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）雷達技術(shù)，與光時域反射（OTDR）相比，其主要優(yōu)點在于具有更高的空間分辨率和探測靈敏度，因此被廣泛用于專用光纖通信網(wǎng)光纖鏈路故障監(jiān)測、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，另一部分作為探測光信號。從待檢測光纖（FUT）返回的回波信號在接收端與參考信號進行相干光混頻。拍頻信號頻

2、率對應(yīng)于待測光纖中回波的位置，利用快速傅里葉變換（FFT）獲得拍頻信號的頻譜，從而獲得待測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行計算；只能通過增大采樣點數(shù)來提高頻率精度等，增加了運算的代價和對硬件的要求。
　　在多數(shù)實際應(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雷達中常常只需獲得目標附近的高分辨頻譜，以精確測量目標的位置，而不需要提高整個頻帶的分辨率。針對這一實際應(yīng)用需要，有很多新型算法被提出以彌補傳統(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)典的選帶頻譜細化算法，能夠在預(yù)先給定的任意頻帶范圍內(nèi)進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)時的運算量與復(fù)雜度要遠超過 FFT，其實現(xiàn)代價較高，處理速度較慢。

4、>　　為了降低CZT算法的內(nèi)存開銷，并使其能夠處理大點數(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，很容易造成計算效率急劇下降，甚至超過直接使用CZT的計算量。
　　本文首先介紹了分布式傳感與測量技術(shù)，并對光頻域反射及其頻譜分析技術(shù)予以較為詳細的介紹。討論了常見的傅里葉變換、窗函數(shù)等頻譜分析方法。進一步研究了

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反映頻譜的局部細微特征，其基本思路是：第一步，通過對原始采樣數(shù)據(jù)做一次粗略的FFT分析估計出需要細化分析的頻率范圍；第二步，對SCZT算法進行參數(shù)優(yōu)化；第三步，在數(shù)據(jù)采樣的同時進行分段，并將每一分段數(shù)據(jù)送至獨立的分析運算單元。第四步，使用多核多線程技術(shù)對在每個運算單元內(nèi)進行參

6、數(shù)優(yōu)化的SCZT算法，最后，累加完成細化范圍內(nèi)高精度頻譜分析。在處理大量時序數(shù)據(jù)的頻譜分析時，F(xiàn)FT-SCZT組合算法顯著提高了計算效率。SCZT的分段特性使本方法便于實現(xiàn)頻譜分析的實時處理和并行計算，以提高效率、縮短運算時間。為了驗證FFT-SCZT組合算法的有效性，本文將它應(yīng)用于OFDR測量系統(tǒng)中，完成了待測光纖中5個級聯(lián)光纖光柵（FBG）的測量分析。實驗結(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，空間分辨率達到了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)勢體現(xiàn)在：第一，本方法可以對正在接收的數(shù)據(jù)進行實時頻譜分析；第二，在進行頻譜細化分析前，對 SCZT算法參數(shù)進行了最優(yōu)化篩選，使算法處于最優(yōu)計算狀態(tài)；第三，分段計算使大量數(shù)據(jù)能夠被一段一段地依次處理，而不是一次性完成計算，這樣就減小了內(nèi)存的占用，為頻譜并行化高速運算提供了可行的技術(shù)途徑。FFT-SCZT算法