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高精度分布式光纤传感及相关信号解调技术的研究

作　者: 李丽
导　师: 詹亚歌
学　校: 东华大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 分布式光纤传感基于布里渊散射的分布式光纤传感技术信号解调参考光
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

近年来,以光纤中散射光为传感载体的分布式光纤传感器以其独特的优势,在传感领域内得到众多研究者的青睐。如光纤传感和传输集于一身的优势,可实现温度和应力等多参量的同时监测,并能实现全方位智能监测,从而克服传统点式监测漏检的弊端,提高监测的成功率等。基于布里渊光时域反射技术(BOTDR)单端测量的特性便于实际应用,是目前国内外研究的热点之一。在BOTDR分布式光纤传感技术中,以相干检测的传感精度最高,在大型工程如石油天然气管道泄露、大型混凝土结构(大坝、隧道、建筑物等)等的健康监测方面具有广泛的应用前景。由于布里渊散射光光功率十分微弱,容易淹没在噪声中,且频移比较小,信号检测非常困难,因此研究信号解调方法,提高信号解调精度,对系统测量的精准性和可靠性尤为重要。本文在深入研究布里渊散射机理的前提下,提出一套切实可行的基于自发布里渊散射的分布式光纤温度应变传感系统方案,以提高信号解调精度为重点进行逐步研究,在该过程中进行一系列的实验验证和测试。该系统方案采用外差相干检测方法,激光器发出窄线宽的连续光分成90：10两部分,90%连续光经光电调制器调制成脉冲光之后采用掺饵光纤放大器进行放大,然后注入传感光纤以产生布里渊后向散射脉冲信号；10%的连续光经电光调制器产生移频边带,通过加载在电光调制器的微波扫频源和直流偏置电压的调制,获取具有布里渊频移的参考光。背向布里渊散射光经光纤光栅滤波后与参考光在光电探测器处相干进入信号处理系统,进行去噪处理和计算分析,获取温度和应力在传感光纤的分布情况。本文采取一系列措施提高系统测量精度：(1)在参考路获取参考光方面,本系统采用电光调制器产生的两个1阶边带作为布里渊频移的参考光,获取具有高1阶边带与0阶边带光强差(1-0光强比)的参考光,是系统的信号解调的关键。第一,详细研究了偏振对电光调制器产生边带的光强的影响,提出了偏振控制器与直流偏置电压结合的方式获取高1-0光强差的参考光。第二,采用步进为1MHz的微波扫频源进行自动微波扫频,找到最佳参考光频率,提高系统信号解调精度。(2)在探测路提取布里渊信号方面,首先,使用本底噪声较小的放大器,提高信号信噪比。其次,运用滤波精度达到0.001nm/℃可调温控光纤光栅滤波技术提取斯托克斯信号光,提高系统信号解调精度(3)在信号相干处理系统方面,先采用自外差相干探测法解调信号,将太赫兹数量级的布里渊高频信号降至易于探测和处理的百兆赫兹数量级的中频信号,提高了系统的探测精度。再运用LabVIEW分析处理去除噪声等措施,提高系统信号解调精度等等,增强系统的稳定性和可靠性,降低了系统的成本。最后,进行了一系列的实验研究和系统测试及结果分析。具体地说,全文包括以下几个方面：第一章绪论,简单介绍了分布式光纤传感的基本知识,包括分布式光纤传感技术的特点,分布式光纤技术的分类,和基于布里渊散射的光纤传感技术(BOTDR、BOTDA、BOFDA),然后综述了本文主要研究的基于自发布里渊散射光纤传感技术的研究现状和课题意义及研究目标,最后介绍了本文所做的主要工作。第二章是研究课题的理论部分,首先介绍了光纤中的散射现象和三种散射谱,阐述了自发和受激布里渊散射的产生机理,从理论上分析了光纤应变和温度与布里渊频移和散射强度的变化关系,根据光纤中的自发布里渊散射的频移和强度受光纤温度和应变影响的机理,得到了利用光纤布里渊散射进行温度和应变同时测量的传感模型,为BOTDR系统的设计奠定了理论基础。第三章介绍偏振与获取高光强的参考光,是本文的核心研究内容之一。详细研究了电光调制器的移频特性,从理论和实验两方面研究了偏振对EOM调制的光波边带光强的影响。提出边带光强随偏振的改变呈现cos2x的变化趋势,实验结果与理论预测相符。提出使用偏置电压和偏振控制相结合的方法得到稳定的,1-0光强差为24dB的参考光,比仅仅调偏置电压时高18dB,使用该参考光明显提高了系统信噪比,提高系统信号解调精度。