高精度分布式光纖傳感及相關(guān)信號(hào)解調(diào)技術(shù)的研究.pdf

1、近年來(lái)，以光纖中散射光為傳感載體的分布式光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在傳感領(lǐng)域內(nèi)得到眾多研究者的青睞。如光纖傳感和傳輸集于一身的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力等多參量的同時(shí)監(jiān)測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)全方位智能監(jiān)測(cè)，從而克服傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)漏檢的弊端，提高監(jiān)測(cè)的成功率等?；诓祭餃Y光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)單端測(cè)量的特性便于實(shí)際應(yīng)用，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。在BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)中，以相干檢測(cè)的傳感精度最高，在大型工程如石油天然氣管道泄露、大型混凝土

2、結(jié)構(gòu)（大壩、隧道、建筑物等）等的健康監(jiān)測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。由于布里淵散射光光功率十分微弱，容易淹沒(méi)在噪聲中，且頻移比較小，信號(hào)檢測(cè)非常困難，因此研究信號(hào)解調(diào)方法，提高信號(hào)解調(diào)精度，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的精準(zhǔn)性和可靠性尤為重要。
　　本文在深入研究布里淵散射機(jī)理的前提下，提出一套切實(shí)可行的基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖溫度應(yīng)變傳感系統(tǒng)方案，以提高信號(hào)解調(diào)精度為重點(diǎn)進(jìn)行逐步研究，在該過(guò)程中進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試。該系統(tǒng)方案采用外差相干

3、檢測(cè)方法，激光器發(fā)出窄線寬的連續(xù)光分成90(:)10兩部分，90％連續(xù)光經(jīng)光電調(diào)制器調(diào)制成脈沖光之后采用摻餌光纖放大器進(jìn)行放大，然后注入傳感光纖以產(chǎn)生布里淵后向散射脈沖信號(hào);10％的連續(xù)光經(jīng)電光調(diào)制器產(chǎn)生移頻邊帶，通過(guò)加載在電光調(diào)制器的微波掃頻源和直流偏置電壓的調(diào)制，獲取具有布里淵頻移的參考光。背向布里淵散射光經(jīng)光纖光柵濾波后與參考光在光電探測(cè)器處相干進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)行去噪處理和計(jì)算分析，獲取溫度和應(yīng)力在傳感光纖的分布情況。

4、　　本文采取一系列措施提高系統(tǒng)測(cè)量精度:(1)在參考路獲取參考光方面，本系統(tǒng)采用電光調(diào)制器產(chǎn)生的兩個(gè)1階邊帶作為布里淵頻移的參考光，獲取具有高1階邊帶與0階邊帶光強(qiáng)差（1-0光強(qiáng)比）的參考光，是系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)的關(guān)鍵。第一，詳細(xì)研究了偏振對(duì)電光調(diào)制器產(chǎn)生邊帶的光強(qiáng)的影響，提出了偏振控制器與直流偏置電壓結(jié)合的方式獲取高1-0光強(qiáng)差的參考光。第二，采用步進(jìn)為1MHz的微波掃頻源進(jìn)行自動(dòng)微波掃頻，找到最佳參考光頻率，提高系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)精度。(2)

5、在探測(cè)路提取布里淵信號(hào)方面，首先，使用本底噪聲較小的放大器，提高信號(hào)信噪比。其次，運(yùn)用濾波精度達(dá)到0.001nm/℃可調(diào)溫控光纖光柵濾波技術(shù)提取斯托克斯信號(hào)光，提高系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)精度(3)在信號(hào)相干處理系統(tǒng)方面，先采用自外差相干探測(cè)法解調(diào)信號(hào)，將太赫茲數(shù)量級(jí)的布里淵高頻信號(hào)降至易于探測(cè)和處理的百兆赫茲數(shù)量級(jí)的中頻信號(hào)，提高了系統(tǒng)的探測(cè)精度。再運(yùn)用LabVIEW分析處理去除噪聲等措施，提高系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)精度等等，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低

6、了系統(tǒng)的成本。最后，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析。具體地說(shuō)，全文包括以下幾個(gè)方面:
　　第一章緒論，簡(jiǎn)單介紹了分布式光纖傳感的基本知識(shí)，包括分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)，分布式光纖技術(shù)的分類，和基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)(BOTDR、BOTDA、BOFDA)，然后綜述了本文主要研究的基于自發(fā)布里淵散射光纖傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和課題意義及研究目標(biāo)，最后介紹了本文所做的主要工作。
　　第二章是研究課題的理論部分，首先介

7、紹了光纖中的散射現(xiàn)象和三種散射譜，闡述了自發(fā)和受激布里淵散射的產(chǎn)生機(jī)理，從理論上分析了光纖應(yīng)變和溫度與布里淵頻移和散射強(qiáng)度的變化關(guān)系，根據(jù)光纖中的自發(fā)布里淵散射的頻移和強(qiáng)度受光纖溫度和應(yīng)變影響的機(jī)理，得到了利用光纖布里淵散射進(jìn)行溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的傳感模型，為BOTDR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第三章介紹偏振與獲取高光強(qiáng)的參考光，是本文的核心研究?jī)?nèi)容之一。詳細(xì)研究了電光調(diào)制器的移頻特性，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了偏振對(duì)EOM調(diào)

8、制的光波邊帶光強(qiáng)的影響。提出邊帶光強(qiáng)隨偏振的改變呈現(xiàn)cos2x的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)相符。提出使用偏置電壓和偏振控制相結(jié)合的方法得到穩(wěn)定的，1-0光強(qiáng)差為24dB的參考光，比僅僅調(diào)偏置電壓時(shí)高18dB，使用該參考光明顯提高了系統(tǒng)信噪比，提高系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)精度。
　　第四章系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，是本論文另一核心內(nèi)容。包括系統(tǒng)的整體搭建，各子系統(tǒng)中器件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取，以及系統(tǒng)溫度傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與LabVIEW分析處理等。選

9、擇本底噪聲低的放大器，運(yùn)用濾波精度達(dá)到0.001nm/℃的可調(diào)溫控光纖光柵濾波技術(shù)提取斯托克斯光，和采用自動(dòng)微波掃頻等方法提高了系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)精度。實(shí)驗(yàn)中頻譜分析儀采集到的波峰頻率為10.853GHz,與布里淵頻移的理論值相符。在系統(tǒng)溫度傳感實(shí)驗(yàn)中得到的溫度系數(shù)為1.0843MHz/℃，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近于前人報(bào)道的數(shù)據(jù)1.2MHz/℃，它們之間的差值主要是由于儀器誤差。采用LabVIEW軟件分析處理了布里淵散射強(qiáng)度信號(hào)，詳細(xì)闡述了累加平均去