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长距离分布式布里渊散射光纤传感技术研究

作　者: 刘迪仁
导　师: 章献民；陈抗生
学　校: 浙江大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 布里渊散射分布式测量光纤传感器偏振应变温度
分类号: TP212.14
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

布里渊分布式光纤传感器技术因其自身的优点和广阔的应用前景而成为目前国内外传感器研究的热点课题。本文在全面调研相关文献基础上,理论分析和数值模拟相结合,分析了脉冲光在25km光纤中的布里渊散射特性,建立了布里渊散射谱与光纤温度、应变和应变梯度等的调制解调关系,对布里渊分布式光纤传感器(B-DOFS)的测量原理、系统设计以及应变、应变梯度、温度等的长距离分布式模拟实验测量等方面作了较系统的研究。并在应变梯度对B-DOFS测量精度的影响、改善BOTDR系统性能的消偏振衰落技术等方面做了较深入的研究。本文的研究来源于国家863项目子课题“长距离海底管道分布式光纤传感技术”(G20020477),课题已通过863专家组验收,并评价为整体国内先进,部分国际领先水平。本文的主要贡献可归纳为: (1)采用了有效的数值分析模型和方法分析不同宽度的脉冲光注入普通单模光纤布里渊散射功率谱变化和阈值特性。对采用脉冲泵浦的布里渊分布式光纤传感器,其结果为系统设计中的参数优化提供了理论参考。 (2)为减小偏振失配对布里渊谱测量精度的影响,针对B-DOFS系统信号特点,首次提出了光时域分集消偏振技术(TDPD),并给出了较详细的理论分析和论证。不管布里渊散射信号光的偏振态如何随机变化,采用该技术可使接收信号对偏振态随机变化不敏感。将TDPD应用于B-DOFS系统中,对比采用该技术前后的实验统计结果表明,采用该技术后的接收信号功率幅度起伏要比采用前的小约4.2倍,实验验证了其改善系统性能的有效性。 (3)在建立布里渊谱参数与应变和温度的调制关系基础上,首次提出了采用加权最小二乘优化反演方法从布里渊散射谱同时解调温度和应变的分布,并给出了有特色的权系数确定方法。 (4)采用B-DOFS系统对25km传感光纤作了全分布式的应变、温度模拟实验测量,该实验系统目前空间分辨率可达7.5m、应变和温度的分辨率分别可达50με和3℃。另外,系统空间分辨率范围内应变梯度对布里渊谱测量影响的理论分析和数值计算结果表明,应变梯度增大不仅使布里渊频移随之线性增大,也会使后向布里渊散射谱峰值非线性降低,谱峰变得平坦。空间分辨率10m的100με/m应变梯度相对于零应变梯度,引起的布里渊频移测量误差增加2.04倍。并对大型梁结构应变梯度的影响作了模拟实验研究。

