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《干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究》篇一一、引言光纤振动传感器是现代工业安全监测和物联网应用中的重要设备之一，它通过感知外界振动信号来传递信息。
其中，干涉型光纤振动传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰等优点，在诸多领域得到广泛应用。
然而，其定位精度及解调算法的优化一直是研究的热点和难点。
本文将针对干涉型光纤振动传感器的定位精度及解调算法进行研究，为进一步提高传感器的性能提供理论依据和技术支持。
二、干涉型光纤振动传感器的工作原理及特性干涉型光纤振动传感器主要利用光干涉原理进行工作。
当光在光纤中传播时，外界振动会使得光纤发生微小形变，进而导致光程差的改变，产生干涉现象。
通过检测这种干涉信号，可以实现对振动信息的感知和传输。
干涉型光纤振动传感器具有高灵敏度、抗电磁干扰、长距离传输等优点，但同时也存在定位精度受多种因素影响的问题。
三、定位精度影响因素分析干涉型光纤振动传感器的定位精度受多种因素影响，主要包括以下几个方面：1. 光纤形变的不均匀性：由于外界振动作用在光纤上，使得光纤发生形变，而形变的不均匀性会导致干涉信号的失真，从而影响定位精度。
2. 噪声干扰：在实际应用中，传感器会受到各种噪声的干扰，如光子噪声、电子噪声等，这些噪声会降低信号的信噪比，进而影响定位精度。
3. 传感器参数设置：传感器的参数设置也会对定位精度产生影响，如光源的功率、波长等参数的设置都会影响传感器的性能。
四、解调算法研究为了提高干涉型光纤振动传感器的定位精度，需要研究有效的解调算法。
常见的解调算法包括：频谱分析法、时域分析法、小波变换法等。
本文将重点研究时域分析法和频谱分析法在提高定位精度方面的应用。
1. 时域分析法：时域分析法通过分析干涉信号的时域特征来提取振动信息。
针对光纤形变的不均匀性，可以采用基于高阶差分法的算法来消除形变的影响。
此外，通过设置合理的阈值和滤波器来减小噪声的干扰，提高信号的信噪比，从而提高定位精度。
基于干涉原理和光纤布拉格光栅的复合参数光纤传感器一、本文概述随着科技的飞速发展，光纤传感器技术以其独特的优势在多个领域得到了广泛应用。
其中，基于干涉原理和光纤布拉格光栅的复合参数光纤传感器，作为一种高精度、高灵敏度的测量工具，正逐渐成为研究热点。
本文旨在深入探讨这种传感器的原理、设计、制造及其在实际应用中的性能表现。
文章首先将对干涉原理和光纤布拉格光栅的基本理论进行介绍，阐述它们如何被应用于光纤传感器的设计中。
随后，将详细介绍复合参数光纤传感器的结构和工作原理，包括其如何实现多参数的测量以及测量过程中的关键技术问题。
接着，文章将重点分析复合参数光纤传感器的性能特点，如灵敏度、分辨率、测量范围等，并通过实验数据验证其在实际应用中的准确性和可靠性。
还将探讨传感器在不同环境条件下的稳定性和适应性，以及其在不同领域的应用前景。
文章将总结复合参数光纤传感器的技术优势，分析当前研究中存在的问题和挑战，并对未来的研究方向和应用前景进行展望。
通过本文的阐述，读者可以对基于干涉原理和光纤布拉格光栅的复合参数光纤传感器有一个全面而深入的了解，为其在实际应用中的推广和优化提供理论支持和实践指导。
二、干涉原理和光纤布拉格光栅的基本理论干涉原理是光学中的一个基本概念，描述的是当两束或多束相干光波在空间相遇时，它们的光强分布将发生特定的变化，形成明暗相间的干涉条纹。
这种干涉现象的产生，源于光波在传播过程中存在的相位差和振幅差。
在光纤传感器中，干涉原理的应用主要依赖于光纤中光波的传播特性，通过特定的结构设计和光路布置，使得不同路径上的光波产生干涉，从而实现对外部物理量的测量。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）则是一种基于光纤的光学元件，通过在光纤中引入周期性的折射率变化，使得特定波长的光波在光纤中产生反射。
这种反射光波的波长与光纤光栅的周期和折射率变化幅度有关，因此，当外部物理量（如温度、压力等）引起光纤光栅的折射率或周期变化时，反射光波的波长也会发生相应的变化。
干涉型光纤传感器的信号处理系统近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。
在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。
干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。
此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。
该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。
研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。
本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。
传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。
当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。
干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。
信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。
通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。
在合理设置采样率的基础上，可以实现ｌＯＯＭ的定位误差。
采用ＤＳＰ和ＰＣ机合理分配运算负担，可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。
第一章绪论１．１引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。
近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。
与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势：首先，光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。
《干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究》篇一摘要：本文针对干涉型光纤振动传感器（Interferometric Fiber-optic Vibration Sensor，IFVS）的定位精度及解调算法进行了深入研究。
通过分析IFVS的原理和特性，探讨了影响定位精度的主要因素，并对现有解调算法进行了优化。
通过实验验证了改进算法的有效性和可行性，为IFVS在振动监测和定位领域的应用提供了理论依据和技术支持。
