光纤传感技术：基于Matlab的OFDR系统数值仿真

光纤传感技术：基于Matlab的OFDR系统数值仿真

对于OFDR光纤传感技术的原理就不再赘述，首先总结一下做OFDR系统仿真前的准备工作。

重要技术参数

1. 空间分辨率：所能区分光纤链路中的相邻事件的能力（主要由光脉冲宽度和探测器带宽决定）
2. 传感距离：激光器扫频周期（光纤最大长度限制），激光器线宽，激光器光功率，采样率（通过控制采集点的多少来控制传感距离的长度）
3. 相位噪声：激光器的初始相位变化、非线性扫频 、以及环境因素所造成的随机相位变化
4. 扫频范围与系统空间分辨率、扫频速率、光源线宽：（主要与TLS光源原始性能参数有关）

数值仿真分析

1. 窄线宽可调谐激光器/线性扫频的单纵模激光器
连续改变激光输出波长的激光器，需满足线性扫频，满足光外差探测的这两个条件。
1.1 扫频范围越大，空间分辨率越高

其中Zmax表示光纤链路长度，表示待测光纤链路背向瑞利散射的探测时间。
1.2 线宽越窄，功率越大，可实现的传感距离越长

其中Lc表示相干长度，表示激光器输出光的相干时间，当相干长度大于光线的长度时才可以使得整个系统正常工作
1.3 激光器功率，功率过小过大都会使得OFDR系统的性能急剧下降

当系统的Zmax的距离一定时，可调谐激光源的最小输出功率必须大于一定的值，否则会引起系统的非线性效应。

2. 输出光电流
参考光的光场:

加入衰减因素的反射系数:

测试光纤的光场:

拍频信号的光电流:

以上就是利用Matlab做OFDR系统数值仿真时的核心公式。

微元法数值仿真

针对第二部分所描述的OFDR系统中的核心参数做定义：

%仿真选取应用最广泛的二氧化硅材料，折射率n为1.45
c=3e+008; %%设定光的传播速度
n=1.45; %%传感光纤的折射率
r=2.6e+009;  %%光源线性扫频速率/Hz
g1=5.3e-6;  %%温度或应力改变引起的光纤局部散射系数变化
g=1e-6;  %%无扰动的瑞利散射系数在10^-6量级
Zmax=30; %%设计光纤总长度为30m
f0=100; %%设置初始频率为100Hz
a=4.6e-3;  %%功率衰减
E0=1; %%待测光纤入口处光强

选取传感光纤链路中的某一点作为瑞利背向散射信号的反射点：

tdelay=2*z*n/c; %%计算光纤中的传播时延
t=n*z/c; %%计算光开始传播到结束的时间
f=f0+r*t;  %%光信号频率
G=g*exp(-a*tdelay*c/n); %%加入衰减因素的瑞利反射系数
%%计算一个微元的拍频光电流
A(1,i)=E0.^2*(1+G+2*sqrt(G)*cos(2*pi*(f0*tdelay-r*tdelay.^2/2+r*tdelay*t+Phase1-Phase2)));

利用t与z的关系定义每一个微元点之间的间隔，楼主这里采用的是30m光纤每隔0.004m取一个微元点。同时为了仿真振动发生在OFDR系统中，则需要在微元点之间更改瑞利散射系数：

G=g*exp(-a*tdelay*c/n);

写入循环将OFDR系统产生的波形扩展到时域或者距离域上，如下所示：

在更改瑞利散射系数仿真受到外界应力作用后，如下所示：

以上就是利用微元法仿真OFDR系统的主要流程，涉及到光纤传感技术的数值仿真基本都可以参考上述利用微元法来进行仿真处理。