基于干涉和φ-OTDR復(fù)合的分布式光纖振動傳感技術(shù)的研究.pdf

1、分布式光纖傳感是利用光纖作為傳感介質(zhì),能對沿光纖線路的對象進(jìn)行遠(yuǎn)程和實時監(jiān)測的技術(shù)。在長距離安全監(jiān)測如天然氣輸送管道、石油管道監(jiān)控和民用設(shè)施的健康監(jiān)測如橋梁、大型建筑等方面有廣泛的應(yīng)用。到目前為止,國內(nèi)外學(xué)者主要對分布式光纖振動傳感的兩類技術(shù)展開廣泛研究:①基于干涉原理,②基于散射原理(如瑞利散射或布里淵散射技術(shù))。干涉型傳感技術(shù)的頻響非常高,它的信號解調(diào)方法還需要進(jìn)一步簡化,空間分辨率也有待提高,更重要的是基于干涉原理的分布式振動測量

2、技術(shù)無法實現(xiàn)多點振動源的同時定位和測量。另一方面,基于布里淵散射技術(shù)進(jìn)行振動測量的頻響范圍很小,而基于瑞利散射的OTDR技術(shù)具有定位精確高、可進(jìn)行多點振動定位、以及信號處理方法簡單等優(yōu)點,由于后向瑞利散射光很弱,多次平均處理的結(jié)果使得對振動的頻率響應(yīng)仍然不高。本項目提出的測量系統(tǒng)結(jié)合干涉技術(shù)以及φ-OTDR技術(shù)各自的優(yōu)點,期望通過建立復(fù)合系統(tǒng)實現(xiàn)高空間分辨率和高頻響的分布式振動測量。
　　論文的主要工作如下:
　　①概述干涉

3、技術(shù)和OTDR技術(shù)的相關(guān)理論,為兩種技術(shù)的復(fù)合奠定了基礎(chǔ)。首先,根據(jù)光纖中后向瑞利散射的產(chǎn)生機(jī)理,通過建立離散模型描述φ-OTDR系統(tǒng)的工作原理,并且分析基于OTDR技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)的技術(shù)特點;其次,簡要介紹干涉技術(shù)測量外界振動的原理,同時分析基于干涉技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)的優(yōu)缺點。最后,討論干涉技術(shù)和OTDR技術(shù)各自的光路特點,通過光復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的結(jié)合。
　?、跒榱诉_(dá)到高空間分辨率和高頻響的振動測量目的,提出基于干涉技

4、術(shù)和OTDR技術(shù)相結(jié)合的分布式振動測量方法。通過波分復(fù)用技術(shù)將Michelson干涉和φ-OTDR技術(shù)結(jié)合,Michelson干涉實現(xiàn)對振動信號的高頻分量測量,同時φ-OTDR技術(shù)可以獲得振動位置信息和低頻分量。實驗結(jié)果表明,當(dāng)20ns光脈沖打入1km傳感光纖時,振動系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可以達(dá)到~8MHz,同時空間分辨率也達(dá)到~2m。
　?、郐?OTDR系統(tǒng)對外界振動很敏感,振動點位置對應(yīng)的瑞利曲線強(qiáng)度會發(fā)生急劇變化,而非振動點位置的瑞

5、利曲線強(qiáng)度很平穩(wěn)?；诖?我們利用二維圖像邊緣檢測的方法用于振動位置的提取,并且檢測算子在鄰域內(nèi)具有平均的效果,可以非常有效地提高振動位置信號的信噪比,同時通過優(yōu)化算子矩陣大小可以提高振動位置的空間分辨率。實驗結(jié)果表明,當(dāng)光脈沖寬度為50ns時,在1km傳感光纖上可以實現(xiàn)~3m的空間分辨率和~8.4dB的位置信號信噪比,極大地提高了φ-OTDR系統(tǒng)的性能。
　　④頻率信息對于動態(tài)振動測量是一個重要的參數(shù)。快速傅里葉變換(FFT)只