一、引言随着光纤传感技术的不断发展，干涉型光纤振动传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰等优点，在安防、机械故障诊断、地质灾害监测等领域得到了广泛应用。
然而，传感器的定位精度及解调算法是影响其应用效果的关键因素。
因此，研究IFVS的定位精度及解调算法具有重要的理论和实践意义。
二、干涉型光纤振动传感器原理及特性IFVS通过测量光在光纤中传播时的相位变化来感知外界振动。
其基本原理是利用光干涉现象，将光分为两束或多束，分别传输至不同位置后再次相遇产生干涉。
当外界振动作用于传感器时，会引起光程差的变化，进而导致干涉信号的相位变化，从而实现对振动的检测和定位。
三、影响定位精度的主要因素IFVS的定位精度受多种因素影响，包括光源稳定性、光纤传输损耗、环境噪声等。
其中，解调算法的准确性直接决定了定位精度的优劣。
传统的解调算法在处理复杂信号时往往存在一定误差，无法满足高精度要求。
四、解调算法优化研究针对传统解调算法的不足，本文提出了一种基于小波变换和自适应阈值的解调算法。
该算法能够有效地提取出干涉信号中的有用信息，抑制噪声干扰，提高解调精度。
同时，通过自适应阈值设置，实现了对不同强度信号的自动识别和处理，提高了算法的适应性和鲁棒性。
五、实验验证与分析为了验证改进算法的有效性和可行性，我们进行了大量实验。
实验结果表明，经过优化的解调算法在处理复杂信号时具有更高的精度和稳定性。
同时，通过对不同位置、不同强度的振动信号进行测试，验证了IFVS在振动监测和定位方面的优越性能。
1. 了解光纤干涉传感的基本原理和实验方法。
2. 掌握光纤干涉传感器的构造及其在测量中的应用。
3. 通过实验验证光纤干涉传感器的测量精度和可靠性。
二、实验原理光纤干涉传感器是基于光干涉原理的一种新型传感器。
当两束光波在空间相遇时，如果它们的相位差为零或整数倍的2π，则两束光波相互加强，形成亮条纹；如果相位差为奇数倍的π，则两束光波相互抵消，形成暗条纹。
通过测量干涉条纹的变化，可以实现对被测物理量的精确测量。
光纤干涉传感器通常采用迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪等光学原理。
本实验采用迈克尔逊干涉仪，其基本原理如下：1. 激光器产生一束连续激光，经扩束镜后变为平行光束。
2. 平行光束经分束器分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。
3. 测量光经光纤传输到达被测物体，反射后返回光纤。
4. 参考光和测量光在光纤端面发生干涉，形成干涉条纹。
5. 干涉条纹通过光纤传输，经光电探测器接收并转换为电信号。
6. 电信号经处理后，可得到被测物理量的信息。
三、实验仪器与设备1. 激光器2. 扩束镜3. 分束器4. 光纤传感器5. 光电探测器6. 数据采集系统7. 计算机1. 将激光器、扩束镜、分束器、光纤传感器、光电探测器和数据采集系统连接成实验电路。
2. 打开数据采集系统，设置采集参数。
3. 启动激光器，调节扩束镜和分束器，使激光束通过光纤传感器。
4. 测量参考光和测量光的强度，记录数据。
5. 改变被测物理量，观察干涉条纹的变化，记录数据。
6. 对采集到的数据进行处理，得到被测物理量的信息。
五、实验结果与分析1. 当被测物理量改变时，干涉条纹发生相应的变化。
根据干涉条纹的变化规律，可以计算出被测物理量的变化量。
2. 通过实验验证，光纤干涉传感器的测量精度较高，可满足实际应用需求。
3. 分析实验数据，探讨影响光纤干涉传感器测量精度的因素，并提出改进措施。
六、实验总结1. 本实验成功实现了光纤干涉传感器的测量，验证了其测量精度和可靠性。
太原理工大学博士研究生学位论文干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究摘要分布式光纤传感具有本征安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、可大范围连续监测等优势，近年来得到了国内外的广泛关注。
振动传感作为分布式光纤传感领域中主要的研究方向之一，在民用设施周界安防、油气管道安全监测、桥梁结构健康监测、军事基地入侵预警等领域具有广阔的应用前景。
干涉型光纤振动传感技术包括前向传输光干涉型和后向散射光干涉型两类。
基于前向传输光干涉型光纤振动传感器，如萨格纳克（Sagnac）干涉仪和马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉仪，是将被测的振动信号转换为光纤中前向传输光的相位变化，再通过干涉将相位变化转换成光强变化。
它结构相对简单、响应速度快，但振动定位精度较低。
而后向散射光干涉型光纤振动传感器，如相位敏感光时域反射仪（phase-sensitive optical time domain reflectometer，Φ-OTDR），是利用高相干光脉冲在光纤中传输时产生的后向瑞利散射光的干涉效应，通过建立后向散射光信号与时间的关系获得振动位置信息，其定位精度高，但存在振动信号解调复杂以及实时性不高等问题。
本文围绕干涉型光纤振动传感器的定位精度及解调算法开展研究，主要内容包括：（1）研究了基于混沌光源的Sagnac高精度振动定位系统，利用外腔反馈半导体混沌激光器作为系统光源，再结合振动频谱中的高阶零频点进行定位。
实验了在12.101 km长的传感光纤上22 m的振动定位误差。
太原理工大学博士研究生学位论文（2）研究了基于计数脉冲方法的Mach-Zehnder高精度振动定位系统，将调制后的周期性脉冲序列后注入到干涉结构中，通过分析干涉脉冲序列包络特征定位振动发生的位置。
实验结果表明，当脉冲宽度为20 ns时，在总长940 m的传感光纤长度上，振动定位误差为9 m。
（3）研究了基于包络正交解调算法的Φ-OTDR振动相对振幅表征方法。
干涉法研究光纤温度传感器特性摘要：采用光纤双光束干涉的方法研究并测量了其干涉条纹随温度的变化情况。
实验结果表明,测量方法简便可行,易于实现，实验现象明显。
关键词：光纤折射率，温度，干涉THE STUDY OF CHRACTERISTICS OF OPTICAL FIBERTEMPERATURE SENSORAbstract：Adopting the method of interference of two light beams, the change of the interferometric fringes with temperature is measured. The experimentalresults show that the method is simple and easy to achieve. The phenomenonis evident.Keywords：optical fiber，temperature，interference1引言光纤折射率不仅是波长的函数,而且与光纤的环境温度密切相关。
光纤折射率是光纤设计与制作的重要参数之一，也是商用化光纤产品的特性参数。
光纤折射率的温度相关特性对于光纤光缆设计、光纤传感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。
