折射率，

）ｅｘｐｊ２πｍｎＴＮ（）－ｊ２πｋｎＴＮ（），（６）此時(shí)，頻譜右移ｍ點(diǎn)相當(dāng)于時(shí)域信號(hào)ｆ（ｔｎ）在Ｎ點(diǎn)內(nèi)相位線性變化了２ｍπ／Ｔ，傅里葉插值后的光譜互相關(guān)法可以反映更小的線性相位變化。當(dāng)Ｔ為５０時(shí)，長(zhǎng)度為１ｃｍ的傳感單元可以正確反映２π／５０的線性相位變化，即光譜分辨率為１．６ｐｍ，而傳統(tǒng)互相關(guān)法在相同分辨率下的傳感單元長(zhǎng)度需達(dá)到５０ｃｍ。該方法雖然增加了運(yùn)算量，但在一定傳感單元長(zhǎng)度下可以顯著提升光譜分辨率。圖２為采用傅里葉插值后的互相關(guān)法流程圖，它與傳統(tǒng)互相關(guān)法的區(qū)別在于：在時(shí)域加窗與ＩＦＦＴ間加入了補(bǔ)零操作。圖２采用傅里葉插值的ＯＦＤＲ互相關(guān)法流程圖Ｆｉｇ．２ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＯＦＤＲｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈＦｏｕｒｉｅｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ３實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析掃頻激光器的掃頻速度為１００ｎｍ·ｓ－１，波長(zhǎng)范圍為１５４６～１５５４ｎｍ，輔助干涉儀兩臂光纖相差５６．８ｍ。傳感光纖的探測(cè)量程為１４．２ｍ，距離分辨率為０．１ｍｍ，一次掃頻得到光纖量程范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)為０８０６００１－３
【作者單位】： 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所;
【基金】：國(guó)防預(yù)研究基金(6141B05060106)
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2535930