時頻分析在MZ干涉與φ-OTDR分布式光纖傳感中的應(yīng)用研究.pdf

1、光纖分布式傳感是以光纖作為傳感媒介，可以遠程、實時和精確地對光纖沿線周圍外界環(huán)境進行監(jiān)測。目前，分布式光纖傳感技術(shù)主要包括以下三個方面:(a)基于干涉技術(shù);(b)基于散射技術(shù);(c)基于光纖光柵技術(shù)，它們各有優(yōu)點?；贛Z干涉與相位敏感光時域反射技術(shù)(Φ-OTDR)結(jié)合的分布式光纖傳感系統(tǒng)，結(jié)合了兩種傳感技術(shù)的優(yōu)點，可實現(xiàn)高的空間分辨率和寬頻率響應(yīng)范圍。本文依次對信號檢測技術(shù)、魏格納威利分布和短時傅里葉變換進行了理論分析，并分別進行了仿

2、真驗證和實驗驗證。同時對MZ干涉技術(shù)與Φ-OTDR技術(shù)結(jié)合的分布式光纖傳感系統(tǒng)進行了深入的研究。
　　首先，分別簡述了MZ干涉技術(shù)和Φ-OTDR技術(shù)的相關(guān)原理。根據(jù)光纖后向散射機制，本文以后向瑞利散射機制為基礎(chǔ)，建立了Φ-OTDR系統(tǒng)模型，并簡述了其工作原理和傳感特點;然后介紹了MZ干涉技術(shù)傳感原理以及它的技術(shù)特點;根據(jù)這兩種技術(shù)的光路特點，討論兩種技術(shù)結(jié)合傳感的可行性。
　　其次，根據(jù)Φ-OTDR技術(shù)對于外界環(huán)境變化敏感的

3、特點，后向瑞利散射光的時域曲線所對應(yīng)的外界振動位置的強度會劇烈變化，而其它點位置處的后向瑞利散射光的時域曲線的強度變化很平穩(wěn)。考慮到這一特點，通過對各周期的瑞利散射時域曲線進行平均和差分的方法來獲得振動位置。實驗中，在～3km的傳感光纖上實現(xiàn)了～7dB位置信息的信噪比，并且在對4kHz～6kHz掃頻信號時頻分析中得到27Hz的振動頻率分辨率。
　　本文采用WVD-SPWVD聯(lián)合時頻分析方法對非平穩(wěn)信號進行處理，保證了WVD頻率分辨

4、率，同時彌補了快速傅里葉變換在非平穩(wěn)信號處理的不足。實驗中，使用掃頻信號驅(qū)動壓電陶瓷(PZT)來模擬外界環(huán)境非平穩(wěn)振動，掃頻范圍為4kHz～6kHz，所得實驗結(jié)果和掃頻信息相吻合，因此WVD-SPWVD聯(lián)合算法能被應(yīng)用到MZ干涉與Φ-OTDR技術(shù)結(jié)合的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，進行低頻非穩(wěn)定振動的時頻分析，而對于高頻振動信號17kHz～19kHz，WVD-SPWVD所得到的結(jié)果頻率分辨率方面同樣表現(xiàn)優(yōu)秀，繼續(xù)研究這些時頻分析的結(jié)果可知在信噪