光纖布里淵矢量分布式傳感技術研究.pdf

1、光纖布里淵分布式傳感技術是一種全分布式的光纖傳感技術，能夠?qū)崿F(xiàn)對光纖沿線任意位置處溫度和應變信息的連續(xù)測量，具有測量精度高、傳感距離長和空間分辨率高等優(yōu)勢，在國家經(jīng)濟建設中有著廣泛的應用。作為光纖布里淵傳感領域一個新的研究方向，光纖布里淵矢量分布式傳感技術，將矢量信號分析技術融入到光纖布里淵傳感中，可以同時測量布里淵增益和相移，能夠大大提高系統(tǒng)的信噪比，在長距離分布式傳感和動態(tài)應變測量方面有著突出的技術優(yōu)勢，剛好契合光纖布里淵傳感近年來

2、的兩大發(fā)展趨勢，因此備受矚目。
　　本論文深入研究了光纖受激布里淵散射的增益和相移特性，分析了布里淵矢量分布式傳感的外差探測基本原理，設計適合光纖布里淵矢量分布式傳感的信號處理算法，進行了光纖布里淵特性的分布式矢量測量，開展了光纖布里淵矢量分布式傳感實驗，利用布里淵矢量分布式傳感技術，分別進行了長距離布里淵分布式傳感和動態(tài)應變測量的研究。
　　本論文的主要研究成果和創(chuàng)新點歸納如下：
　　1、在闡述受激布里淵散射的基本概

3、念和光纖布里淵矢量分布式傳感的外差探測原理及溫度、應變傳感機理的基礎上，從非線性波動方程和聲場物質(zhì)方程出發(fā)，在緩變振幅近似條件下，詳細推導了光纖中受激布里淵散射的三波耦合方程。考慮到布里淵矢量分布式傳感的實際應用情況，利用三波耦合方程，忽略泵浦消耗，建立了脈沖泵浦條件下光纖中布里淵增益和相移的積分解模型。該模型可以用于研究具有任意泵浦脈沖波形的布里淵增益和相移特性，能夠為設計脈沖波形來改善布里淵傳感性能提供理論指導。
　　2、設計

4、了適合布里淵矢量分布式傳感的信號處理算法，仿真分析了信號分析帶寬對系統(tǒng)空間分辨率的影響，得到了空間分辨率與信號分析帶寬成反比的經(jīng)驗公式，可以用于指導布里淵矢量傳感信號處理算法的設計。深入研究布里淵矢量分布式傳感的實驗系統(tǒng)，重點研究了單邊帶信號的產(chǎn)生和性能，在1.42km長的傳感光纖上成功進行布里淵矢量分布式傳感實驗。傳感系統(tǒng)的空間分辨率是1m，溫度和應變的精度分布大約是0.5?C和10με。最后進行了布里淵矢量分布式溫度和應變傳感實驗，

5、標定了布里淵頻移的溫度和應變系數(shù)，分別大約是1.05MHz/?C和0.047MHz/με。
　　3、利用外差探測技術的高信噪比優(yōu)勢，分別采用正交解調(diào)算法和基于廣義小波諧波變換的包絡解調(diào)技術，進行了外差型光纖布里淵長距離分布式傳感研究。理論分析和實驗結(jié)果都表明，外差探測的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在濾除泵浦光后向瑞利散射引入的噪聲，在泵浦光與探測光功率相等的條件下，外差探測方法能夠提高信噪比大約7dB。利用外差探測技術，本論文在24.4km長的傳

6、感光纖上，實現(xiàn)了空間分辨率約為2m、溫度和應變精度分別大約是0.7℃和14με的分布式傳感；在48.7km長的傳感光纖上，實現(xiàn)了空間分辨率約為3m、溫度精度分別大約是2.5?C的分布式溫度傳感。將基于廣義小波諧波變換的包絡解調(diào)技術，應用于外差型光纖布里淵長距離分布式傳感，實現(xiàn)了與正交解調(diào)算法相比擬的傳感性能。該技術通過實時調(diào)節(jié)廣義諧波小波變換的通帶參數(shù)，能夠適應不同的空間分辨率或傳感精度需要，非常適合用于布里淵長距離分布式傳感。

7、　　4、闡述了布里淵增益譜和相移譜邊沿檢測方法用于光纖布里淵動態(tài)應變傳感的基本原理，分析了布里淵增益和相移動態(tài)應變傳感的最佳工作點和應變靈敏度。搭建了布里淵動態(tài)應變傳感的實驗裝置，分別通過測量布里淵增益和相移，在46m長的傳感光纖上進行了空間分辨率為1m、等效傳感采樣率為1kHz的動態(tài)應變測量實驗，成功測量40Hz、60Hz、80Hz、100Hz的動態(tài)應變信號。實驗結(jié)果表明，在1MHz測量頻率精度條件下布里淵動態(tài)應變測量的動態(tài)范圍約為4