[1]光通过在光纤内部的传输，受到外界因素（如温度等）的影响，光波的振幅、光强、香味、偏振态等会发生变化。
所以，如果测出这些光的参量随外界因素的变化规律便可利用光纤实现各种传导功能。
2原理和仪器用激光器照射两根紧贴放置的形状一样的光纤的一端，由于激光相干性极高，在另一端能观察到明显的干涉条纹，通过改变其中一根光纤的局部温度，导致光纤内部折射率改变，从而光程发生变化，反映在干涉条纹上，即能观察到干涉条纹移动，记录条纹移动级数N，进而求的折射率改变，调节温度，得到该光纤折射率随温度变化关系。
其实验仪器如下图所示：图1 干涉法测光纤折射率的温度特性装置图令通过加热器的光相位为ϕ，波长为λ，加热器中光纤的长度为L ，光纤折射率为n ，则有2nL πϕλ∆=当温度改变导致光纤折射率和长度改变时()()()22n n L L nL n L L n ππϕλλ∆=+∆+∆-≈∆+∆⎡⎤⎣⎦ 考虑受温度影响，上式化为2n n L L T T L T ϕπλ∆∆∆⎛⎫=+ ⎪∆∆∆⎝⎭对于石英玻璃光纤 1.46n ≈，5110o n T C -∆∆=⨯, 线膨胀系数 7510o L L T C -∆∙∆=⨯， 试验用氦氖激光器波长约630nm ，带入即可得()217.02o N rad m C L T L Tϕππ∆∆==⨯∙∆∆ 即单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。
Research on Lower Coherence Interferometer andcorresponding optic fiber sensorCheng-yu Hong Jian-hua YinDepartment of Urban and Civil Engineering Department of Civil and Structural Engineering Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology Hong Kong Polytechnic UniversityShenzhen, P. R. China, 518055 Hong Kong. P. R. ChinaE-mail：joeyhcy@ E-mail：cejhyin@.hkYou-hua Fan Chao WangDepartment of Urban and Civil EngineeringShenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology Bookham companyShenzhen, P. R. China, 518055 Shenzhen, P. R. China, 518055E-mail：yhfan@ E-mail：wangchao_prc@AbstractApplying lower coherence interferometer executes scan of optic fiber sensor under different environmental state. Factors influence accuracy of results can be obtained through comparison between above tests, which are shown in details in this paper. Repeating test of optic fibers is completed as a part of calibration, an accuracy of 4um can be achieved as well. Data acquisition and data analysis are accomplished by the software of Labview. Installing reference point on signal arm to eliminate the deviation of initial scan time and reduce the error of lower coherence system.Keywords：optic fiber sensor，repeating test，Labview，reference point1. IntroductionLower coherence interferometer is widely used in civil engineering area[1], and its principal is similar to Mach–Zehnder interferometer [2], meanwhile, the strain sensing array has been produced [2]. New apparatus is produced according to Michelson interference principal as is shown in Figure 1. Wide spectrum light split into signal arm from laser source, generate signal R1 and R2 by the sensors with different reflectivity along signal arm, as is shown in Figure 1. An optical path difference b generated. Signal R1 and R2 reflected passes through the 2×2 coupler with power ratio 50: 50, divided into two branches, one is to the reference arm, and the other is to the mirror. R1 and R2 will be reflected both by reference arm and mirror on the electromotor, split into coupler again to achieve PIN[3].Interference willFigure 1: Working principal of optic fiber sensor based on Michelson white light interferometerbe generated as soon as light path differences satisfy equation 2-1:T c 0102n L n L L +−≤[4] (2-1)0n is the refractive index, c L is the lowest length of interference. Position of the highest peak, whichlocates in the center of the interference