第四章系统测试及实验结果分析,是本论文另一核心内容。包括系统的整体搭建,各子系统中器件和实验参数的选取,以及系统温度传感实验结果讨论与LabVIEW分析处理等。选择本底噪声低的放大器,运用滤波精度达到0.001nm/℃的可调温控光纤光栅滤波技术提取斯托克斯光,和采用自动微波扫频等方法提高了系统信号解调精度。实验中频谱分析仪采集到的波峰频率为10.853GHz,与布里渊频移的理论值相符。在系统温度传感实验中得到的温度系数为1.0843MHz/℃,该实验数据接近于前人报道的数据1.2MHz/℃,它们之间的差值主要是由于仪器误差。采用LabVIEW软件分析处理了布里渊散射强度信号,详细阐述了累加平均去噪、小波去噪和低通滤波去噪的原理,并对了三种去噪方法的处理效果。第五章总结与展望,对本论文进行总结,分析该系统存在的不足之处,指出下一步需继续进行的研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 引言  12-13
  1.2 课题背景和研究目标  13-14
  1.3 分布式光纤传感技术概述  14-16
    1.3.1 分布式光纤传感技术的特点  14-15
    1.3.2 分布式光纤传感技术的分类和应用  15-16
  1.4 基于布里渊散射的分布式传感技术  16-19
    1.4.1 基于BOTDR的光纤传感技术  16-17
    1.4.2 基于BOTDA的光纤传感技术  17-18
    1.4.3 基于BOFDA的光纤传感技术  18-19
  1.5 BOTDR国内外研究现状  19-20
  1.6 论文主要研究内容  20-22
第二章 BOTDR的传感原理  22-32
  2.1 光纤中的散射  22-23
  2.2 光纤中的布里渊散射  23-27
    2.2.1 光纤中的自发布里渊散射  23-26
    2.2.2 光纤中的受激布里渊散射  26-27
  2.3 基于布里渊散射的传感原理  27-31
    2.3.1 布里渊频移的温度和应变特性  27-29
    2.3.2 布里渊强度的温度和应变特性  29-30
    2.3.3 温度和应变的同时测量  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章偏振调制EOM获取高1-0光强差的参考光  32-50
  3.1 EOM光移频特性  32-39
    3.1.1 EOM光移频原理  32-35
    3.1.2 EOM光移频边带随EOM的调制深度C变化而变化  35-37
    3.1.3 EOM光移频边带随直流偏置电压变化而变化  37-39
  3.2 偏振对EOM产生边带光强的调制作用  39-45
    3.2.1 理论推导和仿真预测  39-41
    3.2.2 实验验证  41-45
  3.3 偏振与偏置电压共同作用获取高光强的参考光  45-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章 BOTDR系统设计和实验分析  50-69
  4.1 系统整体设计  50-51
  4.2 光发射子系统  51-54
    4.2.1 激光器的选择  51-52
    4.2.2 光脉冲参数  52
    4.2.3 电光调制器的选择  52-53
    4.2.4 光放大器的选择  53-54
  4.3 前向光路调试  54-56
  4.4 滤波处理  56-57
  4.5 微波扫频  57-60
  4.6 BOTDR系统温度传感实验  60-61
  4.7 LabVIEW仿真和信号处理  61-67
    4.7.1 布里渊散射信号强度仿真  62-63
    4.7.2 去噪方法及效果对比  63-67
  4.8 本章小结  67-69
第五章结论与展望  69-71
  5.1 总结  69-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-76
攻读硕士学位期间发表的论文  76-77
致谢  77

高精度分布式光纤传感及相关信号解调技术的研究

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