全文目录

第一章绪论  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 分布式光纤传感的研究发展概况  10-18
    1.2.1 分布式光纤传感技术及其优点  10-12
    1.2.2 几种分布式光纤传感技术研究发展概况  12-17
      1.2.2.1 基于瑞利散射和OTDR的分布式光纤传感技术  12-13
      1.2.2.2 基于光纤Raman散射的分布式传感技术  13-15
      1.2.2.3 基于后向布里渊散射的分布式光纤传感技术  15-17
    1.2.3 分布式光纤传感器的应用前景及发展趋势  17-18
  1.3 本文的研究内容  18-19
  参考文献  19-24
第二章基于布里渊散射的全分布式光纤传感器理论基础  24-42
  2.1 光纤中的布里渊散射  24-28
    2.1.1 光纤中的自发布里渊散射  24-26
    2.1.2 光纤中的受激布里渊散射  26-28
  2.2 单模光纤中布里渊散射的理论计算模型  28-32
    2.2.1 脉冲光在单模光纤中布里渊散射的物理模型  28-29
    2.2.2 布里渊散射的耦合波方程组  29-32
      2.2.2.1 稳态SBS的耦合波方程组  29-31
      2.2.2.2 瞬态SBS的耦合波方程组  31-32
  2.3 光纤中脉冲光的布里渊散射的数值计算  32-37
    2.3.1 稳态SBS的数值求解  32-33
    2.3.2 瞬态SBS的数值计算  33-36
      2.3.2.1 耦合波方程的差分格式  33-35
      2.3.2.2 边界条件和初始条件  35-36
    2.3.3 数值计算方法  36-37
  2.4 传感光纤中的后向布里渊散射光信号分析  37-40
    2.4.1 后向布里渊功率与入射泵浦光参数的关系  37-39
    2.4.2 光纤应变或温度对布里渊散射谱调制的正演模拟  39-40
  2.5 本章小结  40
  参考文献  40-42
第三章光纤布里渊散射谱参数与应变和温度的调制解调关系  42-55
  3.1 布里渊频移与应变和温度的关系  42-44
    3.1.1 布里渊频移与随应变变化  43
    3.1.2 布里渊频移随温度变化  43-44
  3.2 布里渊散射强度与温度和应变的关系  44-45
  3.3 传感光纤布里渊谱与应变梯度的关系  45-47
  3.4 同时应变和温度分布式测量  47-52
    3.4.1 传感光纤布里渊散射谱参数对温度和应变交叉敏感  47-48
    3.4.2 BOTDR的温度和应变信号的解调方法  48-52
      3.4.2.1 Landau-Placzec比及布里渊散射信号提取  48-50
      3.4.2.2 矩阵直接计算温度和应变  50-51
      3.4.2.3 温度和应变的加权最小二乘反演  51-52
  3.5 本章小结  52-53
  参考文献  53-55
第四章基于自发布里渊散射的分布式光纤传感器系统  55-73
  4.1 整体设计  55-59
    4.1.1 BOTDR系统的组成  55-56
    4.1.2 系统光功率预算  56-57
    4.1.3 BOTDR系统主要性能参数  57-59
  4.2 后向布里渊散射信号的光相干检测子系统  59-61
  4.3 光发射机子系统  61-63
    4.3.1 光源子系统—激光器波长的选择  61-62
    4.3.2 光脉冲参数  62-63
  4.4 BOTDR光接收机的设计与实现  63-66
    4.4.1 光接收机的结构  63-64
    4.4.2 光接收机参数  64
    4.4.3 光接收机输出信噪比和灵敏度  64-66
  4.5 BOTDR信号采集与处理子系统  66-70
    4.5.1 BOTDR的高速数据采集  66-67
    4.5.2 信号处理  67-69
    4.5.3 信号采集与处理子系统的总体设计  69-70
  4.6 本章小结  70-71
  参考文献  71-73
第五章布里渊分布式光纤传感器系统的消偏振衰落技术  73-91
  5.1 偏振致相干接收信号的衰落现象  73-75
  5.2 光纤中布里渊散射的偏振特性  75-78
    5.2.1 单模光纤中的双折射效应  75-76
    5.2.2 光纤中后向布里渊散射光的偏振特性  76-78
  5.3 相干检测中的消偏振衰落技术  78-82
    5.3.1 偏振控制技术  78-79
    5.3.2 偏振分集接收技术  79-80
    5.3.3 光路全保偏技术  80-81
    5.3.4 偏振扩展技术  81-82
  5.4 B-DOFS的光时域分集消偏振衰落技术  82-87
    5.4.1 光时域分集技术  83-85
    5.4.2 光时域分集技术的实验研究  85-87
  5.5 本章小结  87
  参考文献  87-91
第六章 B-DOFS系统空间分辨率提高方法  91-106
  6.1 影响B-DOFS系统空间分辨率的因素  91-93
    6.1.1 空间分辨率与光脉冲宽度和声子寿命的关系  91-92
    6.1.2 空间分辨率与光探测器的响应时间的关系  92
    6.1.3 系统空间分辨率与A／D转换时间的关系  92
    6.1.4 B-DOFS系统空间分辨率设计的综合分析  92-93
  6.2 基于信号处理技术提高系统空间分辨率  93-95
  6.3 基于光频域反射技术提高空间分辨率  95-97
  6.4 基于频率调制连续光泵浦的高分辨率布里渊分布式传感技术  97-103
    6.4.1 基于两连续光相关的高空间分辨率BOTDA基本原理  97-99
    6.4.2 测量设计  99-100
    6.4.3 空间分辨率和测量范围  100-103
  6.5 本章小结  103
  参考文献  103-106
第七章 B-DOFS系统的应变和温度分布式测量实验研究  106-119
  7.1 BOTDR实验系统  106-107
  7.2 BOTDR应变分布式传感的实验测量  107-114
    7.2.1 光纤应变分布式测量  108-111
      7.2.1.1 分布式应变测量的实验设计  108
      7.2.1.2 分布式应变测量的实验结果  108-111
    7.2.2 应变梯度的分布式测量  111-114
      7.2.2.1 实验装置  111-112
      7.2.2.2 实验结果及其分析  112-114
  7.3 温度传感实验  114-116
  7.4 温度和应变同时传感的实验设计  116-117
  7.5 本章小结  117
  参考文献  117-119
第八章总结与展望  119-121
  8.1 总结  119
  8.2 展望  119-121
致谢  121-122
攻读博士学位期间已发表的论文  122

长距离分布式布里渊散射光纤传感技术研究

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