peak, corresponds to the exact optical path matching of these two arms. That is T 0102n L n L +=[5]. Light path difference between two arms will change along with scan continuing.Light power output satisfies the following equation:{}I R P +P (t)-(t)]ref dut ref dut φφ=[6](2-2)As is shown in equation 2-2, I is power of interference signal finally. R is responsibility of diode; P ref is power of reference light reflected, P dut is the power of the light reflected by mirror, (t)ref φ is phaseof reference light reflected, (t)dut φis phase of light reflected by mirror.Speed of electromotor is invariable; meanwhile interval of peaks generated can be recorded by computer, thus changing in displacement of the section can be detected through the product of interval and electromotor speed.2. Repeating TestScanning is carried out on fibers under different environmental conditions: first one is encapsulated in aluminum slot with epoxy[2] as is shown in figure 2, material for encapsulation is epoxy; the other one sticks to desk directly with adhesive tape, no force applied on both of these two conditions.Figure 2: Fiber encapsulating into aluminum slotBased on the working principal of lower coherence Michelson interferometer, calibration test is carried out in lab. Continue scanning on the same fiber under no force; and execute data acquisition by Labview software. Comparison work can be carried out in this way. Keep repeating scan for five times on a fiber with five sensors which have no encapsulation, therefore, three differences of distance between twoFiber encapsulated with epoxy in aluminum slotOptic Fiberadjacent sensors can be obtained, as is shown in figure 3 to 5 , fiber isn’t encapsulated in aluminum slot: According to three scan results in figure3-5, maximum value can be obtained separately from above results. They are 7.3709mm , 6.0436mm , and 8.7050mm , which tell the difference of adjacent section on fiber. Meanwhile minimum value can be obtained through figure1-3: 7.3600mm , 6.0277mm , and 8.6815mm . Therefore, differences can be reached through calculation.Figure 3: First section of scan result Figure 4: Second section of scan resultFigure 5: Third section of scan result Figure 6: First section of encapsulate fiberFigure 7: Second section of encapsulate fiber Figure 8: Third section of encapsulate fiberMaximum differences are 9.1um , 15.9um and 13.5um separately. Scan result should be stable as neither force nor displacement applied. Scan test is continuing as soon as fiber is encapsulated in aluminum slot, corresponding results are shown in figure 4-6. Scan test is carried out for eight times on the same fibersensor, maximum values of repeating tests are 17.0654mm, 9.4818mm, and 17.5488mm. The corresponding minimum values are 17.0610mm, 9.4769mm, and 17.5419mm. It is evidently that the differences reduced a lot as environmental influence reduced to minimum. Effect of epoxy increases accuracy to higher level. The maximum gap between maximum and minimum is 6.9um, the average of these data is right the average of maximum and minimum. Accuracy is less than 4um if average value is taken as the final result.It is apparently that environmental influence is the main reason that higher accuracy can’t be reached through scanning on fibers without encapsulation. Therefore, more attention should be paid on environmental influence when carrying out fiber scanning.3. Improvement on interferometer systemElectromotor as a part of lower coherence system is significant to the result accuracy, the initial time of electromotor may vary from time to time, and following scan results can be obtained if difference of initial time exists according to figure 9: the update way to improve accuracy is installing sensor “a” on signal arm as is shown in figure.1, following results can be obtained in figure 10, scan result should be shown in figure 10 theoretically if the reference point “a” installed on signal arm. After improvement, the result is irrelevant to the start time deviation, which could be as accurate as the value from peak-to-peak calculation.Fig.9 Start time variety of scan Fig.10 Final result after improving4. Discussion on electromotor of low coherence interferometerApplying electromotor in lower coherence interferometer system will be one of the error sources as speed of electromotor may not be as stable as we believe. Labview software is the data acquisition and analysis software. Corresponding relationship between length of stage T and sensor length b in figure 1 is adopted to investigate length difference of adjacent sensors [6]. The product of scan speed and interval that adjacent peaks appear is b in figure 1. Unstable speed of electromotor maybe caused by electromotor and changing in friction of scan stage, therefore it should be noticed that keeping the scan stage T clean in figure 1 and maintain good quality of electromotor is the crucial section to get high accuracy result.5. ConclusionsComparison between fibers with and without encapsulation shows following conclusions:1 Environmental factor is the main reason that higher accuracy result of scan can’t be reached from thetwice repeating scan tests. Error decreases from more than 10 micro strains without encapsulation to less than 4 micro strains with encapsulation with epoxy.2 Adoption of reference point can reduce the deviation in initial time of electromotor, which will decreasethe fluctuation of interferential peaks as is shown in figure 9 and figure 10.3 Speed of the electromotor is another factor that influences accuracy of scan result, which should be stableall the time, meanwhile maintains cleanness of scan stage is also important.References[1] D.Inaudi, A.Elamari, L.Pflug, N. Gisin, J. Breguet, S. Vrupillot. (1994) Low-coherence deformation sensors for themonitoring of civil-engineering structures, Sensors and Actuators A 44 pp. 125-130[2] Qingbin Li, Libo Yuan, Chongjie Liu, Yuxin Jie, Guangxin Li, (2007) Twin multiplexing strain sensing array basedon a low-coherence fiber optic Mach–Zehnder interferometer, Sensors and Actuators. A 135 pp. 152–155[3] Yang Zhao, Farhad Ansari. 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